Industrieroboter

Inhaltsverzeichnis
1 Allgemein
2 Anwendungsgebiete
3 Programmierung (Teachen)
4 Offline-Programmierung
5 Koordinatensysteme
6 Sicherheit
7 Hersteller
8 Forschungsinstitute

Allgemein

Ein Industrieroboter ist eine universelle, programmierbare Bearbeitungsmaschine. Diese ist für den Einsatz im industriellen Umfeld konzipiert (z.B. Automobilfertigung). Sie besteht im Allgemeinen aus dem Manipulator und der Steuerung. Einmal programmiert ist diese Maschine in der Lage, einen Arbeitsablauf autonom durchzuführen.

Der Industrieroboter ist ein multifunktionaler Handhabungsautomat, der aus einer Reihe von starren Gliedern besteht, die miteinander durch Dreh- oder Schubgelenke verbunden sind. Ein Ende dieser "Gliederkette" ist die Basis, während das andere Ende frei beweglich ist und mit einem Werkzeug oder Greifer zur Durchführung von Produktionsarbeiten bestückt ist. Der Ursprung der Industrieroboter ist in Reaktortechnik zu suchen, wo man schon früh von handgesteuerten Manipulatoren für Aufgaben innerhalb radioaktiv gefährdeter Räume verwendete.

Industrieroboter werden in unterschiedlichen Ausführungen und von verschiedenen Herstellern geliefert. Sie werden in der Regel als standardisiertes Grundgerät angeschafft und mit anwendungsspezifischen Werkzeugen an ihre jeweilige Aufgabe angepasst.

Man unterscheidet Roboter anhand der verwendeten Kinematik:

Anwendungsgebiete

thumb|Gelenkarmroboter mit Schweißbrenner Eingesetzt werden Industrieroboter im Bereich:

Programmierung (Teachen)

Programmiert werden Industrieroboter oft im Teach-In Verfahren. Hierbei fährt der Programmierer den Roboter mit einer Steuerkonsole in die gewünschte Position und speichert diese in der Steuerung. Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis die gesamte gewollte Bewegung durch markante Punkte beschrieben ist.

So entsteht eine Abfolge von Raumpunkten, die der Roboter nacheinander abfährt. Für die Bewegung zwischen den einzelnen Punkten können Parameter eingegeben werden. So sind die Geschwindigkeit und die Beschleunigung einstellbar. Die Bewegung zwischen den Punkten kann auf einer geraden Linie, einer Kreisbahn, oder auf einer für den Roboter besonders günstigen, geometrisch aber nicht exakt festgelegten Bahn erfolgen.

Nach dem Teachen kann die Bewegung vom Roboter autonom nachvollzogen werden.

Die meisten Robotersteuerungen erlauben auch eine weitergehende Programmierung. So kann das Verhalten des Roboters an äußere Einflüsse angepasst sein: Verschiedene Teile können durch Sensoren erkannt, und vom Roboter unterschiedlich bearbeitet werden. Zum Beispiel können "Pick and Place" Roboter mittels eines Videosystems ein gemischtes Schüttgut aus unterschiedlichen Pralinen in eine Bonbonniere Schachtel sortieren.

Die Robotersteuerung ist häufig an eine SPS angeschlossen. Diese regelt das Zusammenspiel zwischen dem Roboter und der umgebenden Anlagentechnik.

Offline-Programmierung

Eine Alternative zum Teach-In Verfahren ist die Offline-Programmierung. Hier wird der Roboter an einem PC-Arbeitsplatz (oft auch Unix-Workstations) auf Basis von Konstruktionszeichnungen und Simulationen programmiert.

Der gesamte Bewegungsablauf wird dabei schon am PC in einer dreidimensionalen Bildschirmumgebung festgelegt. Dabei sind in der Regel die Umgebung des Roboters und sein Werkzeug ebenfalls abgebildet. Dadurch können verschiedene Untersuchungen durchgeführt werden:

Vorteile der Offline-Programmierung (in Verbindung mit Simulation):

Nachteile der Offline-Programmierung:

Das in der Offline-Programmierung erstellte Programm wird in den Industrieroboter per Datenträger oder Netzwerk übertragen und kann dann sofort ausgeführt werden. Normalerweise sind aber noch vielfältige Anpassungen (Kalibrierung) erforderlich, da die simulierte Umgebung nie genau mit der Realität übereinstimmt. Auch die Anbindung an die SPS erfolgt meist erst "vor Ort".

Koordinatensysteme

Die Stellung eines Industrieroboters kann entweder achsbezogen oder raumbezogen beschrieben werden.

achsbezogenen: Für jede einzelne (lineare oder rotatorische) Achse des Roboters wird angegeben, in welcher Stellung sie sich befindet. Daraus ergibt sich eine eindeutige Position des Roboterwerkzeuges am Ende der kinematischen Kette. Sobald rotatorische Achsen vorhanden sind, ist es jedoch schwierig, den TCP durch Angabe von Achswerten an die gewünschte Lage zu bringen.

raumbezogen: Die Werkzeugposition eines Industrieroboters wird über seinen so genannten TCP (Tool Center Point) beschrieben. Dies ist ein gedachter Referenzpunkt, der sich an geeigneter Stelle am Werkzeug befindet. Um zu beschreiben, welche Lage das Roboterwerkzeug einnehmen soll, genügt es, die Position des TCP im Raum und seine Verdrehung zu definieren.

Es wird hierbei vom Programmierer festgelegt, an welche Stelle im Raum das Roboterwerkzeug gefahren werden soll und wie es ausgerichtet ist. Die Robotersteuerung errechnet dann über die sogenannte Denavit-Hartenberg Transformation, welche Stellung die einzelnen Roboterachsen dazu einnehmen müssen. Siehe dazu auch inverse Kinematik, direkte Kinematik.

Für die raumbezogene Beschreibung der Roboterstellung stehen verschiedene Koordinatensysteme zur Verfügung, die der Programmierer je nach Bedarf nutzen kann (Benennung am Beispiel KUKA):

World-Koordinatensystem: Das World Koordinatensystem hat seinen Ursprung im rotatorischen Zentrum der ersten Achse. Es ist das Haupt-Koordinatensystem, welches unveränderlich im Raum liegt und fest an den Roboter gebunden ist. Von diesem Koordinatensystem sind alle anderen abhängig.

Base-Koordinatensystem: Das Base Koordinatensystem ist im Normalfall deckungsgleich mit World. In besonderen Fällen der Automatisierung ist der Roboter allerdings auf einer beweglichen 7. Achse montiert, und kann so seinen Arbeitsraum erweitern. In diesem Fall ist das Base Koordinatensystem parallel zu World.

Tool-Koordinatensystem: Das Toolkoordinatensystem befindet sich am Werkzeug des Roboters. Es wird durch den TCP (Tool Center Point) definiert, welcher sich an geeigneter Stelle des Werkzeugs befindet. Über den TCP sowie die sog. Stossrichtung des Werkzeugs wird die Lage des TCP (rotorische und lineare Verschiebung zum "Ur-TCP" im Mittelpunkt Flansch 6. Achse) festgelegt.

Das besondere im Tool - Koordinatensystem: Die Berechnung der Steuerung sorgt dafür, dass sich der Raum um das Werkzeug mit dem TCP bewegt, und nicht das Werkzeug im Raum. Wenn der Ursprung des Tool-Koordinatensystems auf eine Spitze des Werkzeugs festgelegt wird, befindet er sich immer dort, unabhängig von der Achsstellung des Roboters. Dieses Verfahren wurde entwickelt, um dem Programmierer das Teachen zu erleichtern.

Eine besondere Form im Tool-Koordinatensystem bildet das so genannte 'externe Tool'. Hierbei wird der TCP nicht am Roboterwerkzeug definiert, sondern an z. B. stationären Schweißzangen, in denen das Roboterwerkzeug (Greiferrahmen ö. ä.) räumlich agiert. Anwendung auch bei Wechselwerkzeugen gebräuchlich (wegen unterschiedlicher Dimension).

User-Koordinatensystem: Das User-Koordinatensystem kann vom Programmierer frei im Raum positioniert werden, z.B. parallel zu einer schräg im Raum stehenden Vorrichtung. Lage und Orientierung sind unabhängig von anderen Koordinatensystemen, beziehen sich aber rechnerisch auf das World Koordinatensystem.

Sicherheit

Sicherheit von Personen steht in der Robotertechnik an oberster Stelle. Bereits in den 50er Jahren stellte Isaac Asimov in seinen Science-Fiction Romanen drei Roboterregeln auf, welche im Grunde besagen, dass ein Roboter keinen Menschen verletzen darf. Heute sind es Gesetze (in Europa die Maschinen-Richtlinie 98/37/EG) und internationale Normen (zB.: ISO EN 10218), welche die Sicherheitsstandards von Maschinen und somit auch Robotern festlegen.

Die Gefahren, die vom Roboter ausgehen, bestehen in den für den Menschen oft völlig unvorhersehbaren, komplexen Bewegungsmustern und rasanten Geschwindigkeitsänderungen, bei gleichzeitig enormen freigesetzten Kräften. Ein Arbeiten neben einem ungesicherten Industrieroboter kann schnell tödlich enden.

Als erste Schutzmaßnahme steht daher meistens das Trennen des Bewegungsraums von Mensch und Industrieroboter durch Schutzgitter mit gesicherten Schutztüren oder Lichtschranken. Ein Öffnen der Schutztür oder eine Unterbrechung der Lichtschranke lässt den Roboter sofort stillstehen. In Sonderbetriebsarten, wo der Mensch den Gefahrenbereich des Roboters betreten muss (zB. beim Teachen), muss ein Zustimmtaster betätigt werden um Bewegungen des Roboters ausdrücklich zu erlauben. Gleichzeitig müssen die Geschwindigkeiten des Roboters auf ein sicheres Maß begrenzt sein.

Neuere Entwicklungen (Assistenzroboter) gehen in die Richtung, dass der Roboter mittels Sensorik eine Annäherung eines Fremdobjekts oder eines Menschen rechtzeitig erkennt, und seine Bewegung verlangsamt, stoppt, oder sogar selbsttätig zurückweicht. Somit ist ein gemeinsames Zusammenarbeiten mit dem Roboter in seiner unmittelbaren Nähe möglich.

Alle Steuerkreise, mit Funktionen für die Personen-Sicherheit werden in der Regel redundant ausgeführt und überwacht, sodass auch Fehler (wie Kurzschlüsse) nicht zum Sicherheitsverlust führen können.

Hersteller

Wichtige Hersteller von Industrierobotern sind u.a. ABB, Fanuc, KUKA, Epson, Yaskawa/Motoman, Stäubli, Reis und SEF.

Fast jeder Hersteller setzt eigene Steuerungen ein, die sich in ihrer Programmierung, Leistungsfähigkeit und der erzielbaren Bahngenauigkeit des Roboters unterscheiden.

In Großproduktionen, wie z.B. der Automobilfertigung werden oft nur Roboter eines einzigen Herstellers eingesetzt. Das verkleinert die Zahl der auf Vorrat zu haltenden Ersatzteile. Außerdem ist es dadurch nicht notwendig, die Mitarbeiter auf verschiedenen Systemen zu schulen.

Forschungsinstitute

Forschungsinstitute im deutschsprachigem Raum sind u.a. (in alphabetischer Reihenfolge):

See also: Industrieroboter, Achse, Asea Brown Boveri, Automobilfertigung, Autonom, Computer Aided Design, Datenträger, Denavit-Hartenberg Transformation, Direkte Kinematik, Dreidimensional