Schlüsselfaktoren zur Klassifizierung von Industrierobotern

Millionen von Industrierobotern sind in Industrie-4.0-Fabriken auf der ganzen Welt im Einsatz. Sie werden eingesetzt, um die Produktionsraten zu erhöhen, die Qualität zu verbessern, die Kosten zu senken und einen flexibleren und nachhaltigeren Betrieb zu unterstützen. Aufgrund der Bedeutung von Industrierobotern hat die Internationale Organisation für Normung (ISO) die Norm 8373:2021, Robotics Vocabulary, entwickelt, um die in der Robotik verwendeten Begriffe zu definieren und eine gemeinsame Sprache für die Diskussion über die vielen Arten von Robotern und ihre Anwendungen zu schaffen.

Die IFR (International Federation of Robots) verwendete die in der ISO 8373:2021 definierten Schlüsselbegriffe, um sechs Roboterklassifizierungen auf der Grundlage ihrer mechanischen Struktur zu bestimmen, darunter:

• Gelenk
• Kartesisch
• Zylindrisch
• Parallel/Delta
• Polar
• SCARA

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Norm ISO 8373:2021 und betrachtet die vier Schlüsselbegriffe, die einen Roboter definieren, wobei der Schwerpunkt auf der Notwendigkeit der Reprogrammierbarkeit und der Art und Anzahl der Robotergelenke liegt, die von der IFR zur Entwicklung von Roboterklassifizierungen verwendet werden. Anschließend wird auf die Details und Feinheiten jeder Roboterklassifizierung eingegangen und es werden beispielhafte Roboter von verschiedenen Herstellern vorgestellt. Dabei werden auch Robotersysteme betrachtet, die nicht alle ISO-Anforderungen erfüllen.

ISO 8373:2021 definiert einen Industrieroboter als einen „automatisch gesteuerten, umprogrammierbaren, in drei oder mehr Achsen programmierbaren Mehrzweckmanipulator, der entweder fest installiert oder auf einer mobilen Plattform befestigt werden kann, um in Automatisierungsanwendungen in einer industriellen Umgebung eingesetzt zu werden“.

Die Reprogrammierbarkeit ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal. Einige Industriemaschinen können mit Manipulatoren ausgestattet sein und sich in mehreren Achsen bewegen, um bestimmte Aufgaben zu bewältigen, wie z. B. das Aufnehmen von Flaschen in einer Getränkeabfüllanlage und das Ablegen in einen Karton. Aber es ist kein Roboter, wenn er nur für diesen einen Zweck eingesetzt wird und nicht umprogrammierbar ist. „Reprogrammierbar“ ist in ISO 8373 definiert als „so konstruiert, dass die programmierten Bewegungen oder Hilfsfunktionen ohne physische Veränderungen geändert werden können“.

Arten und Anzahl von Robotergelenken

ISO 8373 definiert zwei Arten von Robotergelenken:

• Ein prismatisches Gelenk oder ein Gleitgelenk ist eine Verbindung zwischen zwei Gliedern, die eine lineare Bewegung relativ zum anderen ermöglicht.
• Ein Drehgelenk ist eine Verbindung zwischen zwei Gliedern, die es ermöglicht, das eine relativ zum anderen um eine feste Achse zu drehen.

Die IFR hat diese und andere Definitionen der Norm ISO 8373 verwendet, um sechs Industrieroboter-Klassifizierungen auf der Grundlage ihrer mechanischen Struktur oder Topologie zu ermitteln. Darüber hinaus haben verschiedene Robotertopologien eine unterschiedliche Anzahl von Achsen und somit auch eine unterschiedliche Anzahl von Gelenken.

Die Anzahl der Achsen ist ein wesentliches Merkmal von Industrierobotern. Die Anzahl der Achsen und deren Typen bestimmen den Bewegungsbereich des Roboters. Jede Achse steht für eine unabhängige Bewegung oder einen Freiheitsgrad. Mehr Freiheitsgrade bedeuten, dass sich ein Roboter durch größere und komplexere Räume bewegen kann. Einige Robotertypen haben eine feste Anzahl von Freiheitsgraden, während andere eine unterschiedliche Anzahl von Freiheitsgraden haben können.

Endeffektoren, in ISO 8373 auch End-of-Arm-Tooling (EOAT) oder „Mehrzweckmanipulatoren“ genannt, sind ein weiteres wichtiges Element der meisten Roboter. Es gibt eine breite Palette von Endeffektoren, darunter Greifer, spezielle Prozesswerkzeuge wie Schraubendreher, Farbsprühgeräte oder Schweißgeräte und Sensoren, einschließlich Kameras. Sie können pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch sein. Einige Endeffektoren können sich drehen, was dem Roboter einen weiteren Freiheitsgrad verleiht.

Die folgenden Abschnitte beginnen mit der IFR-Definition für jede Robotertopologie und untersuchen dann deren Fähigkeiten und Anwendungen.

Gelenkroboter (oder auch Knickarmroboter) haben drei oder mehr Drehgelenke.

Dies ist eine große Klasse von Robotern. Gelenkroboter können zehn oder mehr Achsen haben, wobei sechs Achsen die häufigste Form sind. Sechsachsige Roboter können sich in der x-, y- und z-Ebene bewegen sowie Nick-, Gier- und Rollbewegungen ausführen und so die Bewegung eines menschlichen Arms imitieren.

Sie sind auch mit einer breiten Palette von Nutzlasten von unter 1 kg bis über 200 kg erhältlich. Auch die Reichweite dieser Roboter ist sehr unterschiedlich und reicht von weniger als 1 Meter bis zu mehreren Metern. Der KR 10 R1100-2 von KUKA beispielsweise ist ein sechsachsiger Gelenkroboter mit einer maximalen Reichweite von 1101 mm, einer maximalen Traglast von 10,9 kg und einer Wiederholgenauigkeit der Position von ±0,02 mm (Bild 1). Er zeichnet sich außerdem durch hohe Bewegungsgeschwindigkeiten, kurze Zykluszeiten und ein integriertes Energieversorgungssystem aus.

Abbildung 1: Sechsachsiger Gelenkroboter mit einer Wiederholgenauigkeit der Pose von ±0,02 mm. (Bildquelle: DigiKey)

Gelenkroboter können fest auf dem Boden, an der Wand oder an der Decke montiert werden. Sie können auch auf Schienen am Boden oder über Kopf, auf einem autonomen mobilen Roboter oder einer anderen beweglichen Plattform montiert und zwischen den Arbeitsplätzen bewegt werden.

Sie werden für verschiedene Aufgaben eingesetzt, darunter Materialtransport, Schweißen, Lackieren und Inspektion. Gelenkroboter sind die gängigste Topologie für die Implementierung von kollaborativen Robotern (Cobots), die für die Zusammenarbeit mit Menschen konzipiert sind. Während ein herkömmlicher Roboter in einem Sicherheitskäfig mit Sicherheitsbarrieren arbeitet, ist ein Cobot für die enge Interaktion mit Menschen konzipiert. Der Cobot LXMRL12S0000 von Schneider Electric hat beispielsweise eine maximale Reichweite von 1327 mm, eine maximale Nutzlast von 12 kg und eine Positionswiederholgenauigkeit von ±0,03 mm. Cobots verfügen häufig über einen Kollisionsschutz, abgerundete Kanten, Kraftbegrenzungen und ein geringeres Gewicht für mehr Sicherheit.

Ein kartesischer Roboter (manchmal auch rechteckiger Roboter, Linearroboter oder Portalroboter genannt) hat einen Manipulator mit drei prismatischen Gelenken, deren Achsen ein kartesisches Koordinatensystem bilden.

Modifizierte kartesische Roboter sind mit zwei prismatischen Gelenken erhältlich. Dennoch erfüllen sie nicht die Anforderung der Norm ISO 8373, dass sie „in drei oder mehr Achsen programmierbar“ sein müssen, und sind daher technisch gesehen keine Roboter.

Es gibt mehr als eine Möglichkeit, drei prismatische Gelenke zu konfigurieren und somit auch mehr als eine Möglichkeit, einen kartesischen Roboter zu konfigurieren. In einer grundlegenden kartesischen Topologie stehen alle drei Gelenke im rechten Winkel zueinander, wobei sich eines in der x-Achse bewegt und an einem zweiten in der y-Achse befestigt ist, das wiederum an einem dritten in der z-Achse befestigt ist.

Obwohl er oft als Synonym für einen kartesischen Roboter verwendet wird, ist die Topologie des Portals nicht identisch. Wie ein einfacher kartesischer Roboter unterstützt ein Portalroboter lineare Bewegungen im dreidimensionalen Raum. Portalroboter sind jedoch mit zwei Basisschienen für die x-Achse, einer gestützten Schiene für die y-Achse, die die beiden x-Achsen überspannt, und einer freitragenden z-Achse, die an der y-Achse befestigt ist, ausgestattet. Der DLE-RG-0012-AC-800-800-500 von Igus zum Beispiel ist ein Portalroboter mit einem Arbeitsbereich von 800 mm x 800 mm x 500 mm, der bis zu 5 kg tragen und sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1,0 m/s bei einer Wiederholgenauigkeit von ±0,5 mm bewegen kann (Abbildung 2).

Abbildung 2: Portalroboter mit einem Arbeitsbereich von 800 mm x 800 mm x 500 mm. (Bildquelle: Igus)

Ein zylindrischer Roboter hat einen Manipulator mit mindestens einem Drehgelenk und mindestens einem prismatischen Gelenk, deren Achsen ein zylindrisches Koordinatensystem bilden.

Zylindrische Roboter sind relativ einfach und kompakt und lassen sich aufgrund ihres begrenzten Bewegungsumfangs leicht programmieren. Sie sind weniger verbreitet als ihre komplexeren Cousins. Sie eignen sich jedoch besonders für Anwendungen wie Schleifprozesse, Palettieren, Schweißen (insbesondere Punktschweißen) und Materialhandhabung, z. B. das Be- und Entladen von Halbleiterwafern in Kassetten bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (Abbildung 3).

Abbildung 3: Dieser zylindrische Roboter hat ein drehbares und ein prismatisches Gelenk. (Bildquelle: Association for Advancing Automation)

Zylindrische Roboter bewegen sich in der Regel mit Geschwindigkeiten von 1 bis 10 m/s und können so konstruiert werden, dass sie schwere Lasten tragen können. Anwendungen für zylindrische Roboter finden sich in der Automobil-, Pharma-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, in der Elektronik und in anderen Branchen.

Ein Parallel-/Deltaroboter ist ein Manipulator, dessen Arme über Verbindungen verfügen, die eine geschlossene Schleifenstruktur bilden.

Während andere Roboter, wie zylindrische oder kartesische Topologien, nach ihrer Bewegung benannt sind, ist der Deltaroboter nach seiner auf dem Kopf stehenden dreieckigen Form benannt. Deltaroboter haben 2 bis 6 Achsen, wobei 2- und 3-Achsen-Konstruktionen am häufigsten vorkommen. Wie kartesische 2-Achsen-Roboter erfüllen auch 2-Achsen-Deltaroboter technisch nicht die Anforderungen der ISO 8373, um als Roboter bezeichnet zu werden.

Deltaroboter sind eher auf Geschwindigkeit als auf Stärke ausgelegt. Sie werden über dem Arbeitsbereich montiert und übernehmen Funktionen wie Bestückung, Sortieren, Demontage und Verpacken. Sie befinden sich oft über einem Förderband, das Teile in einer Produktionslinie bewegt. Der Greifer ist mit einem langen, schlanken mechanischen Gestänge verbunden. Dieses Gestänge führen zu drei oder vier großen Motoren an der Basis des Roboters. Das andere Ende des Gestänges ist an einer Werkzeugplatte befestigt, an der der Endeffektor angebracht ist.

Der RBTX-IGUS-0047 von Igus ist ein Beispiel für einen 3-Achsen-Deltaroboter. Er hat einen Arbeitsraumdurchmesser von 660 mm und kann eine maximale Last von 5 kg tragen. Bei einer Last von 0,5 kg kann er 30 Entnahmen pro Minute mit einer Höchstgeschwindigkeit von 0,7 m/s und einer Beschleunigung von 2 m/s² ausführen. Es hat eine Wiederholbarkeit von ±0,5 mm (Abbildung 4).

Abbildung 4: Dreiachsiger Deltaroboter und Steuerung (links). (Bildquelle: DigiKey)

Ein Polarroboter (kugelförmiger Roboter) ist ein Manipulator mit zwei Drehgelenken und einem prismatischen Gelenk, deren Achsen ein polares Koordinatensystem bilden.

Eines der Drehgelenke ermöglicht es einem polaren Roboter, sich um die vertikale Achse zu drehen, die sich von der Basis aus nach oben erstreckt. Das zweite Drehgelenk steht im rechten Winkel zum ersten Drehgelenk und ermöglicht es dem Roboterarm, auf und ab zu schwingen. Das prismatische Gelenk schließlich ermöglicht es dem Roboterarm, aus der vertikalen Achse aus- oder einzufahren.

Polarroboter sind zwar einfach aufgebaut, haben aber Nachteile, die ihren Einsatz im Vergleich zu anderen Topologien wie Gelenk-, kartesischen und SCARA-Robotern einschränken:

• Das sphärische Koordinatensystem macht die Programmierung komplexer.
• Sie haben in der Regel eine geringere Nutzlast als andere Robotertypen.
• Sie sind langsamer als andere Roboter.

Zu den Hauptvorteilen der Polarroboter gehören ein großer Arbeitsbereich und hohe Präzision. Sie werden bei der Bedienung von Werkzeugmaschinen, bei Montagearbeiten, beim Materialtransport in Montagelinien der Automobilindustrie sowie beim Gas- und Lichtbogenschweißen eingesetzt.

SCARA-Roboter (von „Selective Compliance Assembly Robot Arm“) ist ein Manipulator mit zwei parallelen Drehgelenken, die eine Nachgiebigkeit in einer bestimmten Ebene ermöglichen.

Ein einfacher SCARA-Roboter hat drei Freiheitsgrade, wobei der dritte von einem rotierenden Endeffektor stammt. SCARA-Roboter sind auch mit einem zusätzlichen Drehgelenk für insgesamt vier Freiheitsgrade erhältlich, was komplexere Bewegungen ermöglicht.

SCARA-Roboter werden häufig in Bestückungs- oder Montageanwendungen eingesetzt, bei denen hohe Geschwindigkeit und hohe Genauigkeit erforderlich sind. Der M1-PRO von Dobot zum Beispiel ist ein 4-Achsen-SCARA-Roboter mit einem Arbeitsradius von 400 mm, einer maximalen Traglast von 1,5 kg und einer Wiederholgenauigkeit von ±0,02 mm. Er verfügt über eine sensorlose Kollisionserkennung und eine Drag-to-Teach-Programmierung, wodurch er sich sowohl für den Einsatz als Cobot als auch als eigenständiger Roboter eignet (Abbildung 5).

Abbildung 5: Vierachsiger SCARA-Roboter mit einer Wiederholgenauigkeit von ±0,02 mm. (Bildquelle: DigiKey)

Fazit

Alle Industrieroboter erfüllen die Anforderung der ISO 8373, automatisch mit einem umprogrammierbaren Mehrzweckmanipulator gesteuert zu werden. Allerdings hat nicht jeder Entwurf eine bestimmte Anzahl von Achsen für eine bestimmte Topologie. Delta- und kartesische Roboter sind mit weniger als der definierten Anzahl von Achsen erhältlich, während einige SCARA-Roboter mehr Achsen haben als von IFR definiert.