Evolutionäres aus der Handhabungstechnik

Mehr als nur Hantieren

Unter dem Begriff Handhabungstechnik verstehen wir bekanntlich alle Mittel, Verfahren und Methoden, um materielle Objekte (Werkstücke, Halbzeuge, Baugruppen, Produkte) im unmittelbaren Bereich von industriellen Arbeitsplätzen maschinell zu bewegen oder umzusetzen. Später ging es auch um die wertschaffende Handhabung von Werkzeugen und die Realisierung von Montageaufgaben. Das gelang erst allmählich, denn automatisches Montieren kann als die hohe Schule in der Handhabungstechnik gelten.

Bild 1: Vermeide eine Inselautomation! Grundsatz: Automatisierte Abschnitte sind baldigst in den Fabrikbetrieb zu integrieren.

Im Durchschnitt braucht ein Industrieprodukt zehn hintereinander geschaltete Fertigungsoperationen, ehe es fertig ist. Hat man davon eine Teilstrecke automatisiert, dann sollte der Werkstückfluss möglichst bald ohne die unbeliebten „manuellen Restarbeiten“ in die Gesamtlogistik eingebunden werden (Bild 1).

In den 1980er Jahren beginnt man in Deutschland im Rahmen von Programmen zur „Humanisierung der Arbeitswelt“ die Handhabungs- und Robotertechnik auch staatlich zu fördern. Es ging vor allem um die Optimierung von Konstruktionen, um neue Handhabungssysteme als technische Hilfen, die Steuerungstechnik und um eine komfortable Programmierung von Robotern. Der Erfolg blieb nicht aus.

Modulare Problemlöser

Über die Jahre wurden für die handhabetechnisch funktionell nötigen Bewegungen kombinationsfähige Linear-, Dreh- und Schwenkmodule geschaffen. Dort, wo nicht ständig neue Bewegungsfolgen eingerichtet werden müssen, greift man auf bewährte Funktionsträger zurück, die ab Lager erhältlich sind. Ein Beispiel wird in Bild 2 gezeigt. Solche Aufbauten werden heute nicht mehr konstruiert, sondern einfach mit erprobten Standardkomponenten projektiert.

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Die Module erfahren ständig eine Weiterentwicklung mit dem Wettbewerbsmerkmal „Qualität“ und Schließung von Sortimentslücken bezüglich technischer Parameter. Auch neue Aktoren, die bisher wenig angepasst und zunächst zu teuer waren, haben inzwischen zu interessanten Anwendungen gefunden – wie die elektrischen Direktantriebe. Sie sind hochdynamisch, genau und in vielen Ausführungen verfügbar.

Das Bild 3 zeigt eine Pick-and-Place-Einheit, bei der die Bewegungen durch elektrische Röhrenmotoren aufgebracht werden. Über einen Ejektor wird Vakuum für den Saugergreifer erzeugt. Auch die Linearführungen bekommt man fertig zu kaufen.

Kinematische Glanzstücke

Am Anfang stand der Roboter mit Freiarm. Eine serielle Kinematik war das Maß der (Roboter-)Dinge. Ein Japaner brachte um 1985 (erste Installation) den Roboter vom Typ SCARA in die Welt. Es ist ein Waagerecht-Gelenkarm, der in erster Näherung dem menschlichen Arm ähnelt. Er zeichnet sich durch eine ausgeprägte Feinfühligkeit in der x-y-Ebene und Steifigkeit in der z-Achse aus. Außerdem ist er schnell und wiederholgenau. Sein Potenzial zeigte sich vor allem in der Kleinteilmontage senkrecht von oben, besonders bei der Automation in der Elektrotechnik. In Bild 4 ist der sich aus dem kinematischen Aufbau ergebende typische Arbeitsraum zu sehen.

Aber es ging noch mehr: Roboter mit Parallel-Kinematik. Sie haben drei bis sechs Aktoren, die zueinander parallel verlaufende Schubbewegungen erzeugen. Als „Deltaroboter“ werden sie besonders für schnelle Verpackungsarbeiten eingesetzt. Damit wurde übrigens auch eine Tür zum High-Speed-Handling aufgestoßen. Bei dem in Bild 5 skizzierten und weniger bekannten Hexaglidesystem, auf der Basis von parallel angeordneten Lineareinheiten, hat man den Vorteil, dass sich der Arbeitsraum „in die Länge ziehen“ lässt.

Auf dem Weg zum leichten und schnellen Parallelroboter ist nun auch der Seilroboter in den Fokus der Techniker gerückt. Das ist ein Roboter, bei dem der Endeffektor an ausgespannten Seilen geführt und positionsgenau bewegt wird. Seilwinden an den Enden der Seile sorgen für den schnellen Positionswechsel. Es ist ein extrem massearmes System; eine wichtige Voraussetzung für hochdynamisches Bewegen.

Zwei Arme leisten mehr

Dualarm-Roboter werden in der letzten Zeit von einigen Herstellern als robotische Weiterentwicklung und Ergänzung der Modellpalette vorgestellt. Es sollen neue Einsatzbereiche erschlossen und die Wirtschaftlichkeit in ausgewählten Anwendungen verbessert werden. Ideen gab es dafür schon länger, wie das Bild 6 zeigt.

Eine Hand mit sensorbestückten Handrücken findet das Fügeteil im Regalmagazin und bringt es zur Montagevorrichtung. Diese wird dann mit der rechten Roboterhand bedient, so jedenfalls die fast 40 Jahre alte Idee. Verbindet man diese Möglichkeit mit OTS (ohne trennende Schutzeinrichtungen), dann kann man Montageabläufe von Mensch plus Roboter beispielsweise drei- oder gar vierhändig projektieren. Das würde zu neuen interessanten Überlegungen für die Planung von Kleinteilmontagen oder Justierarbeiten führen. Für eine Hand-in-Hand-Arbeit ist der Startschuss gefallen. Für dreihändiges Arbeiten gibt es bereits die ersten Anwendungen.

Der Robot machts

Neue Automatisierungstechniken beginnen unser Leben, unsere Arbeitsumwelt und damit auch unsere Kultur beachtlich zu verändern. Der Industrieroboter gehört mit dazu. Karel Capek hat 1923 in seinem Theaterstück RUR (Rossums Universal Robots) bereits mit Zahlen argumentiert. Der Preis je Roboter sollte 150 Dollar betragen, jeweils 2,5 Arbeitskräfte sparen und die Betriebskosten sollten 0,75 Cent je Stunde ausmachen (zu einer Zeit, da ein Pfund Brot zwei Cent kostete). In der BRD wurde der erste Roboter 1972 bei Daimler Benz eingesetzt. Es war ein Modell der Firma UNIMATION.

Es kommt natürlich auch auf die Roboterperipherie an. Was braucht der Roboter für seine Tätigkeit, was ist im Umfeld nötig? Sind die peripheren Einrichtungen oder Systeme vom Roboter ansteuerbar? Die Peripherie hat sich vielfach als wesentlicher Kostenfaktor herausgestellt. Kann der Roboter wenig, dann müssen in der Peripherie Bewegungsachsen installiert werden. Das Bild 7 zeigt, dass man Freiheitsgrade verlagern kann. Eine gewisse Universalität wird dem Roboter wohl erst mitgegeben, wenn er über sechs frei programmierbare Achsen und über ein Mindestniveau an sensorischer Ausstattung verfügt.

Die Firma KUKA stellte 1973 ihren ersten Industrieroboter mit sechs elektromechanischen Achsen vor. In Schweden entwickelte man eine Baureihe mit den Traglastbereichen 6, 60 und 90 Kilogramm Nutzlast. Das Bild 8 zeigt diese Handhabungsmaschinen in einem Größenvergleich.

Inzwischen stemmt der KUKA-Roboter „Titan“ Lasten von unglaublichen 1.000 Kilogramm und hat eine Reichweite von 3,2 Meter. Ein Fanuc-Roboter greift auch bei maximal 1.350 Kilogramm noch zu. Das Handhabungsobjekt könnte beispielsweise ein Traktor-Fahrgestell sein; das konnte sich vor vierzig Jahren niemand vorstellen.

Greifertechnik

Beschränkt man die Sicht bei den Endeffektoren allein auf die Greifer, dann gärt es auch heute noch. Immer wieder gelingen erstaunliche Verbesserungen an im Prinzip bekannten Konstruktionen. Ein Beispiel wird in Bild 9 vorgestellt. Die Greifbacken des so genannten Impulsgreifers sind in der Skizze gerade durch Federkraft geschlossen. Eine nicht mit dargestellte Tauchspule, die als Aktor wirkt, ist jetzt stromlos. Bei einer Impulsbestromung von weniger als 20 Millisekunden öffnet der Greifer und hält diesen Zustand durch ein Kniehebelgetriebe, also mit stromloser Spule, in der Endlage.

Seit den 1970er Jahren wurden ständig zunehmend handgeführte Manipulatoren (Balancer) zum Einsatz gebracht, vielfach in der Automobilindustrie. Diese Geräte schließen die Technisierungslücke zwischen Handarbeit und Roboter. In Bild 10 wird ein Greifer gezeigt, der ein vorinstalliertes Pkw-Cockpit halten kann, wenn es seitlich von Hand gesteuert in die Karosse eingeführt wird. Die Halteelemente werden pneumatisch bewegt, das Objekt mit Vakuum gehalten und dabei mechanisch abgestützt. Greifer für solche Manipulatoren nehmen oft Vorrichtungscharakter an und können auch greiferinterne Bewegungsachsen haben, beispielsweise für einen Schwenkvorgang.

Ideen aus der Bionik

Man weiß es schon lange, bionische Lösungen können auch in der Handhabungstechnik zu Fortschritten führen. Zu beobachten sind

  • rüsselartige Leichtbauarme mit 3D-Beweglichkeit,
  • Greiforgane, die den Schwanzflosseneffekts der Fische nutzen,
  • technische Hände mit steuerbaren Gliederfingern,
  • Tastsensoren nach dem Vorbild der Schnurrhaare von Katzen.

Käfer, Spinnen und der Gecko haben da auch noch einiges zu bieten, denkt man nur an neue Haftmechanismen nach dem Vorbild haariger Gecko-Zehen.

Gern hätte man auch für die mobilen Roboter eine Panoramasicht, wie es Insektenaugen ohne Kopfdrehung möglich machen. Bisher behilft man sich versuchsweise mit einem Kegelspiegel, wie es in Bild 11 zu sehen ist. Das Kegelbild wird von einer Kamera übernommen. Es ist zwar stark verzerrt, kann aber ausgewertet werden. Das Facettenauge, beispielsweise einer großen Libelle, kann bis zu 28.000 Einzelsignale je Auge liefern. Mit neuartiger Sensortechnologie wurde inzwischen auch hier ein Vorstoß zum technischen Insektenauge gestartet (Xapt). Vielleicht lässt sich damit die Selbstlokalisation autonomer mobiler Roboter weiter verbessern.

Fabrikbetrieb verändert sich

Die traditionelle Fabrik bleibt nicht so, wie sie ist. Die Anzahl smarter Leichtbauroboter wird sich erhöhen, und sie werden mehr oder weniger direkt für das Interagieren mit dem Menschen tauglich sein. Weiterentwickelte Sensorik wird Mensch, Maschine und Werkobjekt auch in komplexen Situationen schützen. Werkstückträger werden in vernetzten Transfersystemen durch eine produktbezogene ID-Nummer von selbst in die notwendigen Arbeitsstationen finden. Das Produkt steuert den Durchlauf. Für die Zuführung von Teilen aus dem ungeordneten Haufwerk wird man den "Griff in die Kiste" ständig vervollkommnen. Der Roboter wird sich weiter mit künstlicher Intelligenz vollsaugen und zur First-Class-Handhabungsmaschine aufsteigen. Was wird er wohl als Maschine noch alles leisten können? Im Laufe der Geschichte gelang es zuerst, Werkzeuge mit Werkzeugen zu fertigen, dann Maschinen durch Maschinen. Heute sollen Roboter mit Hilfe von Robotern vervielfältigt werden. Am besten funktioniert das bereits in der Science-Fiction Literatur. In der Erzählung "Roboter Nr. 3" von J.A. Zajdel bauen Roboter andere Roboter zusammen. Einem, nämlich dem Roboter Nr. 3, wurde ein Sabotagebefehl untergeschoben. Er stiftet Unheil, weil ihm so etwas wie ¿kybernetische Ethik¿ fehlt. So schließt die Geschichte mit einem denkwürdigen Satz: "Roboter sind in der Regel gutmütige und treue Seelen, aber Menschen gibt es... ach, schade um jedes Wort...".

he

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