Roboter: Von der Handling-Stand-Alone-Lösung zur Echtzeitsteuerung komplexer Systeme

Schneller, genauer, effizienter...

Aus Robotern, die direkt am Gerät programmiert wurden und 100 Positionen speichern konnten, sind PC-programmierte Multitalente geworden, die in vielen Industriebranchen unentbehrliche Dienste leisten, die Arbeit beschleunigen und den Alltag der Arbeitnehmer vereinfachen.

Vor rund 35 Jahren setzte die Industrie in Fräsmaschinen erstmals Roboter für Handling-Prozesse ein. Vorangetrieben durch Innovationen in angrenzenden Automatisierungsbereichen wie EDM-/CNC-Prozessen und aufgrund sich ändernder Marktanforderungen sind in den vergangenen drei Jahrzehnten aus einer Art „Manipulator“ in einer Maschine über ein reines Handling-Stand-Alone-Gerät hochtechnologische und intelligente Lösungen entstanden, die in komplexe Systeme eingebunden sind. Darin arbeiten die Roboter mit Komponenten wie Sensoren und Kameras unmittelbar zusammen, um unterschiedlichste Prozesse zu kombinieren, optimieren oder realisieren.

Für den Jungingenieur von heute kaum vorstellbar: In den Anfängen der Robotik wurden die Geräte noch mit Gleichstrom-Servomotoren über Zahnriemen oder Drahtseile angetrieben. Dazu wurden die damals aktuellen Inkremental-Encoder verwendet, wobei nach jedem Neustart eine Referenzfahrt nötig war. Wenig später folgten leistungsfähigere und kompaktere AC-Servomotoren. Mit der Einführung des Knickarmroboters RV-E2 setzte Mitsubishi Electric 1994 erstmalig Absolut-Encoder ein, die eine Referenzfahrt überflüssig machten. Die direkte Gegenüberstellung verdeutlicht den Fortschritt: Im Vergleich zu den Inkremental-Encodern mit damals 256 Schritten verfügen die Absolut-Encoder heute über eine Auflösung von über vier Millionen Schritten pro Umdrehung. Mit der Erhöhung der Encoder-Auflösung ließen sich Präzision und Regelung beim Positionsanfahren optimieren. Da die Steuerung komplexe Algorithmen unter Berücksichtigung aller physikalischen Einflüsse kompensieren und den Roboterarm exakt regeln kann, sind Überschwingen oder Einregeln der Positionen kein Thema mehr. Außerdem sind wesentlich höhere Geschwindigkeiten möglich: Ein moderner Sechs-Achs-Roboter ist bis 15-mal schneller als sein 20 Jahre älteres Pendant. Die Wiederholgenauigkeit ließ sich sogar um das 25-Fache auf plus/minus 0,02 Millimeter verbessern. Von diesen Entwicklungen profitiert nicht nur die Robotik – der technologische Fortschritt verändert auch unseren Alltag.

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Permanente Antreiber: Innovationen

Die ersten Roboter wurden direkt über ein Eingabegerät programmiert, eine schrittweise Abarbeitung der festgelegten Positionen erfüllte die meisten Zwecke. Mit dem Einzug der Bürorechner und dem Intel Mikroprozessor 80286 kam die erste PC-Software zur Roboterprogrammierung auf den Markt, mit der sich ein Programm auf der Steuerung speichern und ändern ließ. Der Speicher wurde erweitert, sodass einige Kilobyte Speicherplatz für mehr als 100 Positionen ausreichten. Die Datenlöschung gestaltete sich allerdings etwas komplizierter als heute, denn dazu musste der Speicherchip manuell unter UV-Licht gehalten werden.

Aus den großen, vergleichsweise ungenau arbeitenden Maschinen mit umfangreicher Steuerungstechnik wurden mit der Zeit kompakte, hochpräzise Geräte. Davon profitiert auch die Marburger Firma Battenberg, die ihre intelligenten Prüfroboter unter anderem im Automobilbereich einsetzt. Früher wurden festgelegte Positionen an den Prüfteilen von außen beziehungsweise vor Einbau mit dem Roboter angefahren. Dank der platzsparenden Bauweise und gesteigerten Flexibilität durch direkt getriebene Achsen und kompakte Getriebe können die Roboter heute auch im Fahrzeuginterieur eingesetzt werden. Die Messergebnisse sind dabei immer exakter geworden, wodurch sich letztlich die Produktqualität verbessert hat und ein zunehmend personalisiertes Fahrzeuginterieur entstanden ist. So erlebt der Fahrer eines kleinen Stadtflitzers auch durch die Haptik der Druckknöpfe von Radio oder Klimaanlage den Innenraum anders als der Fahrer einer Luxuslimousine.

Die Vernetzung der Roboter mit einem PC oder die Integration in eine SPS machen den mobilen Betrieb von Messstationen möglich. Dabei setzt Battenberg auf modernste Sensortechnik und die Anwendungssimulation am PC. Die Bedeutung der Simulation für die Industrie hat das Unternehmen früh erkannt und eine Software integriert, die heute den Roboter in Echtzeit darstellt und Taktzeiten sowie Teilehandling vorab exakt berechnet.

Grundlage für die Robotersimulation am PC und die Kommunikation mit Komponenten waren in den 1990er Jahren die steigende Rechnerleistung und 3D-Grafik-Prozessoren. Bildverarbeitung und Bus-Anbindungen innerhalb der Robotersteuerung ermöglichten die Kameraanbindung und die Vernetzung in der Anlage. Heute gehört die Robotersimulation vor der Installation zur gängigen Praxis, Kameraanbindung oder Förderbandverfolgung sind Standardfunktionen. Die Mitsubishi Electric Roboter verfügen zudem über eine Ethernet- oder Feldbus-Anbindung, wodurch sich Systeme leichter und flexibler integrieren lassen.

Innerhalb industrieller Automatisierungsanwendungen arbeiten Roboter zunehmend enger mit anderen Komponenten zusammen. Eine reibungslose, direkte Datenübertragung über eine Automatisierungsplattform ist deshalb essenziell und bringt entscheidende Produktionsvorteile. Mit der iQ-Platform von Mitsubishi Electric können über einen High-Speed-Rückwanddatenbus alle Automatisierungskomponenten von der CNC-CPU, Roboter-CPU bis zur Motion-CPU untereinander sowie mit unterschiedlichen SPS-Modulen integriert kommunizieren.

Ein aktuelles Thema in der Robotik ist die Echtzeitsteuerung. Die sensorgesteuerten Prüfroboter von Battenberg sind darauf ausgerichtet, möglichst ohne zeitliche Verzögerung auf Signale zu reagieren. Dank der intelligenten Roboterprüftechnik sind analoge Messverfahren überflüssig, was die anspruchsvolle Haptikmessung und -analyse des Fahrzeuginterieurs erlaubt. Aufgrund der hohen Beweglichkeit der Sechs-Achs-Roboter lässt sich der menschliche dreidimensionale Tastsinn nahezu vollständig abbilden. Die Ergebnisse fließen unmittelbar in die Produktion ein. Durch die integrierte Ethernet-Schnittstelle und neuste Speicher- und Prozessortechnologien lassen sich komplexe Trajektorien und im laufenden Betrieb flexibel veränderbare Programmabläufe realisieren.

Treibende Kräfte für den Fortschritt

Faktoren wie Effizienz- und Produktivitätssteigerung, Erhöhung von Taktzeiten und Genauigkeit, Weiterentwicklung von Maschinen oder sich ändernde Sicherheits- und Hygienevorschriften treiben die Evolution in der Robotik seit 30 Jahren voran. Innovationen in angrenzenden Bereichen wie Kamerasystemen oder Sensorlösungen und sich ändernde Anforderungen an die Robotik tragen ebenfalls zum Fortschritt bei. Die Anzahl der treibenden Kräfte ist hoch und lässt eine rasante Weiterentwicklung absehen, an deren Horizont völlig autonom arbeitende, intelligente Roboter stehen könnten.

bw

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