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Der Begriff Roboter – eine Einführung

Grundlagen der Industrierobotik
Der Begriff Roboter – eine Einführung

Industrierobotik
Der Begriff Roboter hat seine Wurzeln in Science-Fiction-Erzählungen. Doch heute ist er aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Bild: Nataliya Hora/ Fotolia
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Der Begriff Roboter hat seine Wurzeln in Science-Fiction-Erzählungen. Erstmals taucht der Begriff Roboter 1921 im Theaterstück „Rossum’s Universal Robots“ (R.U.R) von Karel Capek auf. In dem satirischen Drama R.U.R. beschreibt Capek menschenähnliche Maschinen, die doppelt so viel arbeiten wie richtige Menschen. Diese Maschinen nannte er Roboter – nach dem slawischen Wort robota, das so viel wie Arbeit (Polnisch) oder Fronarbeit (Tschechisch) bedeutet.

Auch Isaak Asimov, einer der bekanntesten Science-Fiction-Schriftsteller, schrieb gleich mehrere Robotik-Erzählungen. Er formulierte die vielfach bekannten Gesetze für Roboter, deren oberstes Gesetz besagt, dass Menschen kein Schaden zugefügt werden darf. Die Robotikesetze (Three Laws of Robotics) beschrieb Isaac Asimov in seiner Kurzgeschichte Runaround (1942) erstmals. Die drei Gesetze bilden auch den Hintergrund der in Ich, der Robot (1950) gesammelten Science-Fiction-Erzählungen und prägen seither die Auffassung, was und wie ein Roboter sein sollte.

Definition Industrieroboter

Industrieroboter nach VDI 2860: Laut VDI-Richtlinie 2860 sind Industrieroboter universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkel frei (d.h. ohne mechanischen Eingriff) programmierbar und zuweilen sensorgeführt sind. Industrieroboter sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.

Industrieroboter nach EN 775: Nach der europäischen Norm EN 775 ist ein Roboter ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt wird.

Vom Industrieroboter zum Robotiksystem

Industrieroboter sind für den Einsatz im industriellen Umfeld konzipiert (z. B. Automobilfertigung). Sie gehören in die Maschinenbau-Disziplin Automatisierungstechnik. Das Industrierobotik-System besteht in erster Linie aus den folgenden Bestandteilen:

  • Manipulator (der eigentliche Roboterarm)
  • Effektor (Werkzeug, Greifer)
  • Steuerung
  • Programmierhandgerät
  • Sensoren (optional)

Einmal programmiert ist das Industrierobotik-System dann in der Lage, einen Arbeitsablauf autonom durchzuführen oder die Ausführung der Aufgabe abhängig von Sensorinformationen in Grenzen zu variieren.

Kinematiken der Industrierobotik

Industrieroboter lassen sich nach ihren Kinematiken (Kinematik = Lehre der Bewegung von Körpern im Raum) in folgende Arten unterscheiden:

Serielle Kinematiken

Bei seriellen Kinematiken sin die Achsen seriell angeordnet. Dazu gehören

  • Knickarmroboter (in der Regel sechs Achsen, auch Gelenkarmroboter)
  • 7-Achs-Roboter: dem menschlichen Arm ähnliche Knickarmroboter-Roboter mit sieben Achsen
  • Dualarm-Robotermit 15 Achsen (haben neben zwei siebenachsigen Roboterarmen eine weitere Rotationsachse)
  • Scara-Roboter(vier Achsen; Selective Compliance Assembly Robot Arm). Dieser Robotertyp eignet sich wegen seiner schnellen und wiederholgenauen Bewegung speziell für Montage- und Fügeaufgaben sowie für Pick-and-Place-Anwendungen
  • Portalroboter (meist mit drei Achsen); man unterscheidet hier Linienportal, Auslegerportal und Flächenportal
  • Palettierroboter (meist Knickarm-Roboter mit vier Achsen oder auch Portalroboter)

Parallele Kinematiken

Hier sind die Achsen parallel angeordnet

  • Hexapod-Roboter mit sechs Linearachsen
  • Delta-Roboter (Parallelarmroboter mit Stabkinetik; neben der klassischen 4-Achs-Ausführung auch mit sechs Achsen erhältlich)

Kenngrößen

Eine wichtige Kenngröße in der Industrierobotik ist die Traglast. Diese beschreibt die Masse, die am Ende des Manipulators maximal befestigt werden kann. Bei Knickarm-Robotern reicht die Spannbreite von 500 Gramm (etwa beim ABB Cobot Yumi) bis zum Fanuc Schwerlast Roboter M-2000iA/2300, der stolze 2300 Kilogramm wuchtet. Außerdem sind die Dynamik und die Genauigkeit entscheidende Größen.

Ein besonderer Typ in der Industrierobotik ist der Kollaborative Roboter / Cobot, der so gestaltet ist, dass er ohne trennende Schutzeinrichtung mit Menschen in einem Raum zusammenarbeiten kann. Unter den Cobots gibt es spezielle Leichtbauroboter ebenso wie speziell angepasste Industrieroboter. Siehe hierzu auch die Cobot-Themenseite der Automationspraxis.

Einsatzmöglichkeiten

Die Einsatzmöglichkeiten der Industrierobotik sind sehr vielfältig. Industrieroboter werden in den unterschiedlichste Industrien und Branchen eingesetzt. Typische Anwendungsbereiche sind:

  • Handhabung, Palettieren, Maschinenbestückung, Verpacken
  • Schweißen (Bahnschweißen, Punktschweißen)
  • Lackieren
  • Montieren, Fügen, Kleben, Verbinden
  • Prüfen, Messen
  • Reinigen, Kennzeichnen, Beschriften
  • Entgraten, Schleifen, Oberflächenbehandlung, Fräsen, Bohren, Schneiden

Hersteller von Industrierobotik

Zu den bekanntesten deutschen Herstellern von Industrierobotern zählen Kuka (seit 2016 mit chinesischer Muttergesellschaft Midea), Dürr (Lackierroboter), Roteg (Palettierroboter), Ro-ber (Portalroboter), Franka Emika und Pilz (Leichtbauroboter beziehungsweise Serviceroboter) sowie früher Reis Robotics (nun Kuka Industries). Eigene Schweißroboter stellt die Firma Carl Cloos Schweißtechnik her, die inzwischen zu Estun (China) gehört. Ein deutscher Newcomer ist Fruitcore Robotics aus Konstanz, das kostengünstige und einfach bedienbare Industrieroboter anbietet. Auf kostengünstige Robotik setzt auch der Kunststoffspezialist Igus mit seinem Low-Cost-Automation-Programm.

In Europa gehören ABB, Stäubli, Universal Robots (Cobots), Comau, Igm (Schweißroboter) sowie Güdel (Portal- und Transferroboter) zu den bekannten Herstellern der Industrierobotik.

Weltweit zählen die japanischen Hersteller Fanuc und Yaskawa (mit der Roboter-Marke Motoman) sowie Denso, Epson, Hirata, Kawasaki, Mitsubishi Electric, Omron (hat Adept aus den USA zugekauft), Nachi, OTC Daihen, Panasonic und Yamaha zu den bekanntesten Herstellern von Industrierobotern. Japan ist laut Weltroboterverband IFR der weltweit führende Hersteller von Industrierobotern. Die japanischen Hersteller haben im Jahr 2017 56 Prozent des weltweiten Roboterangebots geliefert.

Auch in China haben sich inzwischen einige große einheimische Robotikhersteller etabliert, die in erster Linie den großen riesigen chinesischen Markt bedienen. Zu den größten chinesischen Herstellern von Industrierobotern zählen Siasun, Efort, GSK, Estun, STS und Greatoo.

Zahlen und Märkte

Laut World Robotics Report der International Federation of Robotics (IFR) arbeiten inzwischen 2,7 Millionen Roboter in Fabriken rund um den Globus – ein Anstieg von 12%. Der Zuwachs neu verkaufter Roboter hat sich 2019 aber abgeschwächt: Der Verkauf neuer Roboter bleibt mit 373.000 weltweit ausgelieferten Robotern 2019 zwar auf einem hohen Niveau, es sind aber dennoch 12% weniger als 2018.

Asien ist laut IFR nach wie vor der stärkste Markt für Industrieroboter – angeführt vom Motor China. Der Roboterbestand in China stieg um 21% und erreichte 2019 etwa 783.000 Einheiten. An zweiter Stelle steht Japan mit rund 355.000 Einheiten – ein Plus von 12%. Zwei Drittel der weltweit neu installierten Roboter wurden 2019 in China verkauft.

Der Einsatz von Industrie-Robotern in Europa hat 2019 mit rund 580.000 Einheiten einen historischen Höchststand erreicht – der Bestand stieg um 7% im Vergleich zum Vorjahr. Deutschland ist in der Europäischen Union mit rund 221.500 Industrie-Robotern die am stärksten automatisierte Volkswirtschaft – der Bestand stieg um 3% (2019).
Damit sind in den Fabriken der deutschen Wirtschaft rund dreimal so viele Industrie-Roboter im Einsatz wie in Italien (74.400 Einheiten), rund fünf Mal so viele wie in Frankreich (42,000 Einheiten) und rund zehn Mal so viele wie in Großbritannien (21.700 Einheiten). Deutschlands Anteil am europäischen Roboterbestand liegt bei 38%. Damit liegt das Land im weltweiten Vergleich nach China, Japan, Korea und den USA auf Rang 5.

Die USA sind der größte Anwender von Industrie-Robotern auf dem amerikanischen Kontinent und verzeichnen 2019 mit rund 293.200 Einheiten einen neuen Rekord – ein Plus von 7%. An zweiter Stelle steht Mexiko mit 40.300 Einheiten – das entspricht einem Zuwachs von 11% – gefolgt von Kanada mit rund 28.600 Einheiten und einem Plus von 2%. Die Nummer eins in Südamerika ist Brasilien mit rund 15.300 Einheiten im Bestand – das ist ein Zuwachs von 8%.

Automobilindustrie größter Markt

Die Automobilindustrie weltweit der größte Anwender von Robotern: Hier arbeiten 923.000 Roboter, circa ein Drittel der weltweit genutzten 2,7 Millionen. Auf Platz 2 liegt die Elektro- und Elektronikindustrie mit 672.000 Robotern im Einsatz. Die Metallindustrie und der Maschinenbau gelten als drittgrößte Robotik-Kundenindustrie. 281.000 Roboter arbeiten hier, gefolgt von der Kunststoffindustrie (182.000)

Automatisierungsgrad durch Roboterdichte

113 Robotereinheiten pro 10.000 Mitarbeiter sind 2019 der Durchschnitt der globalen Roboterdichte in der Fertigungsindustrie. Singapur und Korea haben mit 918 und 855 Robotern pro 10.000 Mitarbeiter die mit Abstand größte Roboterdichte, gefolgt von Japan (364) und Deutschland (346) und sowie Schweden (277) und Dänemark (243).


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