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 werdeb 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 (wenn gleich seit 2016 mit chinesischer Muttergesellschaft Midea), Dürr (Lackierroboter), roTeg (Palettierroboter), Ro-ber (Portalroboter), Franka Emika und Pilz (beide Leichtbauroboter) sowie früher Reis Robotics (nun Kuka Industries). Schweißrobotik stellt die Firma Carl Cloos Schweißtechnik her, die inzwischen zu Estun (China) gehört.

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

Weltweit zählen Fanuc, Yaskawa (mit der Roboter-Marke Motoman), Denso, Epson, Kawasaki, Hirata, Mitsubishi Electric, Nachi, OTC Daihen und Panasonic (alle aus Japan) sowie Adept aus den USA (gehört nun zu Omron, Japan) 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 Robotikangebots 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) hat der globale Robotik-Markt im Jahr 2018 einen neuen globalen Rekordverkaufswert von 16,5 Milliarden US-Dollar erreicht. Weltweit wurden 422.000 Roboter ausgeliefert – ein Plus von 6 Prozent gegenüber dem Vorjahr. IFR prognostiziert für 2019 eine Wachstumspause auf dem Rekordniveau von 2018, erwartet aber von 2020 bis 2022 ein durchschnittliches Wachstum von 12 Prozent pro Jahr.

74 Prozent der globalen Roboterinstallationen 2018 entfallen auf fünf Hauptmärkte: China, Japan, die Vereinigten Staaten, Republik Korea und Deutschland. China bleibt mit einem Anteil von 36 % der Gesamtinstallationen größter Industrieroboter-Markt. Deutschland ist der fünftgrößte Robotermarkt der Welt und die Nummer eins in Europa.

Deutschland ist der fünftgrößte Robotermarkt weltweit und die Nummer eins in Europa, gefolgt von Italien und Frankreich. Im Jahr 2018 stieg die Zahl der verkauften Roboter um 26 % auf fast 27.000 Einheiten – ein neuer Rekord. Angetrieben werden die Robotik-Installationen in Deutschland hauptsächlich von der Automobilindustrie.

Automobilindustrie größter Markt

Ohnehin ist die Automobilindustrie nach wie vor der weltweit größte Anwender von Robotern mit einem Anteil von fast 30 % am Gesamtangebot. Nach einem sehr starken Jahr 2017 mit einem Anstieg der Installationen um 21 % wurde dieses Niveau gehalten und 2018 leicht um 2 % erhöht. Investitionen in neue Automobilproduktionskapazitäten und in die Modernisierung haben die Roboter-Nachfrage beflügelt.

Die Elektro- und Elektronikindustrie stand kurz davor, die Automobilindustrie als wichtigsten Kunden für Industrieroboter im Jahr 2017 zu ersetzen. Im Jahr 2018 ging die weltweite Nachfrage nach elektronischen Geräten und Komponenten jedoch deutlich zurück. Roboterinstallationen in der Elektro- und Elektronikindustrie sanken daher um 14 % von ihrem Höchststand mit rund 122.000 Einheiten im Jahr 2017 auf 105.000 Einheiten im Jahr 2018.

Die Metallindustrie und der Maschinenbau etablierten sich als drittgrößte Robotik-Kundenindustrie. Im Jahr 2018 machten Installationen 10 % der Gesamtnachfrage aus. Sowohl Hersteller von Metallprodukten (ohne Automobilteile) als auch Hersteller von Industriemaschinen haben in den letzten Jahren erheblich in Roboter investiert. Die Installationen stiegen 2018 auf rund 43.500 Einheiten. Das ist ein Prozent weniger als im Rekordjahr 2017 (44.191 Einheiten).

Automatisierungsgrad durch Roboterdichte

99 Robotereinheiten pro 10.000 Mitarbeiter sind 2018 der Durchschnitt der globalen Roboterdichte in der Fertigungsindustrie. Singapur und Korea haben mit 831 und 774 Robotern pro 10.000 Mitarbeiter die mit Abstand größte Roboterdichte, gefolgt von Deutschland (338) und Japan (327) sowie Schweden (247) und Dänemark (240).


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