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Industrieroboter: Grundlagen, Fakten und Hersteller der Industrierobotik

Wissenswertes über Roboter für Industrie und Produktion
Industrieroboter: Grundlagen, Fakten, Märkte und Hersteller von Industrierobotik

Industrieroboter: Grundlagen, Fakten, Märkte und Hersteller von Industrierobotik
Industrierobotik in der Praxis: Industrieroboter im Einsatz in der Automobilindustrie. Bild: Nataliya Hora/ Fotolia

Industrieroboter sind weit verbreitet: über drei Millionen Roboter arbeiten in Fabriken weltweit. Die Industrierobotik in all ihren Facetten ist damit ein wichtiger Bestandsteil der modernen Fabrikautomation. Aber was ist eigentlich ein Industrieroboter? Wer hat die Industrierobotik erfunden? Welche Arten von Industrierobotern gibt es? Ein Überblick.

Woher kommt der Begriff Roboter?

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 Isaac Asimov, einer der bekanntesten Science-Fiction-Schriftsteller, schrieb gleich mehrere Roboter-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: Was ist ein 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.

Was unterscheidet Industrieroboter und Serviceroboter?

Während Industrieroboter also Handhabungs- und Fertigungsaufgaben in der Produktion übernehmen, werden alle Roboter, die nicht direkt an industriellen Fertigungsprozessen beteiligt sind, als Serviceroboter bezeichnet. Laut dem Weltroboterverband IFR (Internationale Federation of Robotics) und der Internationalen Organisation für Normung (ISO) ist ein Serviceroboter ein „Roboter, der nützliche Aufgaben für Menschen oder Anlagen ausführt, ausgenommen industrielle Automatisierungsanwendungen“. Kurz gesagt: Serviceroboter sind Roboter, die (einfache) Dienstleistungen für den Menschen erbringen.

Aus was besteht ein Industrierobotik-System?

Industrieroboter sind spezielle Roboter, die für den Einsatz im industriellen Umfeld konzipiert sind (z. B. Automobilfertigung). Sie gehören in die Maschinenbau-Disziplin Automatisierungstechnik. Ein industrielles Robotiksystem besteht in erster Linie aus den folgenden Bestandteilen:

  • Manipulator (also der eigentliche Roboter bzw. Roboterarm)
  • Endeffektor (also ein Greifer oder ein Werkzeug) 
  • Robotersteuerung mit Programmierhandgerät
  • Sensoren wie Kameras (optional) 
  • Peripherie wie Schutzzäune, Zuführungen

Einmal programmiert ist das Robotersystem dann in der Lage, einen Arbeitsablauf autonom durchzuführen oder die Ausführung der Aufgabe abhängig von Sensorinformationen zu variieren  – zumindest in bestimmten Grenzen.

Kurze Geschichte der Industrierobotik

Als Erfinder des modernen Industrieroboters gilt George Devol, der 1954 in den USA ein Patent für einen „programmierbaren Manipulator“ anmeldete. Zusammen mit Joseph Engelberger entwickelt George Devol dann den ersten marktreifen Industrieroboter Unimate. Im Jahr 1959 installiert General Motor den ersten Prototyp des Unimate, 1961 wird der Unimate erstmals in eine Fertigungsstraße bei General Motors eingesetzt.

Ab 1966 können die Unimate-Roboter auch lackieren und schweißen. 1969 erhält das japanische Unternehmen Kawasaki das Lizenzrecht, den Unimate in Japan für den asiatischen Markt zu produzieren. Der Indusrieroboter-Pionier Unimation Inc. wird dann 1989 vom Schweizer Stäubli-Konzern übernommen.

Bereits früher steigen andere europäische Firmen in die Robotik ein: So baut Kuka 1973 den ersten Industrieroboter mit sechs elektromechanisch angetriebenen Achsen, den Famulus.  1974 stellt die schwedische ASEA (heute ABB) den ebenfalls vollständig elektrisch angetriebenen Roboter IRB 6 vor. Ebenfalls im Jahr 1974 entwickelt und installiert das japanische Unternehmen Fanuc den ersten Industrieroboter in Japan. Heute ist Fanuc der weltweit größte Industrieroboter-Hersteller.

Kinematiken: Welche Arten von Industrierobotern gibt es?

Industrieroboter lassen sich nach ihren Kinematiken (der Begriff „Kinematik“ bezeichnet die Lehre der Bewegung von Körpern im Raum) in folgende Arten unterscheiden:

Industrieroboter mit serieller Kinematik

Bei seriellen Kinematiken sind die Achsen des Roboters seriell angeordnet. Dazu gehören

  • Knickarmroboter (haben in der Regel sechs Achsen und werden auch Gelenkarmroboter genannt). Weltweit größte Hersteller von Knickarmrobotern sind Fanuc, Yaskawa, ABB und Kuka sowie weitere japanische Hersteller wie Nachi und Kawasaki. Kleine und mittlere Knickarmroboter bieten etwa Stäubli, Denso oder Epson. Knickarm-Roboter werden aufgrund ihrer Beweglichkeit und Flexibilität in vielen Anwendungen eingesetzt
  • 7-Achs-Roboter: dem menschlichen Arm ähnliche Knickarmroboter-Roboter mit sieben Achsen, die quasi um die Ecke greifen können. 7-Achs-Roboter bieten unter anderem Yaskawa und Nachi an.
  • Dualarm-Roboter besitzen sogar 15 Achsen (Dualarm-Knimeatiken haben meist neben zwei siebenachsigen Roboterarmen eine weitere Rotationsachse). Ein Beispiel ist Yaskawas SDA-Serie.
  • Scara-Roboter (vier Achsen; Scara steht für „Selective Compliance Assembly Robot Arm“). Dieser Robotertyp eignet sich wegen seiner schnellen und wiederholgenauen Bewegung speziell für Montage- und Fügeaufgaben sowie für Pick&Place-Anwendungen. Scara-Spezialisten sind Epson, Stäubli, Omron oder Yamaha.
  • Portalroboter (meist mit drei Achsen); man unterscheidet hier Linienportal, Auslegerportal und Flächenportal. Gegignet zum Palettieren, aber auch zur Maschinen-Beladung (von oben)
  • Palettierroboter (in der Regel Knickarm-Roboter mit vier Achsen). Große Hersteller wie Fanuc, Yaskawa, ABB, Kuka und Kawasaki bieten meist auch Palettierroboter-Modelle an.
  • Spezialroboter (meistens Knickarm-Roboter) für bestimmte Anwendungen wie Schweißen (u.a. Cloos oder OTC Daihen) oder Lackieren (Dürr)

Industrieroboter mit parallelen Kinematiken

Hier sind die Achsen des Industrieroboters parallel angeordnet.

  • Delta-Roboter (Parallelarmroboter mit Stabkinetik; neben der klassischen 4-Achs-Ausführung sind Deltas auch mit sechs oder sieben Achsen erhältlich). Delta-Roboter bieten unter anderem ABB (Flexpicker) sowie Fanuc, Yaskawa oder Omron an. Typisches Anwendungsgebiet sind Verpackungsvorgänge, etwa in der Lebensmittelindustrie („Pralinen-Picker“).
  • Hexapod-Roboter mit sechs Linearachsen. Ein Hexapod ist eine spezielle Form einer Parallelkinematikmaschine, die über sechs Arme/Beine veränderlicher Länge verfügt. Die typische Konstruktion des Hexapods ermöglicht eine Beweglichkeit in allen sechs Freiheitsgraden (drei translatorische sowie drei rotatorische). Viele Hexapod Roboter sind Spezialanfertigungen, nur wenige wie Fanucs F-200er werden in Serie gebaut.

Cobot/kollaborativer Roboter/Leichtbaurroboter

  • Ein besonderer Industrieroboter-Typ ist der kollaborative Roboter. Ein solcher Cobot kann ohne trennende Schutzeinrichtung mit Menschen zusammenarbeiten. Unter dem Oberbegriff „kollaborative Roboter“ gibt es neben speziellen Leichtbaurobotern/Cobots  (etwa von Spezialisten wie Universal Robot, Doosan und Techman oder deutschen Start-ups wie Franka Emika, Yuanda Robotics oder Neura Robotics) auch speziell angepasste Industrieroboter mit Sensorik oder Schutzhüllen. Siehe hierzu auch die Cobot-Themenseite der Automationspraxis sowie unsere Marktübersicht mit den wichtigsten Cobot-Herstellern.

Was sind Kenngrößen von Industrierobotern?

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 Reichweite, die Dynamik und die Genauigkeit entscheidende Größen bei der Auswahl des passenden Industrieroboters.

 

Wo können Industrierroboter in der Fertigung eingesetzt werden?

Die Einsatzmöglichkeiten der Industrierobotik in der Produktion sind sehr vielfältig. Industrieroboter werden in den unterschiedlichen Branchen und Applikationen eingesetzt. Typische Anwendungsbereiche sind: 

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

Wer sind die Hersteller von Industrierobotern?

Industrierobotik: Das sind die wichtigsten Roboter-Hersteller weltweit

Deutsche Industrieroboterhersteller

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

Europäische Industrieroboterhersteller

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

Japanische Industrieroboterhersteller

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.

Chinesische Industrieroboterhersteller

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

Zahlen und Märkte: Wieviele Industrieroboter gibt es weltweit?

Laut World Robotics Report der International Federation of Robotics (IFR) arbeiten inzwischen rund 3,5 Millionen Roboter in Fabriken rund um den Globus. Weltweit wurden im Jahr 2021 genau 517,385 neue Roboter ausgeliefert. Dies entspricht einem Wachstum von 31 % im Vergleich zum Vorjahr und übertrifft den Rekord der Roboterinstallation vor der Pandemie im Jahr 2018 um 22 %..

Industrierobotik in Asien

Asien ist nach wie vor der weltweit größte Markt für Industrieroboter. 74 % aller neu installierten Roboter im Jahr 2021 wurden in Asien installiert. Die Installationen in China, dem weltweit größten Robotermarkt, wuchsen mit 268.195 ausgelieferten Einheiten stark um 51 %. Jeder zweite Industrieroboter, der 2021 weltweit installiert wurde, kam hier zum Einsatz. Der operative Bestand überschritt die Marke von 1 Million Einheiten (+27 %). Das zeigt, wie schnell die Robotisierung in China voranschreitet.

Japan ist nach China weiterhin der zweitgrößte Markt für Industrieroboter. Die Installationen stiegen 2021 um 22 % auf 47.182 Einheiten. Japans operativer Bestand lag 2021 bei 393.326 Einheiten (+5%). Japan ist das weltweit führende Land in der Roboterherstellung: Die Exporte japanischer Industrieroboter erreichen mit 186.102 Stück im Jahr 2021 einen neuen Höchststand.

Die Republik Korea war der viertgrößte Robotermarkt in Bezug auf die jährlichen Installationen, nach den USA, Japan und China. Die Roboterinstallationen stiegen um 2 % auf 31.083 Einheiten im Jahr 2021. Dies folgte auf vier Jahre mit rückläufigen Installationszahlen. Der Betriebsbestand an Robotern wurde mit 366.227 Einheiten berechnet (+7 %).

Der Markt für Industrieroboter in Europa

Die Installationen von Industrierobotern in Europa stiegen 2021 um 24 % auf 84.302 Einheiten. Dies stellt einen neuen Höchststand dar. Die Nachfrage aus der Automobilindustrie war konstant, während die Nachfrage aus der allgemeinen Industrie um 51 % stieg. Deutschland, das zu den fünf größten Robotermärkten der Welt gehört, hatte einen Anteil von 28 % an den Gesamtinstallationen in Europa. Deutschland ist damit Europameister der Industrierobotik.

Die Zahl der installierten Industrieroboter in Deutschland stieg um 6 % auf 23.777 Einheiten im Jahr 2021. Dies ist die zweithöchste jemals verzeichnete Installationszahl nach dem Spitzenwert im Jahr 2018 (26.723 Einheiten). Der operative Bestand an Robotern in Deutschland beträgt 245.908 Einheiten (+7%). Die Exporte von Industrierobotern aus Deutschland stiegen um 41 % auf 22.870 Stück und übertrafen damit das Niveau vor der Pandemie.

Italien ist nach Deutschland der zweitgrößte Robotermarkt in Europa. Hauptwachstumstreiber zwischen 2016 und 2021 war die allgemeine Industrie mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8%. Der operative Bestand an Robotern wurde für 2021 mit 89.330 Einheiten (+14%) berechnet.

Der französische Industrierobotermarkt lag 2021 in Bezug auf die jährlichen Installationen und den Betriebsbestand an dritter Stelle in Europa, nach Italien und Deutschland. Im Jahr 2021 stiegen die Roboterinstallationen um 11% auf 5.945 Einheiten. Der Betriebsbestand an Robotern in Frankreich wurde mit 49.312 Einheiten berechnet, was einem Anstieg von 10 % gegenüber dem Vorjahr entspricht.

Im Vereinigten Königreich gingen die Installationen von Industrierobotern um 7% auf 2.054 Einheiten zurück. Für das Jahr 2021 wurde ein operativer Roboterbestand von 24.445 Einheiten (+6%) berechnet. Das ist weniger als ein Zehntel des deutschen Bestandes.

Der Industrierobotikmarkt in Amerika

Im Jahr 2021 wurden in Nord- und Südamerika 50.712 Industrieroboter installiert, 31 % mehr als im Jahr 2020. Dies ist eine bemerkenswerte Erholung von dem Pandemie-Einbruch im Jahr 2020 und das zweite Mal, dass die Roboterinstallationen in Nord-, Mittel- und Südamerika die 50.000-Einheiten-Marke überschritten haben: 2018 wurden 55.212 Industrieroboter verkauft.

Die Neuinstallationen in den Vereinigten Staaten stiegen um 14 % auf 34.987 Einheiten im Jahr 2021. Dies übertraf das Niveau vor der Pandemie von 33.378 Einheiten im Jahr 2019, lag aber immer noch deutlich unter dem Spitzenwert von 40.373 Einheiten im Jahr 2018. Die Automobilindustrie ist mit 9.782 installierten Einheiten im Jahr 2021 immer noch mit Abstand der größte Nachfrager.

Branchen: Wer setzt die meisten Industrieroboter ein?

Die Elektronikindustrie hat wqeltweit gesehen inzwischen die Automobilindustrie als größten Abnehmer von Industrierobotern abgelöst. Die Metallindustrie und der Maschinenbau gelten als drittgrößte Robotik-Kundenindustrie. Dann folgen mit einigem Abstand die Kunststoffindustrie und die Lebensmittelindustrie. In Bezug auf Deutschland sind die Automobilhersteller nach wie die stärksten Käufer von Industrierobotern, gefolgt von Metallindustrie/Maschinenbau und Automobilzulieferern. Die Elektronikindustrie liegt in Deutschland nur auf Platz 5, noch hinter der Kunststoffindustrie. Kein Wunder: Schließlich stehen die großen Fabriken für Computer, Mobiltelefone und andere Elektronikgeräte vor allem in Asien. 

Was ist die Roboterdichte?

Die Roboterdichte (Anzahl der Roboter pro 10.000 Mitarbeiter) ist ein beliebtes Mittel, um den Automatisierungsgrad von Industriezweigen oder Volkswirtschaften zu beschreiben. Global betrachtet sind 126 Industrieroboter pro 10.000 Beschäftigte der neue Durchschnitt der Roboterdichte in der verarbeitenden Industrie – fast doppelt so viele wie noch vor fünf Jahren (2015: 66 Einheiten). Dies geht aus dem World Robot Report 2021 der IFR hervor.

Nach Regionen aufgeschlüsselt, liegt die durchschnittliche Roboterdichte in Asien/Australien bei 134 Einheiten, in Europa bei 123 Einheiten und in Amerika bei 111 Einheiten. Die Top 5 der am stärksten automatisierten Länder der Welt sind: Südkorea, Singapur, Japan, Deutschland und Schweden. Süd-Korea und Singapur haben mit 932 und 605 Robotern pro 10.000 Mitarbeiter die mit Abstand größte Roboterdichte, gefolgt von Japan (390) und Deutschland (371) und sowie Schweden (289).

Die USA liegt mit einer Roboterdichte von 255 auf dem siebten Platz. China folgt mit einer Industrieroboterdichte vom 246 kurz darauf.


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