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Knickarmroboter: Flexible Roboterarme dominieren Industrierobotik

Sechsachs-Roboter sind die häufigsten Industrieroboter
Knickarmroboter: Flexible Roboterarme dominieren Industrierobotik

Knickarmroboter sind die dominierende Variante unter den Industrierobotern. Was zeichnet die flexiblen Roboterarme aus? Wo werden diese Sechsachs-Roboter eingesetzt? Wer stellt Knickarmroboter her? Ein Überblick.


Inhaltsverzeichnis
1. Wie viele Knickarm-Roboter sind in der Industrie im Einsatz?
2. Andere Industrieroboter-Typen und ihre Einsatzbereiche
3. Einsatzgebiete der Knickarm-Roboter
4. Wie sind Knickarm-Roboter aufgebaut?
5. Vorteile der 6-Achs-Roboterarme
6. Nachteile der Knickarm-Roboter
7. Traglasten der Roboterarme: von 500 Gramm bis 2,3 Tonnen
8. Freiheitsgrade des Roboterarms und des menschlichen Arms
9. Die Top 3 Industrieroboter-Hersteller
10. Europäische Industrieroboter-Hersteller
11. Weitere japanische Roboterhersteller
12. Roboterhersteller aus Südkorea
13. Europäische Roboter-Newcomer

Wenn man an „Roboterarm im Einsatz in der Industrie“ denkt, kommt den meisten wohl ein Knickarmroboter in den Sinn. Kein Wunder: Die Knickarmroboter – auch Gelenkarm-Roboter oder englisch Articulated Robot („beweglicher Roboter“) genannt – sind die dominierende Industrieroboter-Variante. Der Knickarmroboter – vor allem in seiner Standardform als Sechsachs-Achs-Roboter – ist damit so etwas wie die „Volks-Roboter unter den Industrierobotern“.

Wie viele Knickarmroboter sind in der Industrie im Einsatz?

Von den 383.000 Industrierobotern, die laut Weltroboterverband IFR (International Federation of Robotics) in 2020 weltweit verkauft wurden, waren 237.00 Knickarmroboter. Damit machen diese flexiblen Roboterarme also zwei Drittel aller neu eingesetzten Industrieroboter aus. Seit 2015 haben die Verkäufe dieser 6-Ach-Roboter um jährlich durchschnittlich 9 % zugenommen.

Die Automobilindustrie ist der wichtigste Abnehmer für die Knickarmroboter: Rund ein Drittel aller beweglichen Roboterarme ist in der Automobilindustrie installiert. Oder anders betrachtet: Neun von zehn Industrierobotern in der Automobilindustrie sind Sechsachs-Roboter.

Weitere große Abnehmer für die gelenkigen Roboterarme sind die Elektronikindustrie sowie die Metall- und Maschinenindustrie, auf die jeweils etwa ein Sechstel der installierten Knickarmroboter entfällt. Dabei sind die Sechsachs-Roboter in der Metallindustrie und im Maschinenbau quasi Standard: Die Metallindustrie setzt fast ausschließlich auf Knickarmroboter und im Maschinenbau sind drei von vier Industrierobotern Sechsachser. Dagegen machen die flexiblen Roboterarme in der Elektronikindustrie nur etwa ein Drittel der eingesetzten Industrieroboter aus.

Knickarmroboter Automobilindustrie Kuka
Die meisten Knickarmroboter werden in der Automobilindustrie eingesetzt.
Bild: Kuka

Andere Industrieroboter-Typen und ihre Einsatzbereiche

Scara-Roboter: In der Elektronikindustrie sind vor allem Scara-Roboter stark verbreitet. Fast die Hälfte der in der Elektronikindustrie eingesetzten Industrieroboter sind Scara-Roboter. Die Scaras eignen sich für eine schnelle und präzise Montage sowie Pick&Place-Aufgaben, bei denen keine sehr große Flexibilität benötigt wird und ein kleinerer Arbeitsraum ausreicht. 18 % aller 2020 verkauften Industrieroboter waren Scara-Roboter.

Delta-Roboter sind insbesondere in der Lebensmittelindustrie sher verbreitet. Zudem werden Delta-Roboter in der Pharmaindustrie sowie in der Elektronikindustrie installiert. Die Hauptanwendungen für Delta-Roboter sind Verpackung, Kommissionierung und Platzierung sowie Materialhandhabung. Parallelkinematik-Roboter wie die Deltas werden für Anwendungen mit sehr hoher Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit eingesetzt. Delta-Roboter sind aber eher ein Nischen-Industrieroboter: Sie stehen nur für rund 1 % des weltweiten Industrieroboter-Markts.

Portalroboter werden vor allem beim Kunststoff-Spritzguss, beim Verpacken sowie für Pick&Place-Aufgaben, Palettierung und Maschinenbeladung eingesetzt. Diese Linear- und Gantry-Roboter sind daher häufig in der Gummi- und Kunststoffindustrie und in der Elektro-/Elektronikindustrie zu finden. 14 % aller 2020 verkauften Industrieroboter waren Portal-Roboter.

Einsatzgebiete der Knickarmroboter

Die flexiblen Knickarmroboter können für fast alle Anwendungen eingesetzt werden, aber meistens werden sie mit Anwendungen wie Schweißen, Handhabung und Bearbeitung in Verbindung gebracht. Die Aufgaben der beweglichen Roboterarme sind z. B. das Punkt- und Bahnschweißen, Laserschweißen, Lackieren und Beschichten sowie die Werkstückhandhabung zur Beladung von Werkzeug- und Kunststoffspritzgussmaschinen, zur Pressenverkettung, zum Palettieren und für Montageaufgaben. Typische Bearbeitungsanwendungen für die 6-Achs-Roboterarme sind z. B. das Entgraten und das Fräsen von Kunststoffen sowie Leichtmetallen.

In der Regel werden Knickarmroboter für Aufgaben eingesetzt, bei denen höchste Beweglichkeit und Flexibilität in einem relativ großen Arbeitsraum benötigt wird, jedoch keine sehr hohe Geschwindigkeit, Steifigkeit und Wiederholgenauigkeit gefordert ist.

Eine besondere Variante des Knickarmroboters sind übrigens die Cobots (kollaborierende Roboter), die spezielle für die Zusammenarbeit mit dem Menschen konstruiert sind und daher zumeist keine Schutzzäune benötigen. Cobots haben 6 oder 7 Achsen und bewegen typischerweise Lasten von 1 kg bis 16 kg.

Knickarmroboter Fanuc
Dank ihrer zumeist 6 Achsen sind Knickarmroboter besonders beweglich.
Bild: Fanuc

Wie sind Knickarmroboter aufgebaut?

Die Kinematik der beweglichen Industrieroboter ist aus mehreren gelenkig miteinander verbundenen Armgliedern aufgebaut. Wie Scara-Roboter basieren auch die 6-Achs-Knickarm-Roboter auf einer seriellen Kinematik, bei der jeder Gelenkarm nur mit einem weiteren Armglied verbunden ist, um Endeffektoren wie Greifer oder Werkzeuge zu führen.

Knickarmroboter sind meist mit drei rotierenden Hauptachsen ausgestattet, so dass sie sich in drei Dimensionen bewegen können. Die erste Achse dient zur Bewegung auf dem Roboterfuß, alle weiteren Achsen schließen sich jeweils an den jeweils vorhergehenden Gelenkarm an. Diese Konstruktion ermöglicht hohe Beweglichkeit und Flexibilität, führt aber zu einer Beschränkung der Traglast – da die Antriebe oder Kraftübertragungssysteme stets mitgeführt werden müssen. Zudem werden so nur eher geringe Genauigkeiten erreicht, da sich Toleranzen und Ungenauigkeiten entlang der Kinematik-Kette aufsummieren.

Dagegen bilden Parallelkinematik-Roboter wie Deltas eine geschlossen kinematische Kette, bei der die parallel angeordneten längenverstellbaren Armglieder mit Gelenken verbunden sind, wobei der Antrieb auch außerhalb der Armglieder angeordnet sein kann. Hier können sich die Positionsfehler nicht addieren und die bewegte Masse wird auf ein Minimum reduziert, was eine hohe Geschwindigkeit und Dynamik sowie auch die Aufnahme höherer Kräfte erlaubt. Nachteile der Parallelkinematik sind gegenüber den Vertikal-Knickarm-Robotern die geringere Beweglichkeit.

Vorteile der Sechsachs-Roboter

  • Knickarmroboter ermöglichen fast beliebige Bewegungen, da sie in der Regel sechs Freiheitsgrade (Degrees of Freedom, DoF) bieten.
  • Sie sind daher besonders flexibel. Ein 6-Achs-Roboterarm kann mehrere Arbeitsgänge in einem Fluss erledigen.

Nachteile der Knickarmroboter

  • Knickarmroboter haben jedoch – etwa im Vergleich mit Portalrobotern – nur eine beschränkte Reichweite. Auch die Traglast ist begrenzt.
  • Aufgrund der Kinematik können sich Knickarm-Roboter nicht so schnell bewegen wie Delta-Roboter oder Scara-Roboter.
  • Zudem werden nur eher geringe Genauigkeiten erreicht, da sich Ungenauigkeiten entlang der Kinematik-Kette aufsummieren.
  • Auch die Steuerung und Programmierung ist aufwändiger als etwa bei Scara-Robotern.

Traglasten: von 500 Gramm bis 2,3 Tonnen

Die Spannbreite der Knickarmroboter reicht von Roboterarmen mit einer Traglast von unter 1 kg bis zu Schwerlastrobotern, die mehrere Tonnen wuchten können:

  • Die kleinsten Modelle bewegen sich im Traglastbereich von 500 g bei Cobots wie Yumi (ABB) oder Yaskawas Miniroboter Motomini.
  • Kleinroboter und Cobots bieten Traglasten von 4 kg bis 16 kg (etwa die UR-Cobots oder der KR Agilus von Kuka oder der LR Mate Roboter von Fanuc).
  • Mittlerer und schwerer Traglasten liegen im Bereichen von mehreren 10 kg bis in den Bereich viele Hundert Kg Traglast.
  • Schwerlastroboter: Spitzenreiter mit einer Traglast von bis zu 2,3 t ist der aktuell stärkste Industrieroboter der Welt, der M-2000iA/2300 von Fanuc.
Knickarmroboter klein bis groß
Von klein bis groß: Knickarmroboter gibt es in vielen Ausführungen.
Bild: Kuka

Freiheitsgrade des Roboterarms und des menschlichen Arms

  • Der Sechsachs-Roboter ist die bekannteste und verbreitetste Bauform des Knickarmroboters. Denn man benötigt 6 Freiheitsgrade um eine beliebige Orientierung des Endeffektors an einer beliebigen Position im 3-dimensionalen Raum zu erhalten. Mit seinen 6 Freiheitsgraden ist der Sechsachs-Roboterarm ähnlich beweglich wie ein menschlicher Arm, aber nur fast: Denn der menschliche Arm besitzt 7 Freiheitsgrade: 3 in der Schulter, 1 im Ellbogen und 3 im Handgelenk. Der zusätzliche Freiheitsgrad des menschlichen Arms erweitert also die Anzahl der möglichen Positionen.
  • 7-Achs-Roboter (etwa der SIA20F von Yaskawa, der MR20-Roboter von Nachi oder die KR-Cobots von Kassow Robots) haben daher eine zusätzliche Achse zwischen der zweiten und dritten Achse und bieten so die Möglichkeit – wie ein menschlicher Arm – quasi „um die Ecke“ zu greifen.
  • 15-Achs-Zweiarm-Roboter: Dieser Industrieroboter-Typ (etwa SDA Serie von Yaskawa) besitzt zwei 7achsige Arme auf einer gemeinsamen Basis mit Drehachse. 15-Achs-Roboter sind daher für die Automation komplexer Aufgaben geeignet, die zwei Arme erfordern – beispielsweise Labortätigkeiten.
  • Verfahrachse als 7. Achse: Um den Arbeitsradius zu vergrößern, kann der Arbeitsraum eines Knickarmroboters auch mit einer Linearachse erweitert werden. Auf dieser Schiene fahrend kann der Industrierroboter Distanzen überbrücken und mehrere Arbeitsplätze oder Maschinen bedienen.

Die Top 3 Knickarmroboter-Hersteller

Fanuc: Der weltweit größte Hersteller von Industrierobotern ist das japanische Unternehmen Fanuc. Fanuc hat weltweit 750.000 seiner meist gelben Roboter verkauft. Als größter Industrieroboter-Hersteller hat Fanuc über 100 Robotermodelle im Angebot: von großen und kleinen Knickarmrobotern für Handling und Schweißen über Scara- und Delta-Roboter (etwa für die Lebensmittelindustrie) bis hin zu kollaborativen Robotern.

Knickarmroboter Schwerlastroboter Fanuc-2000iA_2300.jpg
Rekordhalter: Mit einer Traglast von bis zu 2,3 t ist der M-2000iA/2300 von Fanuc der stärkste Industrieroboter der Welt.
Bild: Fanuc

Yaskawa: Der japanische Konzern Yaskawa ist der zweitgrößte Hersteller von Industrierobotern und hat weltweit rund 500.000 Roboter im Einsatz. Die blauen Roboter werden unter der Marke Motoman angeboten. Yaskawa baut seine Roboter vor allem in Japan, hat aber 2019 auch in Slowenien eine europäische Roboterfabrik eröffnet. Yaskawa hat ebenfalls eine sehr breite Palette an Robotern im Angebot.

ABB: Der schwedisch-schweizerische ABB Konzern gehört mit über 500.000 installierten Robotern ebenfalls zu den Top-3-Roboter-Herstellern weltweit. ABB bietet auf kleine und große Knickarm-Roboter, Scara-Roboter und Delta-Roboter an. Mit dem Flexpicker ist ABB ein Pionier bei Delta-Robotern etwa für die Verpackung.

Europäische Industrieroboter-Hersteller

Kuka: Die Augsburger Kuka AG ist ein Knickarmroboter-Pionier und der größte Roboter-Hersteller aus Deutschland, gehört allerdings seit 2017 zur chinesischen Midea-Gruppe. Kuka bietet vor allem kleine und große Knickarmroboter an. In seinem neuen Roboterwerk in China baut Kuka (vor allen für den chinesischen Markt) auch Scara- und Delta-Roboter. Kuka liefert aber nicht nur Roboterarme, sondern baut auch ganze Anlagen, etwa für die Automobilkonzerne (Karosseriebau) oder Automotive-Zulieferer (etwa für die Batteriefertigung).

Stäubli: Die Roboter des Schweizer Stäubli-Konzerns sind besonders präzise. Durch die gekapselte Bauweise können die Stäubli-Roboter in Reinräumen und in reinigungsintensiven Umgebungen der Pharma- und Lebensmittelindustrie ebenso eingesetzt werden wie unter extremen Bedingungen. Stäubli bietet vor allem Knickarmroboter im unteren und mittleren Traglast-Bereich und Scara Roboter an.

Comau aus Italien gehört zum italienischen Fiat-Konzern und hat seine Stärken daher u.a. in der Automobilindustrie. Comau bietet eine große Bandbreite an Knickarmrobotern für Handling, Schweißen, Palettieren oder Maschinenbeschickung mit Nutzlasten von 3 bis 650 kg.

Weitere japanische Roboterhersteller

Kawasaki: In Japan ist der japanische Schwerindustrie-Konzern Kawasaki mit Robotik eine große Nummer und beliefert die japanische Automobilindustrie mit Industrierobotern. Weltweit zählt Kawasaki damit zu den Top-5 Roboterherstellern. In Deutschland konzentriert sich Kawasaki stark auf den Mittelstand. Kawasaki bietet hier vor allem Knickarmroboter für kleine, mittlere und große Traglasten.

Nachi: Auch Nachi, ebenfalls ein großer Konzern aus Japan, gehört in Sachen Robotik in Japan zu den großen Playern: Nachi ist dort beispielsweise Roboter-Erstlieferant bei Toyota. Nachi hat ein breites Portfolio mit Industrierobotern von drei bis 700 kg Traglast (ein 1,4 t Roboter wurde speziell für Toyota gebaut).

Epson: Der japanischen Epson-Konzern, bekannt u.a. für seine Drucker, bietet schnelle, kleine Roboter für Prüf- und Montagearbeiten. Neben kleinen 6-Achs-Roboterm stellt Epson vor allem schnelle und präzise Scara-Roboter her: vom günstigen Einsteiger-Scara für unter 10.000 Euro bis zum Highend-Scara-Roboter.

Omron: Der japanische Omron-Konzern ist 2015 mit der Übernahme des US-Roboter-Herstellers Adept in die Robotik eingestiegen. Omron/Adept bietet vor allem Scara-Roboter, Delta-Roboter und kleine Knickarmroboter sowie autonome Mobilroboter an.

Mitsubishi: Mitsubishi Electric bietet in der Robotik vor allem kleine und mittlere Knickarm- und Scara-Robotermodelle für Montageaufgaben an. Laut eigenen Angaben hat Mitsubishi das breiteste Portfolio bis 70 kg Traglast.

Denso: Denso Robotics gehört zum großen japanischen Automobilzulieferer Denso Corporation. Die Denso Kleinroboter kommen in den eigenen Denso Fabriken zum Einsatz. Die Roboterpalette umfasst vor allem kleine Knickarmroboter und Scara-Roboter für Pick&Place oder Montage.

Yamaha: Yamaha bietet als großer Mischkonzern auch Industrieroboter an. Neben Linear-Robotern und Achssystemen stellt Yamaha kleine Knickarmroboter und vor allem Scara-Roboter für Pick&Place und Montage her.

Roboterhersteller aus Südkorea

Hyundai: Im Konzert der japanischen und europäischen Hersteller spielt mit Hyundai Robotics auch ein Südkoreaner mit. Hyundai Robotics startete 1984 mit der Produktion von Schweißrobotern. Mittlerweile fertigt Hyundai verschiedene Arten von Industrierobotern.

Doosan: Weiterer Robotik-Player aus Südkorea ist der Hersteller Doosan Robotics, der zum Mischkonzern Doosan gehört. In der Industrie ist Doosan auch als Hersteller von CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen bekannt. Doosan Robotics bietet seit 2018 eine Familie an kollaborativen Robotern / Cobots an.

Europäische Roboter-Newcomer

Universal Robots: Der dänische Cobot-Pionier Universal Robots wurde 2005 in Odense gegründet und hat sich mit seinen einfach bedienbaren, kollaborativen Robotern (Cobots) einen Namen gemacht. Inzwischen hat Universal Robots über 50.000 Cobots verkauft, die Lasten zwischen 3 und 16 Kilogramm tragen können und wegen ihrer einfachen Bedienung auch in nicht-kollaborativen Anwendungen (etwa zur Maschinenbeladung) eingesetzt werden

Fruitcore Robotics: Mit dem einfach bedienbaren und kostengünstigen Industrieroboter Horst hat sich der deutsche Newcomer Fruitcore Robotics aus Konstanz schnell einen Namen gemacht. Die Horst Familie umfasst drei Modelle an Roboterarmen, die 3 kg, 6 kg und 10 kg tragen . Der kleine Horst kostet um die 10.000 Euro.

Igus: Mit seiner Erfahrung im Bereich Motion Plastics baut der Kölner Kunststoff-Spezialist Igus ein Low-Cost-Robotik Geschäft auf. Dazu gehören Knickarm-Roboter, Delta-Roboter und kartesische Roboter/Portale. Über die Online-Plattform RBTX.com will Igus für kleine und mittlere Unternehmen den Einstieg in die Robotik einfach und preisgünstig gestalten.

Noch mehr zum Thema Industrierobotik: https://automationspraxis.industrie.de/industrierobotik/

Wer sind die wichtigsten Industrieroboter-Hersteller der Welt? https://automationspraxis.industrie.de/robotik/industrierobotik-das-sind-die-wichtigsten-roboter-hersteller-weltweit/


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