Der Betriebsleiter 7-8/2020

MEILENSTEINE DER ROBOTIK

MEILENSTEINE DER ROBOTIK MONTAGE UND HANDHABUNG Die Robotik ist ein spannendes Feld – und sie hat sich in den letzten Jahrzehnten permanent weiterentwickelt. Doch es gibt auch Konstanten: Der Sechsachs-Knickarm-Roboter ist ein Dauerbrenner. Das Fraunhofer IPA blickt in einer Roboterausstellung auf Anwendungen seit Anfang der 1970er-Jahre zurück und gestaltet mit neuen Technologien gleichzeitig die Zukunft der Automatisierung mit. Als man in Deutschland noch nicht von Robotern sprach, sondern von programmierbaren Handhabungsgeräten, waren Roboter in anderen Ländern wie den USA oder Japan bereits vielfach im Einsatz. Doch auch in Deutschland traten diese Handhabungsgeräte für Werkstücke und Werkzeuge in den 1970er-Jahren ihren Siegeszug an. Ihr Clou: Zwar waren automatisierte Bewegungsabläufe für Montage und Handhabung bereits seit den 1960er-Jahren ein Thema und z. B. in Form von Kurvenscheiben umgesetzt. Die Herausforderung war aber, flexible, universelle, wiederverwendbare und umrüstbare Anwendungen umsetzen zu können, ohne die Mechanik aufwändig ändern zu müssen. Erst durch Roboter gelang hier ein Durchbruch, indem sie durch Ausnutzung neuester Steuerungs- und Antriebstechnik Bewegungen im Raum frei programmierbar machten. Autor: Dr.-Ing. Werner Kraus, Leiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart ROBOTER AUF DEM VORMARSCH Heute ist Deutschland weltweit auf dem dritten Platz, was die Roboterdichte angeht. Während die ersten Roboter noch mit hydraulischen oder pneumatischen Antrieben versehen waren, gingen die Hersteller schnell zur Verwendung elektrischer Antriebe über. Sie waren sauberer und verbrauchten weniger Energie. Ein weiterer technischer Quantensprung ging von verbesserter Sensorik und auch Steuerungstechnik aus – letztere, um sechs Antriebe bewegen zu können. Auch dass die Antriebe zunehmend kleiner wurden, brachte die Robotik entscheidend voran, da diese immer mitbewegt werden müssen. Und was die Preise angeht, zeigt sich ebenfalls eine markante Veränderung: Während früher ein Roboter das teuerste Element in einer Anwendung war, macht er heute nur noch rund ein Fünftel des Gesamtinvests der Automatisierungslösung bestehend aus Peripherie wie Greifern aber auch Engineering-Aufwänden aus. Diese Kostenentwicklung dreht sich gegenwärtig wieder um, da die Wertschöpfung des Roboters durch zunehmende Integration von Funktionen wie z. B. Greifsystemen inklusive Algorithmen Safety integriert und die Inbetriebnahme schneller möglich ist. Was die Kinematik „klassischer“ Industrieroboter angeht, so ist diese seit vielen Jahren nahezu unverändert. Der serielle Sechsachs-Knickarm-Roboter ist mit über 60 % Marktanteil das Zugpferd im Markt. Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA kann man einen solchen frühen Industrieroboter in der hauseigenen Ausstellung „Meilensteine der Robotik“ ansehen: Es ist der Puma (Programmable Universal Machine for Assembly) der Firma Unimation, die 1956 mit dem Unimate den ersten Roboter überhaupt entwickelte. Ausgehend von dieser wiederkehrenden Bauform haben sich Sechsachs-Knickarm-Roboter immens weiterentwickelt und mechanisch ausdifferenziert, sei es hinsichtlich Größe, Traglasten von wenigen 100 g bis über 1 t, Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Ebenfalls verbesserte die Algorithmik im Zusammenhang mit Rechnerperformance die Regelungstechnik entscheidend, also das Bahnverhalten und die Dynamik der Roboter. S14 SUPPLEMENT 2020

Zu den seriellen Robotern gehören weiterhin die Scara-Roboter (Selectiv Compliance Assembling Robot Arm), erfunden von Professor Makino in den 1970er-Jahren. Sie waren mit ihren horizontalen Bewegungsabläufen ein Durchbruch in der Kleinmontage und auch am IPA wurden damit beachtliche Anwendungen realisiert, die zum Beispiel die SMT-Bestückung mit Taktzeiten von weniger als einer Sekunde schafften. Auch der Portalroboter ist ein serieller Roboter, in diesem Fall aber für sehr große Bewegungen und hohe Nutzlasten. WUNDERKINEMATIKEN HELFEN NICHT WEITER Das Fraunhofer IPA hat die Entwicklung der Robotik in Deutschland von Beginn an maßgeblich mitgeprägt. „Dabei ging es nicht darum, eine Art Wunderkinematik für einen speziellen Einsatzfall zu entwickeln. Stattdessen standen immer die Bedarfe der breiten ROBOTERKONSTRUKTION: DIE MUSIK SPIELT IM ENDEFFEKTOR Industrie und insbesondere des Mittelstands im Zentrum unserer Entwicklungen“, berichtet Professor Rolf-Dieter Schraft. Er war langjähriger Leiter des Instituts und fördert die Ausstellung bis heute sowohl inhaltlich als auch finanziell über den Alumni-Verein „Verein zur Förderung produktionstechnischer Forschung e. V.“ Insbesondere neue Endeffektoren, d. h. durch den Roboter geführte Greifer und Werkzeuge und somit die Schnittstelle zwischen Roboter und „Automatisierungsproblem“, waren Inhalt zahlreicher Forschungsarbeiten am IPA. In der Ausstellung dokumentiert eine Leinwand mit Bildern von mehr als 150 Endeffektoren, wie vielfältig die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten sind. „Konstruktionsseitig steckt in den Endeffektoren und damit den automatisierten 01 Die Ausstellung „Meilensteine der Robotik“ blickt anhand zahlreicher Exponate auf 50 Jahre Roboterentwicklung am Fraunhofer IPA zurück 02 Einer der ersten Roboter überhaupt, der Puma von Unimate, ist in der Stuttgarter Ausstellung zu sehen Prozessen bis heute das meiste Know-how drin“, betont Schraft. „Es gab somit nie ein Roboterproblem, sondern ein Anwendungsproblem.“ So gibt es beispielsweise Endeffektoren, die schneiden, Platinen bestücken, löten oder auch melken und sogar Maultaschen handhaben. Und dabei gilt tatsächlich manches Mal: Weniger ist mehr. TREND ZUR FLEXIBILITÄT Mit den Robotern selbst, die in ihrer Bewegungsfreiheit und kinematischen Kette dem menschlichen Arm nachempfunden sind, wurden ebenso aufwändig konstruierte Roboterhände mit fünf Fingern entwickelt. Sie sind allerdings kostspielig und in der Dauerfestigkeit nicht optimal. Parallel dazu entstehen zunehmend Greifer, die sich flexibel einem Werkstück anpassen können. Am IPA ist z. B. zusammen mit der Firma Formhand ein solcher Greifer für den Griff in die Kiste mit Blechteilen entwickelt worden. Er funktioniert ähnlich einem Saugnapf. Er enthält kleine Kugeln und durch das Erzeugen eines Vakuums passt sich der Greifer vielen Konturen an. Ein solcher Greifer kann mittlerweile ein komplexes mechatronisches System ersetzen. Flexibilität ist nicht nur für Greifer ein Mehrwert, sondern beeinflusst auch Bauformen von Robotern oder ihren Komponenten. So zeigt die IPA-Ausstellung den Baukasten für Softrobotiksysteme Myorobotics. Damit lassen sich Robotersysteme aufbauen, deren steife und nachgiebige Komponenten Armen und Beinen nachempfunden sind. Durch Sensoren und eine lokale Signalverarbeitung können die Systeme Reize wahrnehmen und reflexähnlich auf ihre Umwelt reagieren. Wie bei ihrem menschlichen Vorbild können die Roboter Kraft speichern und Stöße abfedern. Zukünftig kann diese Technologie dort genutzt werden, wo Menschen und Maschinen gemeinsam agieren, beispielsweise in der Haushaltsoder Rehabilitationsrobotik. WEICHEN STELLEN FÜR DIE ZUKUNFT Konzipiert und umgesetzt hat die Ausstellung Martin Hägele, langjähriger Leiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer IPA und Technik-Enthusiast. Ging man mit ihm durch die Ausstellung, so wusste er nicht nur Anekdoten und Detailwissen zum Besten zu geben. Noch wichtiger war ihm, den Blick auf das zu 02 01 SUPPLEMENT 2020 S15