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Roboter werden sich in Zukunft selbst organisieren, Strategien zur Optimierung des Produktionsprozesses entwickeln und in der Lage sein, ohne Nutzereingriff zusammen zu arbeiten.
Je schneller Scara-Roboter zu Werke gehen, desto schwieriger wird die genaue Positionierung des Manipulators.
Zwei Kameras prüfen die Lampe, ob der Glaskörper korrekt zusammengeschweißt wurde und die Glühwendel 100 % richtig sitzt.
Die Synthese aus Präzision und Positioniergeschwindigkeit bei Scara-Robotern kommt beispielsweise im Bereich der Leuchtmittelproduktion zum Einsatz.

Für die Hersteller von Automatisierungs- und Roboterlösungen verspricht die Nachfrage ihrer Kunden einen guten Start in die kommenden Monate. Auf lange Sicht blickt die Branche jedoch auf weit mehr als nur eine profitable Zukunft. Der Fachverband Europ (European Robotics Technology Platform) hat in einer Studie Technologietrends der Automatisierungsindustrie für die nächsten zehn Jahre bewertet. Die Branche, so zeigt die Untersuchung, steht vor tiefgreifenden Entwicklungen im Bereich der Systemarchitektur, der Schnittstellen zum Bedienpersonal, der Manipulatoren sowie auf dem Feld der Antriebe. Entwicklungen in der Sensortechnologie und Datenverarbeitung, so Europ, unterstützen Roboterkonzepte, die von lernenden und autonom handelnden Maschinen geprägt sind. Ein Großteil der Fertigungsabläufe der industriellen Produktion wird in Zukunft von Robotern übernommen, die sich selbst organisieren, Strategien zur Optimierung des Produktionsprozesses entwickeln und in der Lage sind, ohne Nutzereingriff zusammen zu arbeiten.

Die Hersteller reagieren mit evolutionären Konzepten auf diese Vorhersagen: Einfache Systeme, die auf Flexibilität bauen anstelle von Science-Fiction-Visionen, lautet derzeit das Kredo der Branche. Ein Blick auf die Scara-Klasse macht dies deutlich.

Stetige Weiterentwicklung

Scara-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm) stammen ursprünglich aus den Anfängen der Elektronik-Massenfertigung in den 70er Jahren. Japanische Hersteller suchten Möglichkeiten, Produktionsprozesse zu automatisieren. Die ersten Roboter verfügten über fünf oder sechs Freiheitsgrade und eigneten sich beispielsweise besonders für den Einsatz in der Automobilindustrie. Allerdings boten sie weder die Geschwindigkeit noch die Präzision für Produktionsprozesse mit kleinen Spielräumen. Die Entwickler merkten, dass hier ‚weniger ist mehr‘ gilt: Scara-Roboter verfügten über vier Achsen und platzierten Bauteile auf Platinen schnell und vor allem exakt.

Aus der modernen Fertigung ist diese Geräteklasse nicht mehr wegzudenken. Scara sind im Allgemeinen leicht und klein, was kompaktere Fertigungsanlagen ermöglicht. Konstruktionsbedingte Nachteile: Durch die reduzierten Freiheitsgrade entsteht immer ein toter Winkel – die Totzone, die der fest montierte Roboter nicht erreichen kann.

Die Scara-Technologie hat sich in den vergangenen Jahren in evolutionären Schritten weiterentwickelt. Ein Beispiel hierfür sind Geräte, die über einen entweder nach links oder rechts geknickten ersten Arm verfügen. Durch diese kleine Änderung am Gerätedesign erzielen die Roboter einen größeren Arbeitsbereich. Ein anderes Beispiel sind RS-Spider-Systeme von Epson. Es handelt sich um Scara-Maschinen, die kurzerhand umgedreht an die Decke gehängt werden. Dieser Trick eliminiert die Totzone.

Der zweite Arm schwenkt unter dem ersten Arm hindurch und erreicht somit jeden Punkt eines zylinderförmigen Arbeitsbereichs. Für Maschinenbauer und Anlagenplaner schafft dieses Gerät neue Möglichkeiten – beispielsweise das Konzept der Wabenzelle: Ein Roboter, der in der Mitte eines wabenförmigen Feldes aufgehängt ist, kooperiert mit benachbarten Geräten und erlaubt verzahnte Produktionsabläufe. Anstelle einer linearen, starren Produktionsstraße entsteht auf engem Raum eine Fertigungseinheit, die sich flexibel beispielsweise auf Kleinserien oder Variantenproduktion umstellen lässt. Innerhalb der bienenstockartigen Wabenstruktur entstehen Verrichtungszellen, die beliebig kombiniert, verschoben oder anders konfiguriert werden können.

Gesteuert werden Scara-Systeme durch herstellereigene Controller, die die Integration eines Roboters in bestehende Produktionsstraßen und -abläufe erleichten. Anwender programmieren die Systeme frei über eine intuitive Entwicklungsumgebung. Die Softwaresteuerung verfügt dabei über integrierte Optionen und Schnittstellen wie Vision Guide, .Net-Unterstützung, Profibus, Devicenet oder Ethernet/IP.

Virbationen im Griff haben

Der Geschwindigkeitszuwachs der Geräte, den die Roboterentwicklung in den vergangenen Jahren zu Wege gebracht hat, lässt allerdings auch neue, vorher wenig beachtete Phänomene in den Mittelpunkt der Forschung treten. Ein Bespiel sind Vibrationen, die bei höherer Fertigungsgeschwindigkeit exponentiell ansteigen. Je schneller Scara-Roboter zu Werke gehen, desto schwieriger wird die genaue Positionierung des Manipulators. Neue Technologien helfen, die
Zielgrößen Geschwindigkeit und Präzision auf kreative Weise miteinander zu vereinigen.

Das Problem stellen Vibrationen dar, die bei allen Bewegungsabläufen eines Roboters in Beschleunigungs- und Abbremsphasen auftreten. Herkömmlicherweise werden diese Vibrationen durch eine Geschwindigkeitssteuerung über so genannte Beschleunigungskurven verringert. Durch präzisere Fertigungsmöglichkeiten werden die Bewegungsabläufe von Robotern jedoch immer kleiner. Die Folge: Physikalisch bedingt steigt der Grad an Vibrationen bei diesen kleinen, schnellen Bewegungen deutlich an.

Eine Technologie, die in neuen Roboter-Controllern zum Einsatz kommt, basiert auf einer Synthese zweier Möglichkeiten der Bewegungskontrolle des Manipulators: dem schnellsten Weg zum Ziel einerseits und einer möglichst vibrationsarme Bewegung andererseits. Letztere lässt sich jedoch nicht wie herkömmlich aus mathematischen Algorithmen bilden, sondern resultiert aus einer Kette von Simulationen. Beide Abläufe können frei je nach Einsatzzweck gewählt werden. Der Effekt: Roboter, die in dieser Weise gesteuert werden, lassen sich flexibler einsetzen und rascher in geänderte Fertigungsprozesse einbinden.

Präzise und schnell

Die Synthese aus Präzision und Positioniergeschwindigkeit kommt beispielsweise im Bereich der Leuchtmittelproduktion zum Einsatz. Die Firma Zorn aus Stockach am Bodensee produziert Miniatur-Glühlampen speziell für den medizinischen Bereich. Die Qualitätsprüfung der Lampen überlässt Zorn einem Array aus von Scara-Robotern.

Nach dem Verschweißen des Glaskörpers führt ein Roboter die Lampe zur Qualitätskontrolle. Dort tasten zwei senkrecht zueinander stehenden Kameras die Lampe und prüfen diese, ob der Glaskörper korrekt zusammengeschweißt wurde und die Glühwendel 100 % richtig sitzt. Je nach Ergebnis der letzten Qualitätsprüfung legt der Roboter die Lampen an den vorgesehenen Platz, von dem sie zum nächsten Arbeitsschritt weiter befördert werden.

Diese Anwendung stellt hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit und Präzision des Roboters. Bei einem ungenauen Anfahren der Lampenprüfposition vor den Kameras kann es aufgrund der Abweichung in der Position leicht zu einer Verfälschung des Testergebnisses kommen. Ein vermeintlich zu hoher Ausschuss und somit geringere Effizienz der Anlage wäre die Folge. Trotz dieser hohen Punktgenauigkeit muss sich der Roboter dennoch möglichst schnell bewegen, da ansonsten der geforderte Durchsatz der Anlage nicht erreicht würde.

Zukunftsvisionen

Um den Platzbedarf von Fabrikationsanlagen noch weiter zu reduzieren, arbeiten Hersteller mit Hochdruck an einer Miniaturisierung des Scara-Konzeptes. Die Vision: Durch den Einsatz kleiner Roboter in Verbindung mit der Micropiezo-Technologie, mit der Schaltkreise künftig gedruckt anstatt konstruiert werden, streben Hersteller die Miniaturisierung des gesamten Produktionsprozesses an. Am Ende dieser Verkleinerung steht die Vision einer Desktop Factory – einer Produktionsanlage, die auf einem Tisch Platz findet und den zur Herstellung von Mikroelektronik notwendigen Reinraum auf das Minimum reduziert.

Die Weichen für die Robotikbranche sind gestellt. Sie steht am Anfang weitreichender Entwicklungen, in denen sie ihre Stärken ausspielen kann: durch Diversifikation den Weg in die Zukunft zu ebnen. Wie weit sie reicht, werden die nächsten zehn Jahre zeigen.