Stefan Hesse
Viktorio Malisa

Taschenbuch
Robotik • Montage • Handhabung

2., neu bearbeitete Auflage

Die Handhabung materieller Objekte ist für Arbeitsprozesse in der Montage, der Teilefertigung, im Lagerwesen oder beispielsweise beim Sortieren und Verpacken ein typischer Vorgang. Vieles davon wird heute bereits vom Industrieroboter automatisch erledigt. In Massenprozessen ist aber auch konventionelle Handhabungstechnik in unterschiedlichen Technisierungsvarianten unverändert oder weiterentwickelt im Einsatz. Inzwischen hat der technische Fortschritt auch mobile und autonome mobile Roboter hervorgebracht, die am Wirkungsort positionsflexibel sein können. Handgeführte Manipulatoren haben in der Lücke zwischen Roboter und Handarbeit ihren festen Platz. Durch kollaborierende Roboter entstehen Arbeitszellen, in welchen Intelligenz und Flexibilität des Menschen mit der Genauigkeit und Stärke eines Roboters in einem gemeinsamen Arbeitsraum ohne Schutzzaun wirken. Humanoide und Serviceroboter verlassen das Feld von Science-Fiction und wachsen in kleinen Schritten zu vielfältigen Helfern des Menschen. In der Montage steigt schließlich schnelles Manipulieren von Bauteilen zur „Hohen Schule“ der Handhabungstechnik auf, weil stets mehrere Teile zeitlich und räumlich punktgenau bewegt werden müssen. Das alles ist der fachliche Spannbogen dieses Taschenbuches.

Die wichtigsten Komponenten, Verfahren und Methoden werden im Buch erläutert und bildhaft vorgestellt. Der Umfang gebot, sich auf die wesentlichen Kernaussagen zu beschränken. Die Autoren waren bemüht, ein verständliches Nachschlagewerk zu schaffen. Es soll Studierenden technischer Fächer wie auch dem Praktiker im Beruf den Einstieg in die Thematik möglichst leicht machen.

Das Buch beruht auch in dieser 2. Auflage auf Teamarbeit. Deshalb sei allen Mitwirkenden gedankt, insbesondere den Mitgliedern vom Förderverein F-AR Wien, Frau Ute Eckardt und Katrin Wulst vom Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag für die sachkundige Unterstützung und Betreuung. Inhaltlich hat eine Präzisierung und punktuelle Erweiterung stattgefunden.

Wien, im November 2015

Stefan Hesse

Viktorio Malisa

Eine moderne Industriegesellschaft kann auf umfassendes Automatisieren nicht verzichten. Automation lässt sich jedoch nicht befehlen und auch nicht verhindern. Es handelt sich um einen historischen Prozess, der qualitativ neue Fragen an die Natur- und Technikwissenschaften stellt. Er gipfelt momentan in der Entwicklung automatisierter Fertigungsprozesse. Daraus erwächst als ständige Aufgabe, laufend eine Verbesserung von Maschine, Verfahren, Methode und Organisation anzustreben und zu erreichen. Als Voraussetzung für die Automatisierung muss ein hoher Stand in der Mechanisierung und Steuerungstechnik erreicht sein, also der Ersatz manueller Antriebsleistungen durch Motoren und Mechanismen sowie die Übergabe von Gedächtnis-, Koordinierungs- und Rechenarbeit an Daten verarbeitende Einrichtungen.

Der Begriff „Automation“ wurde vom Spanier Torres y Quevedo (1852­1936) eingeführt. Er entwickelte u. a. 1913 eine allgemeine Theorie der Ablaufsteuerung (Essais sur l' Automatique), die auch für industrielle Prozesse verwendbar war.

Mitte der 1950er Jahre war man ziemlich begeistert vom automatischen Fabrikbetrieb. So wurden 1954 in den USA Motorkolben von der Firma Pontiac vollautomatisch gefertigt. Unflexible Automaten waren der maschinelle Kern und an Roboter war noch nicht zu denken. Ein leitender Angestellter äußerte 1955 auf einem Kongress [1.1] in der Beschreibung starrer automatischer Maschinerie „… wird das Wort „Roboter“ tausende von Malen gebraucht und ich nehme an, dass sie es so oft gehört haben, dass es Ihnen ganz schlecht davon geworden ist. Trotzdem muss ich feststellen, dass ich selber niemals einen Roboter gesehen habe. Ich kenne niemand, der jemals einen gesehen hat und ich weiß weder von einem Ingenieur noch von einer Firma, welche die Absicht haben, einen zu konstruieren.“ Doch es gab solche Konstrukteure in den USA und in Großbritannien.

Die Industrieroboter entwickelten sich nach Anleihen aus zwei verschiedenen Gebieten. Das sind zum einen die Teleoperatoren und zum anderen die NC-Werkzeugmaschinen. Um radioaktives Material aus der Ferne handhaben zu können, wurden in den späten 1940er Jahren die Master-Slave-Manipulatoren entwickelt. Mit der NC-Maschine wurde das Prinzip der Freiprogrammierbarkeit von Bewegungsabläufen geschaffen. So entstanden um 1958 bei AMF (USA) der erste Versatran-Roboter und 1959 der „Unimate“ bei der Firma Unimation (USA). Der Name „Unimate“ ist ein Kunstwort aus universal und automation. Man bezeichnete sie als Universaltransportgerät oder abgekürzt als UTD (universal transfer device), um den mehr oder weniger negativ vorbelasteten Begriff „Roboter“ zu vermeiden. Die Bezeichnung „Industrieroboter“ wurde erst später eingeführt. Im Jahre 1961 installierte General Motors als erste Großfirma ein Unimate-Testmodell in seinem Presswerk Ternsted in New Jersey [1.2]. Zu weiteren Bestellungen kam es erst zwei Jahre später.

Eine frühe Roboterlösung wurde übrigens mit dem „Planetbot“ der Firma Planet Corporation (USA) schon 1955 vorgestellt. Das Gerät konnte 25 verschiedene Bewegungen ausführen, wobei Nockenscheiben und Endtaster im Spiel waren, was eine Programmierung langwierig gestaltete. Der Antrieb war hydraulisch, wie auch bei weiteren Robotern in der unmittelbar nachfolgenden Zeit.

Eine der ersten Arbeitslinien für das Punktschweißen mit dem Roboter wird in Bild 1.1 dargestellt. Es wurden 26 Roboter vom Typ „Unimate“ eingesetzt.

Bild 1.1 Robotisierte Schweißlinie für das Automobil VEGA in einem Werk von General Motors (1970).

Eine Vervielfachung handhabungstechnischer Funktionen zeigt sich bei der Automatisierung der Montage. Nach dem Vorbild der Verpackungs- und Glühlampenmaschinen entstanden in den 1950er Jahren Montageautomaten zunächst als reine Sondermaschinen. Die Handhabungsgeräte waren unflexibel, die erreichbaren Taktzeiten lagen minimal bei 5 Sekunden. Gegenwärtig erreichen Taktautomaten Leistungen, die bei bis zu 150 Takten je Minute liegen. Als unverwüstliches Zuführgerät an Montageautomaten wurde der Vibrationswendelförderer als Peripherie entwickelt. Das Prinzip der Schwingförderer hat man aber schon viel früher in Einzelfällen genutzt. Für die Kleinteilehandhabung konnte man das Prinzip „Schwingtopf“ der Teileform anpassen und auch das Orientieren (Ordnen) mit integrieren. Die Modularisierung von Funktionskomponenten kommt in den 1970er Jahren in Schwung.

In den 1980er Jahren beginnt in Deutschland die Roboterforschung mit dem globalen Ziel „Humanisierung der Arbeitswelt“. Problemkreise sind die statische und dynamische Steifigkeit, Präzisionsgetriebe, Verkabelungsstrategien, Übertragungseinheiten für Energie und Signale, Greif- und Bahnplanungssysteme für die automatisierte Montage, kinematische Optimierungen, Kollisionsvermeidung, Roboterprogrammierung und Bediengeräte für eine Führung des Armes im Raum, anwendungsorientierte und CAD-gestützte Offline-Programmiersysteme und z. B. die Simulation von Abläufen mit einer Modellierung des Roboters in zunächst abstrahierten Hüllformen (Bild 1.2).

Bild 1.2 Hüllkörpermodell einer Mehrroboterarbeitszelle. 1 Roboter an Deckenlaufschiene, 2 Roboter auf Bodenfahrschiene, 3 Person, die die Zelle betritt

Wesentliche Fortschritte sind mit Szenen abbildender Sensorik möglich geworden. Eine Szene repräsentiert einen Ausschnitt der 3D-Umgebung, der dann anhand von zweidimensionalen Abbildern untersucht werden kann. Die optischen Technologien hierzu unterliegen einer rasanten Weiterentwicklung und werden eine Brücke zwischen industrieller Bildverarbeitung und Künstlicher Intelligenz schlagen. Das maschinelle Sehen wird zum Bestandteil der Robotik werden [1.3]. Kennzeichnend ist die Identifikation von Objekten anhand ihrer Geometrie, Position, Orientierung, Ermittlung der Greifpunkte und präzises Positionieren. Das Visionssystem arbeitet mit dem Roboter in einer Regelschleife.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Gestaltung des Umfeldes eines Roboterarbeitsplatzes. Es ist ein bedeutsamer Kostenbestandteil. Es gilt:

• Je weniger ein Roboter kann, desto mehr muss die Peripherie leisten. Allgemein ist für ein gefordertes Automatisierungsniveau die Summe aus Roboter- und Peripheriefunktionen konstant. Was man an Roboterachsen spart, muss man meistens in der Peripherie zusetzen. Man sollte allgemein mit Bewegungsachsen sparen.

• Je weniger sich der Roboter an seine Umgebung selbsttätig anpassen kann, desto mehr Fremdanpassung muss von vornherein vorgenommen werden, z. B. Bereitstellung geordneter Teile statt Teile im Haufwerk. Das Bild 1.3 zeigt, dass sich Bewegungsachsen verlagern lassen [1.4].

• Je mehr Robotertechnik in komplexe Strukturen integriert ist, desto deutlicher verschmelzen Automatisierung, Robotik und Peripherie miteinander.

Im Laufe der Zeit wird sich beim Roboter immer mehr Künstliche Intelligenz ansammeln, was auch die periphere Technik vereinfacht. Vorläufig ist die Peripherie aber noch ein beachtlicher Kostenfaktor.

Vor allem in der Montage werden die meisten Zubringeeinrichtungen benötigt, die Kleinteile geordnet bereitstellen, wie z. B. Schrauben, Scheiben und Normteile. Teile mit hohen Ansprüchen an die Qualität der Oberflächen müssen stets magaziniert auf Einzelspeicherplätzen bereitgehalten werden. Somit sind viele Randbedingungen zu beachten[[1.5]].

Bild 1.3 Variabilität von Bewegungsachsen. a) Zuführen mit einfachem Einleger (Freiheitsgrad F= 1), aktive Peripherie, b) Zuführen mit fünfachsigem Roboter, völlig passive Peripherie F= 5

Die Robotik geht künftig in ein neues Fabrikkonzept ein. Dieser Wandel wird als INDUSTRIE 4.0 bezeichnet. Er folgt den früheren Phasen der Industrialisierung: 1. Mechanisierung mit Dampfkraft, 2. Fließbandarbeit, 3. Automatisierung mit kaum flexiblen Eigenschaften, ausgenommen NC-gesteuerte Bearbeitungsmaschinen. Im Kern geht es um eine umfassende datentechnische Vernetzung. Werkstücke und Maschinen werden sich über Elektronik, Sensoren, Software und Internet miteinander verbinden und auch den Menschen angemessen in die Kommunikation einbeziehen. So kommt es dann zu einer bedarfsgerechten Produktion bis herunter zur Losgröße 1. Ein herzustellendes Werkstück findet von selbst seinen Weg durch die Produktionsanlage. Voraussetzung ist natürlich auch eine Hardware, die ausreichend wandlungsfähig ist. Dazu gehören Selbstkonfiguration, Selbstoptimierung und Selbstdiagnose. Solchen Anforderungen unterliegen auch die Industrieroboter, allgemein alle Roboter oder roboterähnliche Einrichtungen. An welchen Veränderungen muss gearbeitet werden?

• ungefährliche, von außen nicht beeinflussbare Aktionen auch bei Anbindung an das Internet

• flexible Greiforgane mit selbstanpassungsfähiger Schnittstelle Werkstück ‒ Greifer

• Schnittstelle Mensch ‒ Roboter für eine situationsgerechte Kommunikation

• intelligente Steuerungen, die eine Selbstorganisation und -optimierung ermöglichen

• austauschbare Roboterwerkzeuge mit IT-Fähigkeiten und Erkennung der Werkzeugzustände

• qualitative Selbstkontrolle der Arbeitsergebnisse sowie Zugriff auf Wissensbanken

• direktes Zusammenwirken von Mensch und Roboter im Modus Hand-in-Hand-Arbeit

• Anlernfähigkeit und automatische Objekt- und Szenenerkennung

• situative Verhaltenssteuerung

• Selbstwartung, Störungsmanagement bis hin zur Selbstreparatur (Austauschbaugruppen)

• Simulationsverfahren (Konstruktion, Planung, Zykluszeit, Programmierung)