Palettierroboter – Stand der Technik heute

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Palettierroboter – Stand der Technik heute 2017-01-27T10:50:30+00:00
Palettierer

Was ist ein Roboter?

Der Begriff Roboter weckt bei vielen immer noch die Vorstellung des stählernen Kollegen, der mit Armen und Beinen und beeindruckender Intelligenz fast beliebige Aufgaben übernehmen kann.

Um hier schon mal eine erste Abgrenzung vorzunehmen sei angemerkt, dass die stählernen Mitarbeiter in produzierenden Unternehmen als Industrieroboter bezeichnet werden. Sobald diese in Bezug auf Bauart oder System für spezielle Aufgaben ausgelegt sind, werden Bezeichnungen wie Lackierroboter, Schweißroboter oder Palettierroboter gewählt.

Die Entwicklung des Marktes

Ursprünglich hatten alle Roboterentwickler im Auge, möglichst jede Handhabungsaufgabe durch den Einsatz eines Standardindustrieroboters zu lösen. Lange war es das Ziel, immer schnellere Geräte mit verbesserter Positioniergenauigkeit zu bauen.  Der Markt war geprägt durch 6-achsige Knickarmroboter, die in mehreren Baugrößen und unterschiedlichen Traglastklassen angeboten wurden. Die Konsequenz war, dass die Automation mit dieser Technik nicht immer optimal, allerdings häufig besonders kostenintensiv war. So ist es nicht verwunderlich, dass es mittlerweile einige Sonderbauformen gibt, die sich von der klassischen Standardbauweise deutlich unterscheiden.

Ein Beispiel hierfür sind die Lackierroboter, die keine nennenswerte Last zu heben haben. Hier zählen eher eine große Reichweite, die hohe Gelenkigkeit sowie der besondere Schutz vor Farbnebeleinflüssen.

Ein anderes Beispiel sind die Palettierroboter. Die Aufgabenstellung beim Palettieren ist wiederum völlig anders. Hier stehen Forderungen im Raum wie ein angepasster  Greifraum für die Palettierung, hohe Traglasten sowie eine robuste Technik. Weniger gefragt ist hier eine hohe Positioniergenauigkeit.

Hier stellt sich nun die Frage, ob und wie die konkurrierenden Systeme miteinander verglichen werden können und welche Unterscheidungskriterien für die zu lösende Handhabungsaufgabe  wichtig sind. Bei näherer Betrachtung kristallisieren sich zwei wichtige Beurteilungskriterien heraus, die bei wohlwollender Betrachtung durchaus gewisse Parallelen zum Menschen zulassen:

  1. Gelenkigkeit und Greifraum (Bauform):
    Ein Roboter muss handhabungstechnisch geprägte Aktionen im Raum realisieren, indem er ein Objekt wie z.B. ein Werkzeug oder ein Werkstück aufgrund der Gestaltung seiner kinematischen Bewegungsmöglichkeiten im Raum frei bewegen kann.
  1. Steuerung und Intelligenz:
    Der Roboter muss mittels einer programmierbaren Steuerung Bewegungsaktionen ausführen, die mathematisch logischen Abläufen folgen. In diesem Zusammenhang fällt immer wieder der Begriff des „Intelligenten Systems“.

 

Auf beide Merkmale wird im Folgenden näher eingegangen und insbesondere die Eignung für das Palettieren näher beleuchtet.

Roboterbauarten, Greifraum und Freiheitsgrade

Betrachtet man den heutigen Markt der Industrieroboter, so fallen zuerst einmal die verschiedenen Bauarten (Kinematiken) auf. Prinzipiell bestehen alle Geräte aus einer sinnvollen Kombination von Drehgelenken und Linearführungen, die durch einzelne Antriebe unabhängig bewegt werden können. Der Fachmann spricht hier von den Bewegungsachsen und von der Gestaltung der kinematischen Kette.

Je nach Handhabungsaufgabe eignet sich die ein oder andere Kinematik besonders gut für eine spezielle industrielle Handhabungsaufgabe.

Wie viele Achsen braucht ein Roboter?

Um dies zu beantworten ist ein kleiner Ausflug in die Mathematik hilfreich. Wenn der Mathematiker ein Objekt im Raum beschreibt, so nutzt er 6 Freiheitgrade. Die ersten drei Freiheitsgrade dienen zur Beschreibung der grundsätzlichen Position im Raum. Im kartesischen Koordinatensystem wird diese Position mit den Variablen X, Y und Z beschrieben. Im Roboterbereich sind die ersten drei Achsen ebenfalls für den  Arbeitsraum verantwortlich und somit für die grobe Position des Aktionspunktes im Raum. Auch wenn dieser Zusammenhang durch die gegenseitige Beeinflussung aller Gelenke Rückwirkungen auf alle Achsstellungen haben kann, sind diese ersten drei Achsen doch für die grundsätzliche Größe des Greifraumes verantwortlich und werden deshalb auch als Hauptachsen bezeichnet. Die jeweilige Kombination der Dreh- und Linearachsen bestimmt den nutzbaren Greifraum. So führen Geräte, die nur ausschließlich aus Drehachsen bestehen systembedingt zu einem kugelig geprägten Greifraum, Geräte mit Linearachsen weisen prinzipiell kubische Greifräume auf.

Sofern das im mathematischen Raum befindliche Objekt auch gedreht und/oder geschwenkt werden muss, so führt der Mathematiker drei weitere Freiheitgrade ein und hat damit nun auch die mathematisch Kontrolle über Position und Orientierung seines Objektes. In der Robotik ist dies analog auch der Fall. Genau drei weitere Achsen sind notwendig, um dem Gerät die Gelenkigkeit zu verleihen, die es braucht, um Objekte im Raum beliebig orientieren zu können. Es handelt sich hierbei um die Handachsen des Gerätes. Der  Begriff Handachse ist eigentlich irreführend, da der nackte Roboter am Ende eigentlich nur einen Flansch aufweist, an den der Effektor (Greifer oder Werkzeug)  geschraubt werden kann.

Die volle Gelenkigkeit in allen 6 Achsen ist in einigen Fällen aber gar nicht notwendig.  Für übliche Palettiervorgänge sind z.B. all die Achsen überflüssig, die ein Schwenken der Packstücke zur Folge haben. Alleinig die Drehung um die Senkrechte ist hier sinnvoll.  Mit dem typischen vierachsigen Palettierroboter können auf allen heute üblichen Ladungsträgern beliebige Palettiermuster erzeugt werden.

Steuerung und Intelligenz

Wenn der zuvor beschriebenen Mechanik die „Intelligenz“ fehlt, so nutzt die schönste Optik eines Roboters nichts. Das Steuerungssystem mit dem zugehörigen Bedienkonzept und Programmierverfahren wird häufig viel zu wenig  betrachtet. Für viele Anwendungen ist dies jedoch der wahre Schlüssel zum Erfolg.

Elektrik, Verdrahtung, Steuerungshardware

Voraussetzung zur Programmierung des Systems „Roboter“ ist erst einmal, dass die Steuerung die volle Kontrolle über alle Achsantriebe besitzt und die notwendigen Informationen über die Gelenk- bzw. Achsstellungen und die Zustände der Ein- und Ausgänge der gesamten Roboterzelle steuerungstechnisch unter Kontrolle hat.

Betrachtet man in diesem Zusammenhang die zu verdrahtenden Komponenten wie Antriebsmotoren, Positionssensoren, digitale und analoge Eingänge sowie die notwendigen Ausgänge, so ist leicht einzusehen, dass sich zwangsläufig dicke Kabelbäume ergeben, die über mehrere Gelenke und Führungen hinweg permanent bewegt werden müssen. Aus diesem Grund waren vor wenigen Jahren Kabelbrüche noch an der Tagesordnung und führten nicht selten zu zeitaufwändigen Reparaturen.

Aber auch hier haben sich in den letzten Jahren technisch sehr interessante Lösungen ergeben. Zu nennen sind hier u.a. die Bus-Systeme!  Hierbei überträgt ein hochflexibles Kabel alle Informationen in beide Richtungen. Der Kabelbaum ist mit dieser Technik auf zwei Leitungen geschrumpft. Über die eine Leitung wird die Energie übertragen, über die andere Leitung alle notwendigen Information.

Der PC als Maschinensteuerung

Als Steuerungsbasis wird heute immer häufiger auf den PC zurückgegriffen. Industrie PCs der heutigen Generation laufen unter den modernen Betriebssystemen völlig stabil und zuverlässig. Auch ist es heute kein Problem mehr, die Steuerungsprogramme mit Echtzeitfunktionalitäten auszustatten. Genau dieser Punkt hatte lange die Nutzung der PC´s als Steuerungssysteme behindert.

Da der Umgang mit Maus und Monitor für den Industriebereich nicht sehr komfortabel ist, hat sich hier der Touchmonitor als Alternative etabliert, der per Fingerdruck eine einfache Kommunikation mit dem System erlaubt. Die Maschinenbedienung über den Touchmonitor hat sich zwischenzeitlich nicht nur im Roboterbereich bewährt und stellt eine komfortable Möglichkeit der Gestaltung der Bedienerkommunikation dar. Schon 1999 wurden im Hause roTeg die ersten Roboter mit einer PC-Steuerung und Touch- Bedienoberfläche ausgeliefert.  Die Steuerungssoftware wird bei diesen Systemen ähnlich wie z.B. die bekannten Office-Anwendungen installiert und gestartet. Die gesamte Kommunikation zur Roboterhardware läuft danach über ein Bus-System, so dass es sich bei dem Steuerungs-PC um ein handelsübliches Gerät ohne spezielle Modifikationen handelt.

Die Programmierung

Und hier wird es jetzt so richtig wichtig.

Betrachten wir eine Roboterzelle. Die Mechanik ist nun fertig, steht mit Antrieben und Peripherie funktionsbereit zur Verfügung und nun muss diesem System „Leben“ eingehaucht werden, es muss also nun programmiert werden.

Schaut man sich die Handbücher der unterschiedlichen Roboteranbieter auf dem Markt an, so fallen sofort Parallelen zu den Programmiersprachen Basic, Pascal oder C auf.  Diese Hochsprachen aus der Computerwelt eignen sich hervorragend, um einem Roboter  zu sagen, was er zu tun hat. Alle Handhabungsaufgaben, die sich logisch und  mathematisch beschreiben lassen und zu dessen Ablauf die notwendigen sensorischen Informationen vorliegen, können so in einen Programmablauf überführt werden. Die Möglichkeiten sind fast unerschöpflich und noch heute sind laufend interessante Anwenderberichte über neue Roboterlösungen in den Fachzeitschriften zu finden.

Aber hier liegt auch das große Problem der Roboterapplikationen.  Ein mächtiges Werkzeug braucht auch hervorragende Programmierer, um alle Möglichkeiten der Systeme in vollem Umfang ausschöpfen zu können. Hier ist der Vergleich mit einer Fremdsprache durchaus zulässig. Eine Sprache beherrschen kann heißen, sich leidlich zu verständigen, es kann aber auch bedeuten, dass man Romane und Gedichte schreiben kann. Aber auch wenn der handhabungstechnische Ablauf geschickt programmiert ist und alle Abläufe optimal verknüpft sind, so bedeutet das noch lange nicht, dass der spätere Bediener mit der Anlage problemlos und komfortabel arbeiten kann.

Und hier zeigt sich ein weiteres Kriterium zur Beurteilung der Qualität eines Robotersystems, weil ein anwenderfreundliches Bedienkonzept trotz eines guten Programms häufig auf der Strecke bleibt.

Was ist bei einer Störung oder einem kleinen Fehler? Wie schnell ist solch ein Fehler behoben und welche Qualifikation muss ein Bediener mit sich bringen, um den Fehler zu lokalisieren und zu beheben.

Gute Systeme zeichnen sich in diesem Punkt durch einen anwenderfreundlichen Dialog  aus. So ist es heute durchaus möglich, dass der Roboter oder besser die Steuerung viele Fehler selbst erkennt, diese lokalisiert und gleich Lösungsvorschläge unterbreitet.

Beispiel Kabelbruch

Einen Kabelbruch am Resolver eines Motors können heute fast alle Regler selber erkennen und gute Systeme reichen solche Fehler in verständlicher Form an den Bediener weiter.  Sinnvoll ist es hierbei, dass die Steuerung sofort einen Lösungsvorschlag unterbreitet und dem Bediener in Bild und Text sagt, was er zur Fehlerbehebung unternehmen muss. Hier sei allerdings angemerkt, dass die heutigen Kabel so gut sind, dass dieser Fehler eigentlich nur noch selten auftritt.

Eher wichtig sind Fehlermeldungen zu defekten Lichtschranken, wie im Folgenden dargestellt.

Bei Anwahl „zum Handbuch“ oder „zum Schaltplan“ erfolgt ein Sprung zu den auf der Steuerung hinterlegten Dokumenten.

Diese kleinen und sehr hilfreichen  Programmierlösungen müssen nicht immer neu programmiert werden. So sind heute im Bereich der Palettierroboterzellen die meisten kleinen Probleme bekannt und die möglichen Hilfen für die Problembehebung bereits programmiert.

So gibt es viele kleine und große Hilfestellungen, die eine gute Software für Palettieranwendungen bereits standardmäßig beinhalten sollte.

Ebenfalls ist es heute Standard, dass der Anwender die Palettiermuster selber programmieren kann. Bei komfortablen Systemen können sich heutige Steuerungen nach Eingabe der Abmessungen des Packstücks die Palettiermuster selber errechnen oder auf Wunsch dem Bediener Vorschläge zu möglichen Palettiermustern unterbreiten.  Das gewünschte Lagenbild und die Lagenanzahl kann so ausgewählt werden und der Palettiervorgang kann sofort starten.

So ist je nach Anwendungsfall und Aufgabenstellung immer zu prüfen, welches der am Markt befindlichen Systeme sich für die jeweilige aktuelle Aufgabe besonders gut eignet. Hierbei ist nicht nur die reine Mechanik zu betrachten sondern auch das dahintersteckende Steuerungs- und Bedienkonzept, welches gerade im Roboterbereich ein wichtiges Kriterium zur Systemauswahl darstellt.