Robotik in der heutigen Automobilproduktion

Industrieroboter sind in der modernen Fertigung unverzichtbar - sie führen eine Vielzahl von Funktionen aus und koordinieren Aufgaben mit anderen Formen der Automatisierung. Tatsächlich war die 1-Billionen-Dollar-Automobilindustrie die erste Branche, die über die Mittel verfügte, um die Robotik in großem Umfang zu nutzen und die mit der Robotik verbundenen Technologien zu fördern. Kein Wunder, denn Automobile sind hochentwickelte, teure Produkte, die Investitionen in Anlagen rechtfertigen können, die sich erst nach Jahren rentieren. Die überwiegende Mehrheit der Produktionsstätten in der Automobilbranche setzt heute Robotertechnik ein. Erst in den letzten zwei Jahrzehnten haben die Bereiche Verpackung, Halbleiterproduktion und der relativ neue Bereich der automatisierten Lagerhaltung die Einführung von Robotern so stark vorangetrieben, dass sie der Automobilindustrie Konkurrenz machen.

Abbildung 1: Die Automobilindustrie hat wie kaum eine andere Branche die Entwicklung von Robotertechnologien gefördert. (Bildquelle: Getty Images)

In den Robotern selbst und in der ergänzenden industriellen Automatisierungsausrüstung befinden sich Elektromotoren, Hydrauliksysteme, Antriebe, Steuerungen, Netzwerkhardware, Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) und Softwaresysteme sowie Sensorik-, Feedback- und Sicherheitskomponenten. Diese Elemente sorgen für Effizienz, indem sie vorprogrammierte Routinen ausführen, die sich leicht an veränderte Echtzeitbedingungen anpassen können. In zunehmendem Maße wird erwartet, dass Roboterarbeitszellen auch rekonfigurierbar sind, um neue Automobilangebote zu produzieren ... da sich die Verbraucherpräferenzen schneller denn je ändern.

Klärung der für Automatisierung und Robotik verwendeten Terminologie

Das Oxford English Dictionary definiert Roboter als „Maschinen, die in der Lage sind, automatisch komplexe Bewegungsabläufe auszuführen, insbesondere durch Programmierung“. Verwirrend ist, dass diese Definition alles von Waschmaschinen bis hin zu CNC-Werkzeugmaschinen beschreiben könnte. Selbst die ISO8373-Definition eines Roboters als „automatisch gesteuerter, umprogrammierbarer Mehrzweckmanipulator, der in drei oder mehr Achsen programmierbar ist“, könnte ein Lagerförderband mit vertikalen Hubstationen beschreiben. Solche Maschinen würden jedoch normalerweise nicht als Roboter eingestuft werden.

Das praktische Unterscheidungsmerkmal ist, dass Maschinen, die für einen einzigen [sprich: sehr klar definierten] Zweck an einem festen Standort gebaut werden, in der Regel nicht als Roboter gelten... zumindest nicht in Industriekreisen. Eine typische Fräsmaschine beispielsweise kann zwar eine beliebige Anzahl komplexer Programme zur Bearbeitung verschiedener Teile ausführen, ist aber für das Schneiden von Metall mit rotierenden Messern ausgelegt, die in ihrer Spindel montiert sind ... und sie wird wahrscheinlich während ihrer gesamten Lebensdauer sicher an einem einzigen Ort befestigt bleiben.

Abbildung 2: In manchen Fällen beruht die Unterscheidung zwischen Roboter und Maschine darauf, wie ein automatisierter Entwurf aussieht. Manche stufen Gelenkarme, die mechanisierten menschlichen Armen ähneln, als Roboter ein - und klassifizieren automatisierte kartesische Anordnungen von Linearschlitten (wie den CT4 für die Montage und Prüfung von Kleinteilen) als Maschinen. (Bildquelle: IAI America Inc.)

Manchmal sind sogar diese Definitionen widersprüchlich. Beispielsweise werden automatisierte Maschinen wie CNC-Werkzeugmaschinen immer flexibler, wobei Fräs-Dreh-Zentren sowohl die Aufgaben von Fräsmaschinen als auch von Drehbänken übernehmen - und viele dieser Maschinen führen auch Prüf- und Messaufgaben an Teilen mit Messtastern und Laserscannern aus. Solche Werkzeugmaschinen können sogar für die additive Fertigung ausgerüstet sein. Andererseits werden vermeintlich flexible Industrieroboter oft als spezialisierte Modelle geliefert, die für eine bestimmte Aufgabe wie Farbspritzen oder Schweißen konzipiert sind ... und unter Umständen ihr gesamtes Leben in einer Arbeitszelle einer Produktionslinie verbringen.

Unterm Strich wird in der Automobilindustrie heute von automatisierten Systemen, die als Roboter klassifiziert werden, oft eine hohe Flexibilität erwartet - sie sind in der Lage (mit Neukonfiguration), Transport-, Sortier-, Montage-, Schweiß- und Lackieraufgaben auszuführen, die sich von Tag zu Tag ändern können. Diese Industrieroboter sollen auch in neue Bereiche einer Anlage verlagert werden können - sei es, um als Fertigungssysteme neu konfiguriert zu werden, sei es, um kontinuierlich auf linearen Schienen mit siebter Achse bewegt zu werden, um Arbeitszellen in einer Linie zu warten.

Roboterfamilien für Automobilproduktionsstätten

Roboter in der Automobilproduktion lassen sich grob nach ihrem mechanischen Aufbau klassifizieren - einschließlich ihrer Gelenktypen, Verbindungsanordnungen und Freiheitsgrade.

Serienmanipulator-Robotik umfasst die meisten Industrieroboter. Produkte dieser Familie haben eine lineare Kette von Gliedern mit einer Basis an einem Ende und einem Endeffektor am anderen Ende... mit einem einzigen Gelenk zwischen jedem Glied in der Kette. Dazu gehören Gelenkroboter, SCARA-Roboter (Selective Compliance Articulated Robot Arm), kollaborative Sechs-Achsen-Roboter, kartesische Roboter (die im Wesentlichen aus linearen Aktuatoren bestehen) und (etwas seltener) zylindrische Roboter.

Abbildung 3: Kollaborative Roboter sind in Tier-2-Automobilzulieferbetrieben, die von der automatischen Palettierung profitieren, immer häufiger anzutreffen. (Bildquelle: Dobot)

Parallelmanipulator-Robotik zeichnen sich dort aus, wo Anwendungen eine hohe Steifigkeit und Arbeitsgeschwindigkeit erfordern. Im Gegensatz zu Gelenkarmen (die im 3D-Raum über eine einzige Verbindungslinie aufgehängt sind), werden Parallelmanipulatoren von einer Reihe von Verbindungsgliedern getragen oder aufgehängt. Beispiele sind Deltaroboter und Stuart-Roboter.

Mobile Roboter sind Einheiten auf Rädern, die Materialien und Lagerartikel in Fabriken und Lagern bewegen. Sie können als automatisierte Gabelstapler fungieren, um Paletten zu holen, zu bewegen und in Regale oder in die Fabrikhalle zu stellen. Beispiele hierfür sind fahrerlose Transportsysteme (AGV) und autonome mobile Roboter (AMR).

Klassische Roboteranwendungen in der Automobilfertigung

Zu den klassischen Anwendungen von Robotern in der Automobilproduktion gehören Schweißen, Lackieren, Montieren und (für den Transport der rund 30.000 Teile, die in einem durchschnittlichen Auto verbaut werden) Materialhandhabungsaufgaben. Überlegen Sie, wie einige Roboteruntertypen in diesen Anwendungen eingesetzt werden.

Sechsachsige Gelenkarmroboter sind serielle Manipulatoren, bei denen jedes Gelenk ein Drehgelenk ist. Die gebräuchlichste Konfiguration ist der Sechs-Achsen-Roboter, der über Freiheitsgrade verfügt, um Objekte in jeder Position und Ausrichtung innerhalb seines Arbeitsvolumens zu positionieren. Es handelt sich um sehr flexible Roboter, die sich für eine Vielzahl von Industrieprozessen eignen. Sechsachsige Gelenkarmroboter sind das, was sich die meisten Menschen unter einem Industrieroboter vorstellen.

Abbildung 4: Leistungsstarke Barcodeleser können 1D- und 2D-Barcodes schnell und zuverlässig dekodieren. Einige werden auf Roboter-Endeffektoren montiert, um die Entnahme von Elektronik- und Automobilteilen sowie von Unterbaugruppen zu unterstützen. (Bildquelle: Omron Automation and Safety)

Große sechsachsige Roboter werden häufig zum Schweißen von Fahrzeugrahmen und zum Punktschweißen von Karosserieteilen eingesetzt. Im Gegensatz zu manuellen Verfahren sind Roboter in der Lage, Schweißpfade im 3D-Raum präzise zu verfolgen, ohne anzuhalten, und gleichzeitig die sich ändernden Parameter der Schweißraupe in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.

Abbildung 5: Diese Sechs-Achsen-Roboter sind das, was sich die meisten Menschen unter einem Industrieroboter vorstellen. (Bildquelle: Kuka)

An anderer Stelle fahren sechsachsige Gelenkarmroboter auf einer siebten Achse, um Grundierungs-, Lackier-, Klarlack- und andere Versiegelungsprozesse an Automobilkarosserien durchzuführen. Diese Verfahren liefern einwandfreie und gleichbleibende Ergebnisse, die zum Teil deshalb so zuverlässig sind, weil sie in gut isolierten Spritzkabinen durchgeführt werden, die nicht durch Partikel aus der Umgebung verunreinigt werden. Sechsachsige Roboter folgen außerdem programmatisch optimierten Sprühpfaden, um perfekte Oberflächen zu erzielen und gleichzeitig Übersprühen sowie Farb- und Versiegelungsabfälle zu minimieren. Außerdem muss das Personal in den Automobilwerken nicht mehr den schädlichen Dämpfen ausgesetzt werden, die bei einigen Spritzmaterialien auftreten.

Bild 6: Die App SIMATIC Robot Integrator vereinfacht die Integration von Robotern in automatisierte Umgebungen, indem sie die Parameter von Robotern verschiedener Anbieter und die Geometrien und Montageanforderungen verschiedener Anwendungen berücksichtigt. Ergänzt werden diese Installationen durch skalierbare, leistungsstarke SIMATIC-S7-Steuerungen mit integrierter Peripherie und verschiedenen Kommunikationsoptionen für flexible Designanpassungen. (Bildquelle: Siemens)

SCARA-Roboter (Selective Compliance Articulated Robot Arm) verfügen über zwei Drehgelenke mit parallelen, in vertikaler Richtung verlaufenden Drehachsen zur X-Y-Positionierung in einer einzigen Bewegungsebene. Eine dritte lineare Achse ermöglicht die Bewegung in Z-Richtung (nach oben und unten). SCARA-Roboter sind relativ kostengünstige Optionen, die sich in engen Räumen hervorragend eignen - und sich dabei sogar schneller bewegen als vergleichbare kartesische Roboter. Kein Wunder, dass SCARA-Roboter in der Produktion von Automobilelektronik und -elektrik eingesetzt werden - unter anderem für Klimasteuerung, Vernetzung von Mobilgeräten, audiovisuelle Elemente, Unterhaltung und Navigation. Hier werden am häufigsten SCARAs eingesetzt, um die präzisen Materialhandhabungs- und Montageaufgaben zur Herstellung dieser Systeme auszuführen.

Kartesische Roboter haben mindestens drei lineare Achsen, die übereinander angeordnet sind, um Bewegungen in X-, Y- und Z-Richtung auszuführen. Einige kartesische Roboter, die von Tier-2-Automobilzulieferern eingesetzt werden, haben die Form von CNC-Werkzeugmaschinen, 3D-Druckern und Koordinatenmessmaschinen (KMG), um die Qualität und Konsistenz der Endprodukte zu überprüfen. Wenn man diese Maschinen mitzählt, sind kartesische Roboter die in der Industrie am weitesten verbreitete Form von Industrierobotern. Wie bereits erwähnt, werden kartesische Maschinen jedoch oft nur dann als Roboter bezeichnet, wenn sie für Vorgänge eingesetzt werden, bei denen es um die Handhabung von Werkstücken und nicht von Werkzeugen geht, wie z. B. bei der Montage, der Bestückung und der Palettierung.

Eine weitere kartesische Robotervariante, die in der Automobilindustrie eingesetzt wird, ist der automatisierte Portalkran. Sie sind unverzichtbar für Befestigungs- und Fügevorgänge, die den Zugang zum Unterboden von unvollständigen Fahrzeugbaugruppen erfordern.

Neue und neuartige Roboteranwendungen in der Automobilproduktion

Zylindrische Roboter sind kompakte und wirtschaftliche Roboter, die eine dreiachsige Positionierung mit einem Drehgelenk an der Basis und zwei linearen Achsen für Höhen- und Armverlängerungen ermöglichen. Sie eignen sich besonders gut für die Maschinenbedienung, die Verpackung und die Palettierung von Automobilteilen.

Die bereits erwähnten kollaborativen Sechs-Achsen-Roboter (Cobots) verfügen über die gleiche grundlegende Gelenkstruktur wie die größeren industriellen Varianten, jedoch mit extrem kompakten und integrierten motorbasierten Antrieben an jedem Gelenk... typischerweise in Form eines Getriebemotors oder einer Direktantriebsoption. In der Automobilbranche werden sie mit dem Schweißen von Halterungen, Befestigungen und geometrisch komplizierten Hilfsrahmen beauftragt. Zu den Vorteilen gehören hohe Präzision und Wiederholbarkeit.

Delta-Roboter haben drei Arme, die über Drehgelenke von der Basis aus betätigt werden - oft an der Decke montiert, um eine hängende Anordnung zu ermöglichen. Jeder Arm hat ein Parallelogramm mit Kardangelenken an seinem Ende, und diese Parallelogramme sind dann alle mit dem Endeffektor verbunden. Dadurch erhält der Delta-Roboter drei translatorische Freiheitsgrade, wobei sich der Endeffektor nie relativ zur Basis dreht. Delta-Roboter können extrem hohe Beschleunigungen erreichen, was sie für Bestückungsvorgänge in Anwendungen, die das Sortieren und die sonstige Handhabung von kleinen Kfz-Befestigungselementen und elektrischen Komponenten beinhalten, sehr effektiv macht.

Stewart-Plattformen (auch Hexapods genannt) bestehen aus einer dreieckigen Basis und einem dreieckigen Endeffektor, die durch sechs lineare Aktuatoren zu einem Oktaeder verbunden sind. Dies führt zu sechs Freiheitsgraden und einer extrem steifen Struktur. Allerdings ist der Bewegungsumfang im Vergleich zur Größe der Struktur relativ begrenzt. Stewart-Plattformen werden für die Bewegungssimulation, die mobile Präzisionsbearbeitung, die Kompensation von Kranbewegungen und die Kompensation von Highspeed-Vibrationen bei Testroutinen in der Präzisionsphysik und Optik eingesetzt, u. a. für die Überprüfung von Fahrzeugaufhängungen.

Automatisch gesteuerte Fahrzeuge (AGVs) folgen festgelegten Routen, die durch auf den Boden gemalte Linien, Drähte auf dem Boden oder andere Leitbaken gekennzeichnet sind. AGVs verfügen in der Regel über ein gewisses Maß an Intelligenz, so dass sie anhalten und starten, um Zusammenstöße untereinander und mit Menschen zu vermeiden. Sie eignen sich hervorragend für Materialtransportaufgaben in der Automobilproduktion.

Autonome mobile Roboter (AMRs) benötigen keine festen Routen und sind in der Lage, ausgefeiltere Entscheidungen zu treffen als AGVs. Besonders nützlich in den weitläufigen Lagerhallen von Automobilherstellern, erreichen diese in der Regel eine freie Navigation mit Hilfe von Laserscannern und Objekterkennungsalgorithmen zur Erfassung ihrer Umgebung. Wenn eine potenzielle Kollision erkannt wird, können AMRs, anstatt wie ein AGV anzuhalten und zu warten, einfach den Kurs ändern und Hindernissen ausweichen. Diese Anpassungsfähigkeit macht AMRs wesentlich produktiver und flexibler in Laderampen von Automobilwerken.

Fazit

Die Automobilindustrie hat in den letzten 30 Jahren massive Innovationen im Bereich der Robotik gesehen, und dieser Trend wird sich mit dem aufkeimenden Markt für Elektrofahrzeuge (EVs) fortsetzen. Die Industrie hat auch begonnen, von neuen Adaptionen von KI und maschineller Bilderfassung zu profitieren, um Roboteranlagen für alle Arten von Anwendungen zu verbessern.