Seit den Anfängen der Systemintegration bei Reis Robotics vor mehr als 20 Jahren hat sich in der Automationsbranche vieles verändert. Innovationen werden sehr stark von den Entwicklungen verschiedener Einzelkomponenten geprägt. Eines der wichtigsten Elemente im Umfeld der Automatisierungstechnik sind die elektrischen Antriebe. Die Ablösung der Gleichstromantriebstechnik durch Drehstrommotoren als Servoantriebe hat die Dynamit und Präzision der Automationsgeräte nachhaltig verbessert - bei annähernd gleichem Preisniveau.

Die nachhaltigsten Innovationen hat es jedoch in der Steuerungstechnik gegeben, aufgrund der rasanten Entwicklung auf dem Gebiet der Chip- und Speichertechnologie sowie bei Meßsystemen. Dem hat auch Reis immer wieder Rechnung getragen. Die RobotStar V ist bereits die fünfte Generation der Robotersteuerungen des Obernburger Spezialisten.

Die Rechenleistung und die Speicherkapazität heute verfügbarer PC-Hardware auf Industriestandard bietet ausreichende Ressourcen für neue rechenzeitintensive Funktionen. Im Vergleich zu Rechnern aus den 80er Jahren ist die Rechenleistung heutiger Steuerungen ungefähr um den Faktor 100 gestiegen. Die verfügbaren Speicherkapazitäten haben sich in diesem Zeitraum sogar um den Faktor 1.000 erhöht. Diese Bausteine bilden die Grundlage für die Entwicklung von Hochleistungssteuerungen für Roboter.

Die Robotersteuerung: Kernstück der Automationszelle
Anfang der 80er Jahre gab es für Roboter Bewegungssteuerungen mit Punkt-zu-Punkt-Funktionalitäten, vor allem für Handhabungsaufgaben oder Punktschweißapplikationen. Im Laufe der Jahre wurden diese Steuerungen so erweitert, daß der Roboter auch programmierte Bahnen, die als Kreissegmente oder als Geraden dargestellt wurden, abfahren konnte. Ebenso wurden Überschleiffunktionen entwickelt für glatte, ruck- und knickfreie Übergänge zwischen den einzelnen (auch längeren) Bahnsegmenten.

Mit speziellen Algorithmen, wie etwa der Spline-Interpolation, können heute beliebige komplexe Konturen einfach und schnell programmiert werden. Bahnschalt-Funktionen erlauben die Ansteuerung von Peripheriegeräten synchron zur Bahnbewegung des Roboters. Dabei wird die reale Position der Bauteile von Sensoren erfaßt und deren Daten nahezu verzögerungsfrei in der Robotersteuerung verarbeitet, um für ein immer optimales Bearbeitungsergebnis die Bahnbewegung der Roboter online korrigieren zu können.

Im Zuge der Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Rechner-Chips war es auch möglich, ohne zusätzliche Hardwarekomponenten SPS-Funktionalitäten direkt in der Robotersteuerung zu realisieren. Die Robotersteuerung kann heute bei mittelgroßen Automationssystemen sogar die gesamte Zellensteuerung übernehmen. Angesichts des erheblichen Kostendrucks, dem die Automatisierungsbranche ausgesetzt ist, bringt diese Zusammenlegung von zwei Steuerungsaufgaben auf einer Hardwareeinheit erhebliche Vorteile.

Eine weitere Kostenreduzierung bei der Systemintegration ist durch den Einsatz von Bus-Systemen erreicht worden. Heute wird die Anbindung zwischen der Zellensteuerung und den Peripheriekomponenten nicht mehr mit binären 24-Volt-Ein- und Ausgangs-Signalen realisiert, sondern auf der Basis von CAN-Bus, Profi-Bus, Interbus-S oder Device-Net. Diese Bus-Systeme übertragen die beliebigen Informationen zwischen der Hauptsteuerung und den Peripherie-Komponenten mit minimalem Verkabelungsaufwand über 2- beziehungsweise 3-Drahtsysteme. Neben den niedrigen Installationskosten gestalten sich bei dieser Technik auch die Inbetriebnahme und die Fehlersuche sehr einfach und kostengünstig.

In Automationssystemen kommt, wie oben schon erwähnt, den Servo-Antrieben eine ganz besondere Bedeutung zu. Die Elektromotoren werden nicht nur im Roboter selbst, sondern auch innerhalb der Peripherie für Zusatzmodule wie Drehtische, Drehmodule oder Dreh-Kippmodule benötigt. Diesen Einheiten dienen innerhalb des Roboterarbeitsraumes der Bereitstellung und optimalen Positionierung der Bauteile während des Bearbeitungspozesses. Andere Peripherieeinheiten, wie zum Beispiel Lineareinheiten oder Portale, sind in der Lage, den gesamten Roboter zu verfahren und mit ihm dadurch einen größeren Arbeitsraum abzudecken.

In der Ansteuerung solcher Peripherieachsen sind die Robotersteuerungen in den letzten beiden Jahrzehnten wesentlich leistungsfähiger geworden. Bei den ersten Generationen war die Robotersteuerung zunächst nur für die sechs Achsen des Knickarmroboters ausgelegt. Die ständigen Anforderungen aus der Systemintegration nach exakt positionierenden peripheren Achsen bewirkten ein „Aufrüsten“ der Robotersteuerungen, so daß ohne nennenswerten Zusatzaufwand Peripherieachsen integriert werden konnten. Diese externen Achsen wurden nicht mehr mit einer separaten SPS-Steuerung und einem Frequenz-Umrichter betrieben, sondern als Servo-Achsen angesteuert, genau wie die Achsen des Roboters.

Hierdurch erreichen Peripherieachsen die gleiche Positioniergenauigkeit wie der Roboter selbst. Weiterhin ist die exakte Synchronisierung der Bewegungen von Roboterachsen und Peripherieachsen einfach realisierbar. Das ist besonders dann von Vorteil, wenn das Bauteil während der Bearbeitung durch den Roboter auf der Zusatzachse bewegt werden muß.

Hinsichtlich der Bedienung und Programmierung hatten die Roboterhersteller in den Anfangsjahren völlig unterschiedliche Konzepte. Zwar gab es (teilweise sehr) kompakte Programmiergeräte. Sie erlaubten jedoch nur einen Teil der Eingriffsmöglichkeiten. Es bedurfte am Schaltschrank immer noch eines zusätzlichen Bildschirms und einer Tastatur, um die Programmierung eines Roboters komplett in der Werkstatt ausführen zu können.

Bei Reis hingegen galt schon immer die Philosophie, daß alle zum Programmieren und Bedienen notwendigen Informationen in der Hand des Einrichters liegen und direkt am Roboter verfügbar sein müssen. Diesem Ansatz entsprechend wurden komfortable Programmierhandgeräte entwickelt, die durch das Drücken von wenigen Tasten mit Menuetechnik die geforderten Funktionen zur Verfügung stellen.

Beim heutigen Programmierhandgerät für die Robotersteuerung RobotStar V sind sogar alle Bedienelemente, wie etwa die Schalter zur Aktivierung der Antriebe und so weiter, die früher am Bedienfeld des Schaltschrankes angebracht waren, direkt in das Programmierhandgerät integriert. Über dessen farbiges Grafik-Display erhält der Einrichter alle erforderlichen Informationen.

Roboter als Baureihen
Zur Realisierung von maßgeschneiderten Automatisierungsprojekten werden je nach Aufgabenstellung Roboter mit unterschiedlichem kinematischem Aufbau sowie unterschiedlichen Handhabungsgewichten und Reichweiten benötigt. Für Reis Robotics war es im Zuge der immer stärker werdenden Konzentration auf das Systemgeschäft notwendig, ein breit gefächertes Roboterprogramm anbieten zu können. Deshalb wurden parallel zur Entwicklung der Robotersteuerung komplette Roboterbaureihen mit Handhabungsgewichten von vier bis zu 300 Kilo entwickelt. Sowohl bei den Vertikal-Knickarm-Robotern als auch bei Horizontal-Knickarm-Robotern gibt es Geräte in diesem Traglastbereich in sechs beziehungsweise zehn verschiedenen Typen mit unterschiedlichen Reichweiten.

Wenn die Aufgabenstellung größere Arbeitsräume oder die Verkettung von mehreren Stationen erfordert, ist die Linearroboter-Kinematik vorteilhaft, da hier die Hübe beliebig vergrößert werden können. Auch diese Roboterfamilie gibt es bei Reis mit Handhabungsgewichten von sechs bis zu 300 Kilo, sowohl in Halbportal- als auch in Portalbauweise. Sofern der Linearroboter für Bearbeitungsaufgaben zusätzliche Freiheitsgrade benötigt, können drei Kopfachsen adaptiert werden, um Bewegungsmöglichkeiten wie ein Sechs-Achsen-Roboter zu haben.

Bei Reis sind alle Robotertypen mit der gleichen Steuerungs- und Antriebstechnik ausgerüstet. Dies ist für die Systemintegration von großem Vorteil, besonders dann, wenn für eine Aufgabenstellung die Kombination von unterschiedlichen Robotertypen benötigt wird. Ebenso sind die Antriebselemente der Peripheriemodule in der gleichen Art ausgeführt wie die Roboterachsen und können so direkt in der Robotersteuerung mitprogrammiert werden. Solches senkt natürlich auch den Zeitaufwand bei der Inbetriebnahme und Wartung.

Für spezielle Aufgabenstellungen haben sich in den letzten Jahren auch Sonderkinematiken am Markt durchgesetzt. Ein Beispiel hierfür ist die Kombination der Achse 1 eines Linearroboters mit den Achsen 2 bis 6 eines Knickarm-Roboters. Diese Hybrid-Kinematik bietet sich besonders für Einlege- und Entnahmeoperationen an Spritzgieß- oder CNC-Maschinen an. Aufgrund der hängenden Anordnung ist vor der Maschine der Zugang für den Bediener gewährleistet. Andererseits kann der Arbeitsraum durch die Linearroboter-Achse beliebig verlängert werden, um zusätzliche Arbeitsschritte direkt neben der Maschine ausführen zu können.

Viele Anwendungen erfordern auch die Anpassung des Roboter auf eine spezielle Applikation. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Laserbearbeitung, für die der Laser direkt auf dem Roboterarm montiert wird. Für die optimale Zugänglichkeit des Laserstrahls zum Bauteil wird dieser in den Achsen 3 bis 6 innerhalb des Roboterarmes geführt, so daß der Fokuspunkt zum Schweißen oder Schneiden ideal zum Handgelenk liegt. Laserroboter werden heute in hohen Stückzahlen eingesetzt, um den Konturbeschnitt bei Textil-Kunststoffteilen auszuführen. In ähnlicher Weise gibt es spezielle Roboterlösungen für Aufgabenstellungen beim Wasserstrahlschneiden.

Prozeßdatenüberwachung und TeleControl
Obwohl heute noch immer die Mehrzahl der in Deutschland eingesetzten Roboter in Handhabungs- und Punktschweiß-Applikationen arbeiten, haben sich die Schwerpunkte neuer Roboteranwendungen immer stärker zu komplexeren Aufgabenstellungen verschoben, wie etwa die Teilebearbeitung und Montage. Diese Anwendungen erfordern zumeist hochpräzise Bahnbewegungen des Roboters, wobei die Qualität der Bearbeitungsprozesse ständig überwacht werden soll. Robotersteuerungen übernehmen diese Überwachung und senden die erfaßten Daten zu übergeordneten Rechnersystemen. So wird der vorgeschriebenen Qualitätsdokumentation bei Sicherheitsteilen direkt an der Produktionszelle Rechnung getragen, ohne zusätzliche Steuerungskomponenten einsetzen zu müssen.

Die Produktivität einer Automationszelle hängt auch ganz entscheidend von der erreichbaren Verfügbarkeit ab. Seit den Anfängen der Robotertechnologie wurden gerade bezüglich der Ausfallzeit einzelner Automatisierungs-Komponenten immense Fortschritte gemacht. Nicht selten jedoch sind Stillstände durch unzureichendes Training des vor Ort verfügbaren Instandhaltungspersonals bedingt. Aus diesem Grund sind bei Reis Kommunikations-Schnittstellen entwickelt worden, die es dem Servicespezialisten erlauben, sich bei Steuerungsproblemen via TeleControl, zum Beispiel über das Internet, mit der Steuerung in Verbindung zu setzen.

Die Steuerung RobotStar V bietet neben dieser Möglichkeit selbstverständlich auch Logbuchfunktionen und Trace-Speicher, um steuerungsinterne Signale kontinuierlich aufzuzeichnen. Diese Informationen werden im Fehlerfall ausgelesen, um die „Vorgeschichte“ nachzuvollziehen, zusätzliche Informationen über die Fehlerursache zu erhalten und sie gezielt zu beheben. Somit wird nicht nur die Stillstandszeit der Anlage möglichst gering gehalten. Es entstehen auch keine nennenswerten Kosten für die Unterstützung des Kunden vor Ort.

Die relativ hochgesteckten Sicherheitsanforderungen in Europa machen einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten eines Automationssystems aus. Zum Schutz des Bedienpersonals und von Maschinenkomponenten sind Schutzgitter und optische Sicherheitssysteme wie Lichtschranken und Laserscanner vorgeschrieben, Trittschutzmatten und so weiter.

Sofern mehrere Bearbeitungsstationen in einer Roboterzelle angeordnet sind, und der Bediener dort zeitweise Zutritt hat, müssen die Sicherheitseinrichtungen in Abhängigkeit von der Position des Roboters aktiviert oder freigeschaltet werden; mit Nockenbahnen, die mit zwei Schaltern je Bahn ausgerüstet sind. Je zahlreicher die installierten Komponenten sind, um so erheblicher die Kosten für diese Nockenschaltwerke und für deren Montage und Einstellung.

Mit dem Safety-Controller von Reis Robotics kann auf Nockenschaltwerke komplett verzichtet werden, da sich mit einer Software-Lösung eine gleichwertige Sicherheit erreichen läßt.

In Verbindung mit dem Resolver-Meß-System wird das Positionssignal zweikanalig erfaßt und im speziell für die Sicherheitsüberwachung entwickelten Reis-Safety-Controller weiterverarbeitet. Dieser ist mit zwei unterschiedlichen Rechnern aufgebaut. Beide verarbeiten die vom Meßsystem gelieferten Informationen und überprüfen sich gegenseitig. In Verbindung mit dem programmierbaren Safety-Controller werden ausschließlich die Meßsignale vom Motor verwendet und hieraus die Nockeninformationen softwaretechnisch nachgebildet.

Die Sicherheitssteuerung ermöglicht es, Arbeitsräume des Roboters beliebig zu konfigurieren. Auf der Software-Ebene können die zulässigen Bereiche des Arbeitsraumes ebenso definiert werden wie die Sicherheitsbereiche. Verletzt der Roboter diese, wird ein Not-Aus ausgelöst. So ist nicht nur das erforderliche Niveau für Maschinensicherheit erreicht, sondern sogar das für Personensicherheit.

Besonders vorteilhaft wird die Sicherheitssteuerung in Verbindung mit Knickarmrobotern, da in diesem Fall die Nockenbahnen konstruktiv als Kreissegemente auszuführen und damit nur kugelförmige Arbeitsraum-Beschränkungen möglich sind. Die Definition des zulässigen Arbeitsraumes mit Hilfe des Safety-Controllers erlaubt die Programmierung von Ebenen als Arbeitsraumgrenzen, zum Beispiel unmittelbar vor einem Schutzzaun. Außerdem können jederzeit die Geschwindigkeiten des Roboters überwacht werden.

Mit dem Safety-Controller ist es sogar zulässig, daß sich im Automatikbetrieb der Werker, beispielsweise um einen Bearbeitungsprozeß zu beobachten, in einer Roboterzelle aufhält, ohne die Sicherheitsvorschriften zu verletzen.

Anlagenkonzepte im Wandel der Zeit
Die Anlagenkonzepte sind durch die stark verbesserte Leistungsfähigkeit der Einzelkomponenten nicht wesentlich beeinflußt worden. Je nach Aufgabenstellung werden Automationszellen, heute wie früher, in den verschiedensten Konfigurationen realisiert. Fertigungseinheiten mit in einer Linie angeordneten Robotern sind so ausgeführt, daß Förderbänder oder Linearroboter den Materialtransport übernehmen. In anderen Lösungen werden die Roboter kreisförmig um einen Takt-Tisch plaziert und die Bauteile in Spannvorrichtungen von Station zu Station getaktet.

Oft erhalten jedoch kompakte Fertigungseinheiten in Kabinenform den Vorzug vor starr verketteten, komplexen Anlagen. Diese Kompakteinheiten sind wesentlich flexibler bei der Anpassung der Fertigungskapazitäten und bei der Umrüstung auf andere, ähnliche Aufgabenstellungen. Die Kabinenform bietet darüber hinaus weitere Vorteile, die Randbedingungen des jeweiligen Bearbeitungsprozesses betreffend. So kann bei Schweiß- oder Laser-Schneidanlagen das Rauchgas innerhalb der Kabine optimal abgesaugt und gleichzeitig der Prozeß nach außen abgeschottet werden. Beim roboterbasierten Entgraten bringt die Kabinenlösung zusätzlich Schallschutzvorteile.

Grundsätzlich werden Automationsanlagen heute wesentlich kompakter realisiert, das heißt, auf der gleichen Fläche wie noch vor Jahren werden mehr (zusätzliche) Arbeitsgänge ausgeführt. Dies ist oft erst möglich durch Spezialkinematiken, durch die Funktionalitäten des Safety-Controllers beziehungsweise durch spezielle Steuerungsfunktionen zu Absicherung zwischen den Robotern.

Die Realisierung von sehr kompakten Automationsanlagen verlangt bereits in der Planungsphase eine detaillierte Simulation des gesamten Arbeitsablaufes innerhalb der Zelle. Mit diesem zusätzlichen Planungsschritt ist die kollisionsfreie Zugänglichkeit des robotergeführten Werkzeuges zum Bauteil und den peripheren Komponenten sichergestellt. Je kompakter eine Zelle aufgebaut ist, um so wichtiger wird diese Überprüfung während der Projektierung.

Aufbauend auf der simulierten Automationszelle kann anschließend mit dem Offline-Programmiersystem ProSim von Reis auch die Offline-Programmierung am PC ausgeführt werden. In Verbindung mit ihr kommt der Integration von Sensorik zur Bewegungs- und Positionskorrektur eine große Bedeutung zu. Hier sind die Erwartungen jedoch noch nicht dem gerecht geworden, was man sich bereits vor nahezu 20 Jahren vorgenommen hatte.

Ein typisches Beispiel hierfür ist „der Griff in die Kiste“, gesteuert von einem Visionsystem. Schon Mitte der 80er Jahre strebte man an, völlig unsortiert bereitgestellte Bauteile durch einen Roboter so ordnen zu lassen, daß sie einem nachfolgenden Produktionsprozeß zugeführt werden können. Der Ansatz war gut, im Laufe der Jahre mußten die Systemintegratoren jedoch erkennen, daß der Aufwand für die Bildverarbeitung und die reproduzierbare Beleuchtung extrem ansteigt, wenn man die in der Industrie üblichen Verfügbarkeiten solcher Sortiersysteme erreichen will. Daher gibt es bisher auch nur eine überschaubare Anzahl von Systemen, bei denen der Griff in die Kiste im industriellen Umfeld praktiziert wird.

Grundsätzlich jedoch haben Sensorensysteme mit flächiger Bildverarbeitung oder Laserscanner in Verbindung mit Robotern heute bereits einen beachtlichen Marktanteil erreicht. Für die Konturverfolgung, für Erkennung von unterschiedlichen Teiletypen oder für die Qualitätskontrolle innerhalb einer Roboterzelle, aber auch für neue Konzepte der Sicherheitstechnik werden diese Sensoren zukünftig in steigendem Maße Anwendung in Automationszellen finden.