Kapitel 3 : Industrieroboter
Ein Robotersystem, das in der Produktion eingesetzt wird, wird als Industrieroboter bezeichnet. Automatisierung, Programmierbarkeit und die Fähigkeit, sich in drei oder mehr Achsen bewegen zu können, sind charakteristische Merkmale von Industrierobotern.
Roboter werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Schweißen, Lackieren, Montieren, Demontieren, Aufnehmen und Platzieren von Leiterplatten, Verpacken und Etikettieren, Palettieren, Produktinspektion und Prüfung; All diese Aufgaben erfordern ein hohes Maß an Ausdauer, Geschwindigkeit und Genauigkeit. Sie sind in der Lage, Unterstützung bei der Materialhandhabung zu leisten.
Nach Schätzungen der International Federation of Robotics werden im Jahr 2020 weltweit rund 1,64 Millionen Industrieroboter im Einsatz sein. (IFR). Heutzutage nutzen die Menschen eine bestimmte Art von Technologie, die als Roboter bekannt ist. Roboter haben ihren Weg in eine Vielzahl von Bereichen gefunden, darunter Landwirtschaft, Fertigung, Medizin, Technologie und sogar Reisen.
Industrieroboter lassen sich in sechs verschiedene Kategorien einteilen.
Roboter mit Gelenken Ihre Gelenke sind aufgrund ihrer Gelenke, die mehrere Freiheitsgrade haben, in der Lage, einen breiten Bewegungsradius zu haben.
Kartesische Roboter verfügen über drei prismatische Gelenke, um das Werkzeug zu bewegen, und drei Drehgelenke, um es im Raum auszurichten. Zusammen bilden diese sechs Gelenke die Vierheit des Roboters.
Ein solcher Roboter muss sechs Achsen haben, um das Effektororgan in alle Richtungen (oder Freiheitsgrade) bewegen und positionieren zu können. In einer Umgebung mit nur zwei Dimensionen reicht es aus, drei Achsen zu haben: zwei für die Bestimmung der Verschiebung und eine für die Bestimmung der Ausrichtung.
Die Roboter, die zylindrische Koordinaten verwenden
Roboter, die in einem sphärischen Koordinatensystem arbeiten, können nur rotierende Gelenke haben.
Am Effektor des SCARA-Systems sind rotierende Wellen vertikal angeordnet.
SCARA-Roboter werden für Aufgaben eingesetzt, die präzise seitliche Bewegungen erfordern. Sie eignen sich gut für Situationen, in denen eine Montage erforderlich ist.
Delta-Roboter: Sie bestehen aus parallelen Verbindungen, die alle mit derselben Basis verbunden sind. Delta-Roboter sind sehr hilfreich für Arbeiten, die eine direkte Steuerung erfordern, sowie für solche, die ein hohes Maß an Manövrierfähigkeit erfordern (z. B. schnelle Pick-and-Place-Aufgaben). Delta-Roboter kommen mit Vier-Stangen- oder Parallelogramm-Gestängesystemen zum Einsatz.
Darüber hinaus können Industrieroboter entweder eine serielle oder eine parallele Architektur haben.
Serielle Architekturen, besser bekannt als serielle Manipulatoren, sind die beliebteste Art von Industrierobotern. Ihre Konstruktion besteht aus einer Reihe von Gliedern, die durch motorisch betätigte Gelenke verbunden sind und sich von einer Basis bis zu einem Endeffektor erstrecken. Das SCARA-System und die Stanford-Manipulatoren sind zwei Beispiele, die für diese Gruppe charakteristisch sind.
Im Gegensatz zu einem seriellen Manipulator ist ein Parallelmanipulator so konstruiert, dass jede Kette oft eher kurz und geradlinig ist und dadurch steif und resistent gegen unerwünschte Bewegungen sein kann. Die Fehler, die bei der Platzierung einer Kette auftreten, werden in Kombination mit den Fehlern, die bei der Positionierung der anderen Ketten auftreten, gemittelt, anstatt kumuliert zu werden. In einem parallelen Roboter muss sich jeder Aktuator immer noch innerhalb seines eigenen Freiheitsgrades bewegen, genau wie bei einem seriellen Roboter; Die außeraxiale Flexibilität einer Verbindung wird jedoch auch durch die Wirkung der anderen Ketten eingeschränkt. Dies steht im Gegensatz zu einem seriellen Roboter, der nur einen Freiheitsgrad pro Aktuator hat. Im Gegensatz zu einer seriellen Kette, die mit zunehmender Hinzufügung von Bauteilen allmählich an Steifigkeit verliert, trägt die Steifigkeit eines Parallelmanipulators zur Gesamtsteifigkeit des Geräts als Ganzes im Vergleich zu seinen einzelnen Komponenten bei.
Ein Gegenstand kann mit bis zu sechs verschiedenen Freiheitsgraden unter Verwendung eines vollständigen parallelen Manipulators (DoF) verschoben werden, der durch drei Translationskoordinaten (drei T) und drei Rotationskoordinaten (drei R) definiert ist, um eine vollständige 3T3R-Mobilität zu gewährleisten.
Wann immer jedoch eine Manipulation weniger als 6 Freiheitsgrade erfordert, kann die Verwendung von Manipulatoren mit einem reduzierten Bewegungsniveau und weniger als 6 Freiheitsgraden Vorteile in Bezug auf ein einfacheres architektonisches Design, eine einfachere Steuerung, eine schnellere Bewegung und zu geringeren Kosten bieten.
Nehmen wir zum Beispiel:
Der Delta-Roboter mit drei Freiheitsgraden, der eine reduzierte dreidimensionale Mobilität aufweist, hat sich als besonders nützlich für Anwendungen erwiesen, die eine schnelle Bestückung und Verschiebung erfordern.
Der Arbeitsbereich von Manipulatoren mit geringerer Mobilität kann in "Bewegungs"- und "Zwangs"-Unterräume zerlegt werden.
Nehmen wir zum Beispiel:
Der Bewegungsunterraum des Delta-Roboters mit drei Freiheitsgraden (DoF) besteht aus drei Positionskoordinaten, während der Constraint-Unterraum aus drei Orientierungskoordinaten besteht.
Der Bewegungsunterraum von Manipulatoren mit geringerer Mobilität kann weiter in unabhängige (erwünschte) und abhängige (begleitende) Unterräume zerlegt werden: bestehend aus 'begleitender' oder 'parasitärer' Bewegung, die eine unerwünschte Bewegung des Manipulators ist.
Bei der Entwicklung effektiver Manipulatoren mit geringerer Mobilität ist es zwingend erforderlich, dass die handlungsunfähigen Effekte der gleichzeitigen Bewegung reduziert oder ganz beseitigt werden.
Nehmen wir zum Beispiel:
Da sich der Endeffektor des Delta-Roboters nicht dreht, hat diese Maschine keine parasitäre Bewegung.
Es gibt ein Spektrum von Autonomiegraden, die bei Robotern vorhanden sind. Einige Roboter können so programmiert sein, dass sie immer wieder die gleichen Tätigkeiten ausführen (bekannt als sich wiederholende Aktionen), mit wenig bis gar keiner Variation und einem hohen Maß an Präzision. Diese Aktivitäten werden durch programmierte Routinen geregelt, die die Richtung, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Verzögerung einer Abfolge koordinierter Bewegungen beschreiben. Der Abstand zwischen den einzelnen Bewegungen in der Reihe wird ebenfalls angegeben.
Andere Roboter haben ein viel höheres Maß an Anpassungsfähigkeit in Bezug auf die Ausrichtung des Objekts, an dem sie arbeiten, oder sogar die Aufgabe, die am Objekt selbst ausgeführt werden muss, das der Roboter möglicherweise sogar identifizieren muss. Diese anderen Roboter werden mit viel größerer Wahrscheinlichkeit in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt. So sind beispielsweise Subsysteme für die industrielle Bildverarbeitung, die als visuelle Sensoren des Roboters fungieren und entweder mit hochentwickelten Computern oder Steuerungen gekoppelt sind, häufig in Robotern enthalten, damit sie eine genauere Führung ermöglichen können. Der Grad der künstlichen Intelligenz, oder zumindest alles, was als solche durchgehen kann, wird in den heutigen hochentwickelten Industrierobotern zu einem immer wichtigeren Aspekt.
"Bill" Griffith P. Taylor stellte 1937 den ersten bekannten Industrieroboter fertig, der im März 1938 im Meccano Magazine veröffentlicht wurde. Dieser Roboter war der erste, der der ISO-Definition eines Industrieroboters entsprach. Die Meccano-Stücke wurden fast ausschließlich für den Bau der kranartigen Vorrichtung verwendet, die von einem einzigen Elektromotor angetrieben wurde. Er war in der Lage, sich entlang jeder der fünf Achsen zu bewegen, einschließlich Greifen und Drehen während des Greifens. Es war möglich, die Bewegung der Steuerhebel des Krans zu automatisieren, indem Lochstreifen verwendet wurden, um die Magnete mit Energie zu versorgen, was eine Automatisierung ermöglichte. Der Roboter war in der Lage, Holzblöcke in einer Vielzahl von vorprogrammierten Konfigurationen zu stapeln. Auf einem Blatt Millimeterpapier wurden zunächst die beabsichtigten Bewegungen mit der benötigten Anzahl von Motorumdrehungen gezeichnet. Danach wurden die Informationen auf das Papierband kopiert, das ebenfalls von einem einzigen Motor angetrieben wurde, der sich im Inneren des Roboters befand. Im Jahr 1997 konstruierte Chris Shute eine exakte Kopie des Roboters von Grund auf.
1954 reichte George Devol eine Anmeldung für die ersten Robotikpatente ein (erteilt 1961). Unimation, das 1956 von Devol und Joseph F. Engelberger gegründet wurde, gilt als das erste Unternehmen, das einen Roboter in Serie produzierte. Einheitsroboter waren zu einem bestimmten Zeitpunkt auch als programmierte Transfermaschinen bekannt. Dies lag an der Tatsache, dass ihre Hauptfunktion zu dieser Zeit darin bestand, Dinge von einem Ort zum anderen zu bewegen, der kaum mehr als ein paar Dutzend Meter entfernt war. Sie wurden in gemeinsamen Koordinaten programmiert und mit hydraulischen Aktuatoren ausgestattet. Das bedeutete, dass die Winkel der verschiedenen Gelenke während einer Trainingszeit gespeichert und dann im Betrieb des Roboters wiedergegeben wurden. Sie waren auf höchstens 1/10.000 Zoll genau (Hinweis: Obwohl Genauigkeit kein geeignetes Maß für Roboter ist, wird normalerweise in Bezug auf die Wiederholbarkeit bewertet - siehe später). Später lizenzierte Unimation seine Technologie an Kawasaki Heavy Industries und GKN, die jeweils Unimates in Japan und England herstellten. Die in Ohio ansässige Cincinnati Milacron Inc....
