Obwohl die Pandemie die allgemeinen Markttrends beeinträchtigt hat, ist die Nachfrage nach Robotern weiter gestiegen. Ein wesentlicher Faktor dafür ist, dass Unternehmen Investitionen in Robotik als Lösung gesehen haben, um die Produktion aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den Schutz ihrer Mitarbeiter vor Infektionen zu gewährleisten. Dieser Trend dürfte sich fortsetzen. Fortune Business Insights bezifferte den Gesamtmarkt für Industrieroboter im Jahr 2020 auf 14,6 Milliarden US-Dollar und prognostiziert für den Zeitraum 2021–2028 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von über 10 %.
Industrieroboter gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen für unterschiedlichste Aufgaben. Am einen Ende des Spektrums stehen große Maschinen, die schwere Gegenstände heben und Hochgeschwindigkeitsprozesse durchführen und in Bereichen eingesetzt werden, die aus Sicherheitsgründen für Menschen unzugänglich sind. Am anderen Ende arbeiten kollaborative Desktop-Roboter (Cobots) mit menschlichen Arbeitskräften zusammen und übernehmen repetitive, anspruchsvolle oder zeitkritische Aufgaben.
Zwischen diesen beiden Extremen automatisieren Roboter, die Lasten von wenigen Gramm bis zu rund 50 kg handhaben können, eine Vielzahl von Prozessen, die das wiederholte Aufnehmen, Bewegen und Platzieren von Gegenständen umfassen. Typischerweise streben Anwender danach, Geschwindigkeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu erhöhen oder den menschlichen Kontakt mit Gegenständen wie Lebensmitteln oder sterilen Materialien zu vermeiden. Unter diesen Robotern findet der SCARA-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm) breite Anwendung in industriellen Automatisierungsprojekten.
SCARA-Roboter sind eine ausgereifte und kostengünstige Technologie. Sie lassen sich einzeln oder in Gruppen mit anderen SCARA-Robotern oder mit verschiedenen Robotertypen wie kartesischen, einachsigen und mehrachsigen Robotern einsetzen (Abbildung 1). Darüber hinaus integrieren sie sich optimal in die Lineartransportmodule LCMR200 von Yamaha, die einen flexiblen Werkstücktransport ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Band- und Rollenförderern werden diese Module wie andere Roboter programmiert und gesteuert, um eine vollständig integrierte und koordinierte Roboter-Montagezelle zu schaffen.
Eine genauere Betrachtung der neuesten Generationen von SCARA-Robotern zeigt, wie sich diese Maschinen ständig weiterentwickeln, um den Anforderungen der modernen Fertigung gerecht zu werden.
Abbildung 1. SCARA-Maschine in einer gemischten Robotereinheit mit programmierbaren modularen Förderbändern.
Der SCARA-Vorteil:
Auf den ersten Blick unterscheiden sich heutige SCARA-Roboter kaum von den ersten Generationen dieser Art. Wie ihre Vorgänger zeichnen sie sich durch einen zweigliedrigen Gelenkarm aus, der sich in einer Ebene bewegt. Während Science-Fiction-Filme und frühe Cobots wie Baxter humanoide Formen aufwiesen, hat SCARA seine anhaltende Exzellenz in der Nachahmung des menschlichen Arms bewiesen: Er kann unabhängig und gleichzeitig aus- und einfahren sowie um die Schulter- und Ellenbogenachse rotieren. Er kann sich innerhalb des durch die maximale Ausdehnung der beiden Glieder definierten Bereichs an unzählige Positionen bewegen und auch in geschlossene Bereiche vordringen.
Dank dieser Flexibilität können SCARA-Roboter eine breite Palette von Operationen durchführen, wie z. B. das Bewegen von Objekten von einem Ort zum anderen, das Aufnehmen und Platzieren oder Positionieren von Bauteilen in Baugruppen und das Ausführen von Prozessen wie Verschrauben, Dosieren und Gravieren.
Neben ihrer hohen Flexibilität zeichnen sich SCARA-Roboter durch Genauigkeit und Präzision aus, die es ihnen ermöglichen, anspruchsvolle industrielle Aufgaben zu bewältigen und eine außergewöhnliche Wiederholgenauigkeit zu bieten. Die kostengünstige und leistungsstarke YK-XE-Familie von Yamaha, die Nutzlasten zwischen 4 und 10 kg handhabt, umfasst Modelle mit einer spezifizierten Wiederholgenauigkeit von nur ±0,01 mm auf der X-, Y- und Z-Achse sowie ±0,01° in der Rotation. Der YK710XE bildet hier eine Ausnahme. Mit dem längsten Arm der Familie von 710 mm erreicht er eine Wiederholgenauigkeit von ±0,02 mm auf der X- und Y-Achse. Dank ihrer Genauigkeit und Präzision eignen sich diese Roboter für Aufgaben wie das Platzieren kleinster mechanischer Bauteile, beispielsweise kleiner Federn oder Unterlegscheiben, oder das Aufnehmen und Platzieren von SMD-Bauteilen. Ihre Traglastkapazität ermöglicht zudem den Einsatz zum Transportieren oder Montieren schwerer Teile, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie verwendet werden.
Es scheint der perfekte Roboter zu sein, bereit, monotone und sich wiederholende Aufgaben in Prozesse zu verwandeln, die Unternehmen, die in ihn investieren, einen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Roboter können schneller, länger und mit weniger Fehlern arbeiten als menschliche Arbeitskräfte, wodurch menschliche Fähigkeiten – extreme Geschicklichkeit, Problemlösungskompetenz und Kreativität – in anderen Bereichen effektiver eingesetzt werden können. Doch es gibt immer Verbesserungspotenzial bei Maschinen, beispielsweise hinsichtlich Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit.
Bewegungssteuerung:
Die neueste Generation der YK-XE SCARA-Roboter von Yamaha ist mit einer neuen, leichten Spindeleinheit und einer optimierten Bewegungssteuerung ausgestattet, die für schnellere Beschleunigung und geringere Vibrationen sorgt. Die von Yamaha für seine SCARA-Maschinen entwickelten Steuerungsstrategien optimieren automatisch die lineare und Winkelbeschleunigung unter Berücksichtigung der Armausrichtung und der Trägheit der Nutzlast, um das Spitzendrehmoment zu begrenzen, übermäßige Vibrationen zu vermeiden und die Steuerbarkeit zu verbessern. Dies trägt nicht nur zur Minimierung der Zykluszeit bei, sondern reduziert auch die mechanische Belastung und erhöht somit die Zuverlässigkeit.
Robotervision:
Dank ihrer präzisen Bewegungssteuerung steigern SCARA-Roboter die Produktivität zahlreicher industrieller Prozesse. Die Integration eines Bildverarbeitungssystems erweitert die Einsatzmöglichkeiten der Maschinen und ermöglicht Funktionen wie die Verfolgung von Förderbändern, die Positionserkennung und die Positionskompensation. Dadurch wird die Genauigkeit von Prozessen wie dem Auftragen von Klebstoff oder Dichtstoff an Kanten von Baugruppen oder dem Anbringen von Etiketten auf unregelmäßig positionierten Bauteilen auf einem Untergrund verbessert.
Das Bildverarbeitungssystem RCXiVY2+ von Yamaha (Abbildung 2) besteht aus einer Bildverarbeitungskarte, einer Beleuchtungskarte und einer Tracking-Karte, die in die Mehrachsen-Robotersteuerung der RCX3-Serie integriert sind. Dadurch werden Robotersteuerung, Bildverarbeitung, Lichtsteuerung und die Verarbeitung der für die Förderbandverfolgung benötigten Daten direkt im Roboterprogramm gesteuert, was die Rüstzeiten der Anlage deutlich reduziert.
Abbildung 2. SCARA-Roboter, ausgestattet mit einer Kamera für das iVY2+ Bildverarbeitungssystem.
Das RCXiVY2+-System verfügt über eine neue Punkterkennungsfunktion, die Werkstücke zwei- bis zehnmal schneller erkennt als die bisherige Kantenerkennung. Dadurch können Roboter mehrere Objekte mit unbestimmter Form und Größe, wie beispielsweise Lebensmittel und Kleidung, in hoher Geschwindigkeit erkennen, greifen und zählen.
Programmiersoftware:
Die funktionsreichen Softwaretools des Herstellers vereinfachen und beschleunigen die Roboterprogrammierung und -konfiguration, sowohl für einzelne Roboter als auch für Montagezellen. Yamahas RCX-Studio 2020-Umgebung bietet Werkzeuge für die Roboterverwaltung von der Einrichtung bis zur Wartung und enthält nun Assistenten zur automatischen Generierung von Beispielanwendungen. Diese sofort einsatzbereiten Vorlagen ermöglichen die einfache Programmierung gängiger Aktionen wie Pick-and-Place, Palettierung und Förderbandverfolgung, einschließlich bildverarbeitungsbasierter Prozesse, ohne dass Befehle geschrieben werden müssen.
Zusätzlich stehen Tools wie ein Emulator, ein Zykluszeitrechner und Echtzeit-Grafikfunktionen zur Verfügung. Eine weitere Neuerung ist der 3D-Simulator zum Offline-Prüfen, Debuggen und Optimieren von Programmen. Zu den im Simulator verfügbaren Tools gehören die Trajektorienvisualisierung, mit der Bediener Roboterbewegungen auswerten können, sowie die Kollisionsprüfung, um Zusammenstöße mit anderen Robotern oder Peripheriegeräten zu vermeiden. Bis zu vier Roboter lassen sich gleichzeitig simulieren und aus verschiedenen Blickwinkeln beobachten. Dank des Simulators können Roboterpositionen, Aktionsabläufe und optimale Geschwindigkeitseinstellungen schnell ermittelt werden, bevor die eigentliche Installation beginnt. Dies spart viel kostspieliges Ausprobieren, insbesondere beim Einrichten einer Montagezelle mit mehreren Robotern, und ermöglicht einen früheren Produktionsstart.
Fazit:
SCARA-Roboter sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet und zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und außergewöhnliche Genauigkeit aus. Die neuesten Generationen verbessern diese bewährten Eigenschaften kontinuierlich. Da die Wirtschaftlichkeit der Automatisierung immer attraktiver wird, stehen Unternehmen, die Robotik in ihre Prozesse integrieren möchten, mehr Optionen denn je zur Verfügung. Der SCARA-Roboter wird stetig weiterentwickelt und bietet mit jeder neuen Generation neue Vorteile. So entsteht eine kostengünstigere und zugänglichere Lösung mit zusätzlichen Funktionen, kürzeren Zykluszeiten, höherer Genauigkeit, Zuverlässigkeit sowie einfacherer Bedienung und Programmierung.
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