Knickarmroboter

Knickarmroboter, auch Gelenkarmroboter, sind Industrieroboter mit seriell angeordneten Armgliedern. Ihre Beweglichkeit erlaubt dichte Zellenlayouts und komplexe Trajektorien ohne starre Führungen und deckt Kleinteilemanipulation bis Schwerlast ab, sie bilden die Basis moderner Automatisierungslinien.

Grundlagen und Funktionsweise

Definition und kinematische Merkmale

Ein Gelenkarm besitzt typischerweise sechs Achsen: Basis, Schulter und Ellbogen positionieren den Werkzeugflansch, drei Handgelenksachsen orientieren das Werkzeug. Die serielle Kette aus steifen Segmenten umläuft Hindernisse und erreicht verwinkelte Lagen, der Arbeitsraum ist groß und Bewegungen sind fein aufgelöst.

Steuerung der Achsbewegungen

Leistungsfähige Servoantriebe und Regler koordinieren die Gelenke in Echtzeit. Die Software berechnet inverse Kinematik, Bahnplanung und Kraftüberlagerung und berücksichtigt Trägheiten, Reibung und elastische Glieder. Hohe Dynamik entsteht durch abgestimmte Beschleunigungsprofile und vorausschauende Kollisionsvermeidung, die Soll und Ist stabil und präzise hält.

Leistungsparameter und technische Kennzahlen

Die Wiederholgenauigkeit liegt je nach Baugröße gemäß ISO 9283 bei ±0,02–±0,1 mm, die Bahngenauigkeit beschreibt die Abweichung entlang der programmierten Kurve. Achsen erreichen bis 360°/s, die TCP-Geschwindigkeit 10–15 m/s. In schnellen Zellen bindet der Werkzeugwechsel teils ein Drittel der Zykluszeit, thermische Drift verursacht kleine Ungenauigkeiten.

Für staubige oder feuchte Umgebungen geben IP-Codes die Schutzart nach EN 60529 an, üblich sind IP54 bis IP67. Betriebstemperaturen liegen meist zwischen 5 °C und 45 °C, Spezialausführungen erweitern den Bereich. Dichtungen, Faltenbälge und korrosionsfeste Beschichtungen sichern Dichtigkeit bei Feuchtigkeit und abrasiven Medien.

Kriterien und Robotertypen im Vergleich

Gelenkarmroboter fahren freie Raumtrajektorien, Portalroboter kartesische Wege mit Steifigkeitsvorteil. Für reine Positionieraufgaben ist ein Portal kinematisch transparenter, jedoch weniger flexibel bei verwinkelten Punkten. In kollaborativen Szenarien begrenzen Sicherheitsfunktionen die Bahngeschwindigkeit, zaungesicherte Zellen sind auf hohe Durchsätze ausgelegt.

Die Sicherheitsarchitektur umfasst sichere Stillstände, sichere Geschwindigkeiten und zonenbasierte Überwachung. Parameter und Grenzwerte werden im Sicherheitsprojekt dokumentiert und durch Validierungsmessungen nachgewiesen.

Typische Anwendungen in der Automatisierung

• Maschinenbeladung/-entladung: Bei Dreh- und Fräszentren führt der Roboter Werkstücke taktgenau dem Spannfutter zu, der Arbeitspunkt wird kollisionsfrei angefahren, auch bei eingeschränktem Zugang durch Spannmittel und Türen.
• Palettieren und Depalettieren: Variable Lagenbilder entstehen durch programmierte Greifmuster und lagebasierte Anfahrstrategien, Vision-Systeme ergänzen die Lageerkennung unterschiedlich markierter Kartons.
• Kommissionierung: Parallel arbeitende Achsen beschleunigen Pick-and-Place, Verwechslungen werden durch Barcodes, Kameraabgleich und Gewichtssensoren reduziert.

• Schweißen, Kleben, Lackieren: Kontinuierliches Bahnfahrverhalten sichert gleichmäßige Raupen und Schichtdicken, Prozesssensorik gleicht Bauteiltoleranzen während der Fahrt aus.
• Montageaufgaben: Beim Fügen nutzt der Controller einen Kompensationsdatensatz zur Toleranzregelung, Kraftregelung vermeidet Verkanten bei Presssitzen.
• Bearbeitungsaufgaben: Beim Schleifen werden Anpresskräfte begrenzt, die Positionierung stützen angepasste Greifersteifigkeit, definierte Schließkraft des Spannmittels und eine Ventilinsel für Pneumatikwerkzeuge.

Integration von Peripherie und Steuerung

Offene Feldbusse wie EtherCAT und Profinet dienen als einheitliche Schnittstelle zur Anbindung von Vision-Systemen, Messgeräten und Fremdperipherie. Standardisierte Flansche führen Medien für Pneumatik, Vakuum und Elektrik, sodass Werkzeuge, Kameras und der Greifer modular wechselbar bleiben.

Digitale Workflows verknüpfen CAD-Geometrien mit dem digitalen Zwilling, die Konfiguration ist vor Hardwarelieferung testbar. Offene APIs unterstützen Traceability, verständliche Bedienlogik und Quality-Gates, Hochschulen nutzen dieselben Nutzeroberflächen zur datengetriebenen Evaluation von Pfadplanung und Regelung.

Branchen und Umgebungsbedingungen

In der Lebensmittelindustrie kommen rostfreie Oberflächen, lebensmittelechte Schmierstoffe und hohe IP-Klassen zum Einsatz, Dichtungen schützen dauerhaft gegen Feuchtigkeit und CIP-Medien. Ein Sechsachser platziert verpackte Molkereiprodukte in Trays, Kameras erkennen fehlende Deckel und triggern Ausschleusbahnen.

In der Metallindustrie erfordern Gießen und Schmieden hitzebeständige Kabelsätze und Strahlungsabschirmung, erhöhte Temperatur und abrasive Partikel beeinflussen Sensordaten und können langfristig Lager und Getriebe belasten. Eine Foundry-Zelle transportiert glühende Angüsse mit temperaturstabilen Greifbacken und nutzt Schutzscheiben gegen Spritzer.

Markt, Normen und Quellen

Roboterhersteller wie KUKA, ABB, Fanuc, Yaskawa, Kawasaki, Epson, Universal Robots, Nachi, Stäubli, Comau, Denso, Techman Robot, Omron und Mitsubishi Electric veröffentlichen technische Daten auf ihren Industrieseiten. Genannt werden Reichweiten, Traglastklassen, Temperaturbereiche und Werkzeuge, oft ergänzt durch Applikationsberichte.

Die Zertifizierung orientiert sich an ISO 10218 und ISO/TS 15066 für kollaborative Systeme. Risikobeurteilung, Performance Level und Validierungsmessungen sind verpflichtend zu dokumentieren. Für die Auswahl zählen Reichweite, Traglast und geplante Konfiguration, denn Steuerungsänderungen, zusätzliche Achsen oder Peripheriemodule verlängern Programmierung und Inbetriebnahme.