SCARA Roboter

Selective Compliance Assembly Robot Arm (SCARA) bezeichnet eine Roboterkinematik für präzise Montage- und Handhabungsaufgaben in zwei Ebenen. Der Arm kombiniert hohe Steifigkeit entlang der Z-Achse mit definierter Nachgiebigkeit in X und Y. Daraus entsteht ein zylindrischer Arbeitsraum mit vier Freiheitsgraden. Diese Systeme zählen zur Familie der Industrieroboter und werden dort eingesetzt, wo kurze Taktzeiten und wiederholgenaue Punkt-zu-Punkt-Bewegungen gefordert sind.

Konstruktives Prinzip und Kinematik

Die Kinematik umfasst zwei rotatorische Gelenke in der Horizontalebene für X- und Y-Verfahrwege, eine lineare Z-Achse sowie eine rotatorische Handgelenkachse zur Werkzeugdrehung um Z. Die Struktur ähnelt einem menschlichen Arm mit Ober- und Unterarm und ermöglicht kompakte Layouts sowie enge Bewegungsprofile.

Der Arbeitsraum ist ringförmig bis zylinderförmig und wird durch Armlängen und Z-Hub begrenzt. Kurze Hebelarme und geringe bewegte Massen fördern hohe Dynamik. Typische Antriebe sind direktgetriebene Motoren oder präzise Untersetzungen mit spielfreier Regelung.

Selektive Nachgiebigkeit

Die selektive Nachgiebigkeit ermöglicht ein kontrolliertes Ausweichen in der Horizontalebene, während die Z-Achse starr bleibt. Beim Fügen enger Passungen kompensiert der Arm geringe laterale Versätze, reduziert Kantenkontakte und senkt das Risiko von Bauteilbeschädigungen. Dadurch kann eine separate Kraftregelung entfallen, was Aufbau und Inbetriebnahme vereinfacht.

Leistungsdaten und Normbezug

Hersteller veröffentlichen Kennwerte nach etablierten Prüfplänen. Für Wiederholgenauigkeit und Zykluszeiten verweisen sie auf Ergebnisse gemäß ISO 9283-4. Diese Daten ermöglichen eine belastbare Auslegung im vorgesehenen Prozessfenster.

Präzision und Zykluszeit

Typische Wiederholgenauigkeiten liegen zwischen ±0,01 mm und ±0,02 mm. Bei leichten Nutzlasten sind über 100 Pick-and-Place-Zyklen pro Minute erreichbar. Ruckbegrenzte Bahnplanung reduziert Schwingungen, verkürzt Settling-Zeiten und stabilisiert Endlagen für nachgelagerte Prozessschritte wie Schrauben oder Dosieren.

Traglast, Reichweite und Hub

Die Traglast liegt meist zwischen 1 kg und 20 kg. Die Reichweite variiert je nach Armgeometrie von etwa 120 mm bis 1200 mm. Z-Hübe von 100 mm bis 400 mm decken gängige Füge- und Greiftiefen ab. Längere Arme vergrößern den Arbeitsbereich, verringern jedoch die Dynamik. Nutzlast, Greifergewicht und Hebelarme sind daher gemeinsam zu bewerten.

Einsatzfelder in der Produktion

In der Elektronikfertigung übernehmen SCARA-Systeme Bestückung, Feinmontage und das Handling sensibler Baugruppen. In der Konsumgüterproduktion decken sie Sortieren, Verpacken und Etikettieren ab. Dosier- und Verschraubungsprozesse profitieren von stabiler Vertikalführung. In Medizintechnik und Automobilbau unterstützen die Arme präzise Fügeoperationen, oft in Kombination mit industrieller Bildverarbeitung.

Beispiele aus der Praxis

Bei Kameramodulen werden Linsenhalter in Kunststofffassungen mit koaxialen Toleranzen von ±15 µm gefügt. Ein SCARA positioniert das Bauteil nach Bildverarbeitungsvorgabe, fährt kontrolliert in Z ein und kompensiert geringe Querabweichungen. Die Taktzeit liegt bei 0,45 s und ermöglicht hohe Stückzahlen bei konstantem Qualitätsniveau.

In einer Verpackungslinie stapelt ein Arm mit 600 mm Reichweite und 6 kg Nutzlast Blister in Trays. Bahnoptimierung und adaptives Greiferdesign reduzieren den Verschleiß. Ein einheitlicher Werkzeugnullpunkt stabilisiert die Übergaben an nachfolgende Stationen.

Integration in Linien

SCARA-Systeme binden sich über EtherCAT, PROFINET oder Ethernet/IP an die SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) an. Schnittstellen zu Visionsystemen, Zuführtechnik und Förderern sind standardisiert. Sicherheitsfunktionen wie sichere Stoppkanäle erleichtern den Betrieb im Mischbetrieb mit manuellen Arbeitsplätzen. Die Gesamtanlageneffektivität (OEE) profitiert von kurzen Umrüstzeiten und reproduzierbaren Programmen.

Auswahl und Auslegung

Eine belastbare Spezifikation verknüpft Mechanik, Steuerung und Prozess. Die folgende Checkliste bündelt zentrale Entscheidungsparameter.

• Traglast und Reserve: Bauteil, Greifer, Kabel, Prozesskräfte plus dynamischen Zuschlag einplanen.
• Reichweite und Layout: Abstände, Störkonturen, Zugänge zur Peripherie und Sicherheitsabstände prüfen.
• Taktzeit und Profil: Beschleunigungen, Haltepunkte, Bahnform und Greifzeiten gemeinsam kalkulieren.
• Genauigkeit: Wiederholgenauigkeit, thermische Stabilität und Kalibrierkonzept bewerten.
• Umgebung: Reinraumklassen, ESD-Anforderungen, IP-Schutzarten und Temperaturfenster festlegen.
• Steuerungsintegration: Feldbus, Schnittstellen zu Vision, Traceability und MES (Manufacturing Execution System) definieren.
• Werkzeugtechnik: Greiferwechsel, Medienführung sowie Drehmoment- oder Dosiermodule berücksichtigen.
• Service und Betrieb: Wartungsintervalle, Ersatzteile, Dokumentation und Schulung sicherstellen.

Technik und Wirtschaftlichkeit

Neben Anschaffungskosten zählen Energiebedarf, Instandhaltung und Stillstandsrisiken über den Lebenszyklus. Programmierumgebung, Offline-Programmierung und Diagnosewerkzeuge beeinflussen den Änderungsaufwand. Ein konsistentes Paket aus Hardware, Support und Update-Strategie senkt die Total Cost of Ownership (TCO) und erhöht die Verfügbarkeit.

Einordnung im Robotikumfeld

Im Vergleich zu sechsachsigen Knickarmrobotern zeigen SCARA-Arme Stärken bei planar orientierten Aufgaben mit fester Werkzeugausrichtung. Die folgende Übersicht stellt zentrale Merkmale gegenüber.

• Passt besonders, wenn: geringe Stellfläche, definierte Werkzeugausrichtung und kurze Bewegungen im Planum vorliegen.
• Grenzen entstehen, wenn: komplexe Orientierungen, großer Raumwinkelsatz oder Schweiß- und Lackierprozesse gefordert sind.

Herstellerlandschaft

Ein breites Portfolio bieten unter anderem Epson, Denso, Yamaha, Omron (Adept), Mitsubishi Electric, FANUC, Stäubli, Kawasaki Robotics und Yaskawa. Die Modellreihen unterscheiden sich in Kinematikvarianten, Reinraum- und ESD-Ausführungen, Softwarefunktionen sowie in den verfügbaren Schnittstellen für Steuerung und Bildverarbeitung.