Aus Sicht der Forschung

Industrieroboter bieten einen großen Arbeitsraum bei niedrigen Anschaffungskosten. Somit verfügen sie über ein hohes Potenzial in der Produktion. Flächendeckend konnte sich dieses Potenzial noch nicht durchsetzen: Zumeist werden Industrieroboter nur in Anwendungen genutzt, bei denen die Genauigkeit eher zweitrangig ist oder diese durch manuelles Einlernen erreicht wird. Hierzu zählen vor allem Pick&Place-Anwendungen, bei denen der Roboter gar nicht am eigentlichen Prozess beteiligt ist. Andere Anwendungen, wie Lichtbogenschweißen, Laserschweißen und -schneiden, erfordern zwar ein erhöhtes Maß an Genauigkeit, sind aber aufgrund der niedrigen Prozesskräfte handhabbar für Industrieroboter. Bei Prozessen wie Fräsen, mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit und Störgrößenunterdrückung, spielt(e) der Industrieroboter keine große Rolle.

Lange Zeit waren die oben genannten Anwendungen wie Pick&Place oder einfache Schweißprozesse der Standard. Doch warum können keine komplexeren Lösungen erzielt werden? Ein Problem sind fehlende Schnittstellen. Damit die Genauigkeit bei gleichzeitiger Störgrößenunterdrückung verbessert werden kann, sind Eingriffsmöglichkeiten auf Dynamikebene notwendig. Selbstverständlich gibt es Schnittstellen zur SPS, damit Roboter Teil automatisierter Fertigungslösungen sein können. Um dynamisch Verbesserungen erzielen zu können, sind aber Schnittstellen zur Regelkaskade mit Abtastzeiten von unter 4 Millisekunden notwendig. Hersteller verkauften Roboter als Komplettlösung: von der Software zur Hardware, Knickarmkinematiken, Antriebe und Steuerung, alles aus einem Haus stammend oder zumindest white-labeled. Damit gibt es keine Schnittstellen. Innovationstreiber konnten also nur die wenigen Hersteller selbst sein, da sie ja Zugriff auf ihre eigenen Schnittstellen haben. Unabhängige Innovation aus der Forschung war damit nur schwer möglich. Gleichzeitig finden Forschungsergebnisse in der Automatisierungsbranche nur Akzeptanz, wenn diese eben auch auf industrieller Hardware umgesetzt sind. In den letzten Jahren gab es jedoch Bewegungen auf Forschungs- und Industrieseite.

Offene Robotersteuerungen am ISW

Am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart konnte 2019 eine Roboterzelle aufgebaut werden, bei der ein Dürr ECO RS 210-2 (Kinematik: Kuka KR210-2) mit Bosch-Rexroth-Umrichtern mittels des Echtzeitbetriebssystems TenAsys Intime angesteuert werden kann. Für die Bahnplanung wird der CNC-Kern der Firma Industrielle Steuerungstechnik (ISG) verwendet. Die offene Steuerung ermöglicht die Verwendung zusätzlicher Aktorik und Sensorik sowie die Realisierung neuer Regelungsstrukturen.

Zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des Roboters wurde dieser mit gelenkseitigen Sensoren an den ersten drei Achsen ausgestattet. Dies hat den Vorteil, dass Nachgiebigkeiten aus dem Getriebe kompensiert werden können, was z.B. beim Fräsen wichtig ist. Regelungstechnisch ist dies jedoch herausfordernd, da die zusätzliche schwingungsfähige Komponente in der Regelstrecke die Stabilitätsgrenzen verschiebt. Weiterhin ist die Systemdynamik stark posenabhängig. Beides sind Gründe, warum sogenannte Secondary Encoder zu diesem Zeitpunkt noch keinen Einzug in industrielle Anwendungen gefunden haben. Ein am ISW entwickelter, posenabhängiger Dämpfungsregler konnte die genannten Oszillations- und Stabilitätsprobleme auf industrielle Hardware verringern (siehe auch ROBOTIK UND PRODUKTION, Ausgabe 4, 2019). Weitere Forschungsfelder umfassen die hochgenaue Kalibrierung von Industrierobotern mit Lasertrackern. Zur initialen Systemidentifikation und -verifikation wurden Secondary Encoder verwendet, mit dem Ziel, Roboter auch ohne diese genauer zu machen (siehe auch ROBOTIK UND PRODUKTION, Ausgabe 4, 2025).

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2023 wurde eine zweite Roboterzelle mit offener Steuerungsplattform am ISW errichtet. Dabei handelt es sich um einen modifizierten ABB IRB 4400. Mittels Beckhoff Twincat und der ISG-CNC kann der Roboter angesteuert werden, wobei eine einfache und synchrone Erweiterung des Systems um zusätzliche Komponenten, wie den integrierten Kraft/Momenten-Sensor, ermöglicht wird. Eigene Regelungsstrukturen werden mit Twincat Component Object Models (TcCOM) implementiert, wodurch der Roboter prozessadaptiv eingesetzt werden kann, z.B. zur additiven Fertigung oder zum Rührreibschweißen (siehe auch ROBOTIK UND PRODUKTION, Ausgabe 5 2024).

Am ISW ist es somit gelungen, auf industrieller Hardware neue Sensorik, Aktorik und eigene Regelungsstrukturen zu implementieren. Durch die Eigenentwicklung ergeben sich jedoch auch Herausforderungen wie Totzeiten. Diese Hürden sind möglicherweise bereits nicht mehr vorhanden – in der Industrie gibt es in den letzten Jahren neue Entwicklungen, die Chancen bieten.

Aktuelle Entwicklungen aus der Industrie

Während früher Komplettlösungen verkauft wurden, hat sich der Trend spätestens mit der Markteinführung von Siemens‘ Sinumerik Machine Tool Robot (MTR) verschoben: Roboter werden zur CNC-Maschine, wobei Kinematik, Steuerung und Antriebe von verschiedenen Herstellern zu einem Endprodukt verbaut werden. Mit dabei: Autonox, Mabi und Danobat. Allesamt von der Innovation getrieben, (CNC-)Robotik neu zu denken, mit der Option, diese Roboter auch mit Secondary Encoder erwerben zu können. Im Falle von Autonox ermöglicht die Herstellerflexibilität viel Raum für individuelle Lösungen, da hier Steuerung und Antriebe quasi frei wählbar sind.

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Aber auch etablierte und namhafte Roboterhersteller scheinen den Trend zu erkennen: Fanuc z.B. stellt mittlerweile auch Fräsroboter mit Secondary Encoder her. Gleichzeitig öffnen sie ihre Steuerung mittels Schnittstelle zu ROS 2, wobei Taktzeiten von einer Millisekunde erreicht werden.

Fazit

Während in jüngerer Vergangenheit die bis dato konventionelle Industrierobotik immer mehr nach Asien abgewandert ist, erleben wir gerade eine kleine Revolution in der Industrierobotik – in Europa und vor allem in Deutschland. Grund dafür ist auch, dass Kompetenzen verschiedener Hersteller gebündelt werden. Das ist nur möglich, weil es Schnittstellen und offene(re) Steuerungen gibt. Klar, werden CNC-Roboter nicht die klassische Werkzeugmaschine ersetzen, sondern sind eine Nischenlösung. Aber eine Vielzahl an Nischen macht auch einen großen Marktanteil aus – vor allem mit den vielen deutschen Mittelstandsunternehmen.

Innovationstreiber für diese Entwicklung war auch die Forschung. Damit das so bleibt, sollte die Forschung in der Industrierobotik weiterhin gefördert werden. Jetzt besteht die Möglichkeit, die Symbiose aus Industrie und Forschung voranzutreiben, da es Schnittstellen gibt, Schnittstellen wie Siemens Drive Control Charts, Synchronaktionen oder TcCOM-Objekte von Beckhoff. Somit kann industrielle Innovation von der Forschung vorangetrieben werden – aber nur, wenn dies auch entsprechend gefördert wird. Denn ohne diese neue Generation an Industrierobotern kann nicht geforscht werden.