Robotik – Herzstück der Automation in vielen Bereichen und Branchen

Technische Kreativität und komplexes Wissen sind Treiber des technischen produktiven Fortschritts zum Nutzen der Kunden und Gesellschaft. Verläßlichkeit ist ein Lebenselixier und Motor von wirtschaftlichem Handeln. Verläßlichkeit als Haltung ist eine charakterliche Tugend. Im Umgang mit Menschen und im Gebrauch von Maschinen, Robotern, Apparaten, Werkstoffen und Technik ist es wichtig, daß man vertrauen kann.

Alle Technologiebereiche sind in den Robotik-Systemen vereint und führen durch Innovationen zu immer effizienteren Produktions- und Logistikprozessen und zu höherer Produktivität.

Die Robotik zeichnet sich durch höchste technische Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Flexibilität und Arbeitspräzision aus. Dies hat sich in allen Bereichen und Branchen im Dauereinsatz bewiesen und Vertrauen in die Roboter-Technologie und System-Robotik aufgebaut.

5-Achsen-Dualarm-Montage-Roboter. Quelle: YASKAWA

In den letzten drei Jahrzehnten sind die Herstellungskosten bis zu 60 % gesunken, und die Leistung ist regelrecht explodiert. Die Rechenleistung hat sich stark erhöht, der Stromverbrauch hat sich durch Leichtbauweise reduziert, die Arbeitsbereiche sind durch neue Kinematiken stark gewachsen, Geschwindigkeit und Dynamik wurden durch moderne Antriebe optimiert, und die Programmierung für Nutzer ist erleichtert worden. Die Roboter sind für Dauerleistung mit höchster Verfügbarkeit und minimalem Wartungsbedarf konzipiert.

7-Achsen-Roboter mit Werkzeug. Quelle: YASKAWA

Globale Märkte, vielfältige Branchen und fast unendliche Anwendungen fordern und fördern den Pioniergeist, die Bildung und Wissensvernetzung und vereinen Nutzer und Hersteller. Die Robotik hat sich zum Leuchtturm der physischen Ökonomie entwickelt und ist in nahezu allen Industriebranchen im Einsatz. Die Branchen mit den meisten Industrierobotern ist die Automobilindustrie, die zweite die Elektroindustrie. Weitere Branchen: Chemie, Getränke, Nahrungsmittel, Holzverarbeitung, Kunststoff, Papier, Druck, Bau, Metallverarbeitung, Pharma, Kosmetik, Medizin, Verpackung, Logistik.

4-Achsen-Roboter mit Sauggreifer. Quelle: YASKAWA

Der Einsatzbereich der Robotik-Technologie wächst exponentiell durch modulare Greifsysteme, Sensorik, 3D-Bildverarbeitung, Meßsysteme, Steuerungs- und Sicherheitstechnik. Die Greifsysteme oder Werkzeuge am Roboterkopf sind ein wesentlicher Teil der digitalen Kette des Wertschöpfungsprozesses und müssen nach den spezifischen Funktions-, Produkt- und Leistungsanforderungen und der Roboterkinematik konzipiert werden. Die Anpassung an andere Produkte und Funktionen wird durch flexible Greifer oder Werkzeuge sowie Software gesteigert.

Roboter mit großer Vielfalt der Kinematik gibt es für Arbeitsbereiche, Leistungen und Anwendungen in der Produktion, Montage, Logistik, Verpackung, Bearbeitung, Handling, Medizintechnik, Landwirtschaft und Service-Robotik. Schwerlastroboter mit Gelenkarmen gibt es mit 4 bis 6 Achsen, Traglasten bis zu 2000 kg, Reichweiten bis zu 4 m mit Wiederholgenauigkeit von 0,1–0,2 mm. Die Kleinroboter haben Traglasten bis zu 40 kg und Reichweiten bis ca. 1300 mm.

Lösungen aus einer Hand

Eine Vielzahl von mittelständischen Unternehmen hat in der Robotik mit Projektierung, Engineering, Vertrieb sowie dem Bau von Robotergreifern und Applikationen viele hochqualifizierte wertschöpfende Arbeitsplätze geschaffen und bietet kundenorientierte Lösungen aus einer Hand an. Ingenieurkunst, Kreativität mit Leidenschaft und weitsichtige Unternehmer sind partnerschaftlich mit den Roboter- und Sensorikherstellern die Treiber der dynamischen technischen Entwicklung im Markt der Robotik und Automatisierung.

Automobilindustrie

Die Automobilindustrie hat in Deutschland und global die höchste Roboterdichte und den größten Automationsgrad. Der Produktionsprozeß mit Robotik umfaßt Schweißen, Kleben, Lochen, Prägen, Nieten, Lackieren und Montieren.

KUKAs roboterbasierte Automatisierungslösungen im Karosseriebau. Quelle: KUKA

Die komplette Automatisierungslösung umfaßt alle Montageapplikationen, die Prozeß- und Qualitätskontrollen sowie Bauteile-Handling und Bereitstellung. Die lückenlose Qualitätssicherung, hohe Produktionsleistung, Anpassungsfähigkeit an veränderte Geometrie oder neuer Bauteile sowie inhärent sicheres Datenmanagement sind Garant für höchste Produktivität. Mit innovativen Technologien in der Meßtechnik, Sensorik-, Kamera-, Visualisierungs- und Steuerungstechnik werden auch die Anforderungen nach höherer Flexibilität erfüllt. Die komplette Digitalisierung der Prozeßkette mit Big Data und maschinellem Lernen schafft höchste Transparenz für Prozeßanalysen.

Für die verschiedenen Roboterprozesse sind intelligente Greifer- und Werkzeugapplikationen im Einsatz, die auch automatisch gewechselt werden können. Für die Bereiche Sealing, Lackieren und Reinigung kommen Roboter mit hoher Flexibilität und Reichweite zum Einsatz, die auch entfernte Flächen und Bereiche im Innenraum erreichen. So kann auch eine Zweitonlackierung ohne Maskierung erfolgen.

Bei bestimmten Montagearbeiten ist auch eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) in der Automation möglich als Assistenz zum Worker.

Bauwirtschaft

Auch handwerkliche Tätigkeiten im Bau können konfigurierte Robotersysteme übernehmen. Der „Hausbau-Konstruktions-Roboter“ kann ein Haus mit 180 m2 Wohnfläche in drei Tagen bei einer Leistung von 1000 Blöcken pro Stunde präzise aufbauen. Mit einem 3D-Modell des Gebäudeentwurfs wird der Blockbedarf berechnet und die Blöcke dem Roboter automatisch zugeführt, der diese verklebt. Der Roboter ist auf einem LKW am Ende des Blockförderers montiert. Richtfest des Rohbaus wäre in drei Tagen möglich.

Roboterbasierte Mauerkonstruktion mit Verklebung | Quelle: Shutterstock

Auch die Baustoffhersteller nutzen Roboter für die Palettierung und Handling von Steinen, Platten, Blöcken, Gebinden und Sackware.

Bearbeitung und Handling

Für das Teilehandling von Werkstücken zur Automatisierung von Fräs- und Drehmaschinen mit hoher Teilevarianz, unterschiedlichen Gewichten und Geometrie ist eine hohe Flexibilität der Robotik gefordert. Der Roboter mit Einzel-, Doppel- oder Sondergreifern kann diese automatisch wechseln und erreicht dadurch eine hohe Maschinenauslastung. Die koordinatenbasierte Teileortung mit anpassungsfähiger Planung und Steuerung der Produktion steigert die Flexibilität. Die Roboterzelle kann auch als Plug-and-Worksystem ausgeführt werden.

In der Fertigungsanlage für Turbinenschaufeln für die Luftfahrt und stationäre Gasturbinen werden in einem Schleifbearbeitungszentrum 6-Achsroboter eingesetzt, die das Zentrum mit Werkstücken, Abrichtwerkzeugen, Spannvorrichtungen und Greiferzangen versorgen, die automatisch zugeführt werden. Für alle Schritte der Herstellung sind äußerst strenge Qualitätsanforderungen einzuhalten, die auch vom Roboter mit höchster Präzision und Zuverlässigkeit erfüllt werden.

Motoman 6-Achsen-Roboter mit 10 kg Tragkraft. Quelle: YASKAWA

Intralogistik

Roboter werden in der Zukunft immer mehr Tätigkeiten übernehmen, denn der Mangel an Arbeitskräften in diesem Umfeld nimmt zu. Die zeit- und kosteneffektive Abwicklung von Arbeitsprozessen ist zum geschäftskritischen Faktor geworden. Die Roboter können flexibel und skalierbar eingesetzt werden. Zudem unterstützen Roboter die Mitarbeiter und helfen Überbelastungen durch Gewichte und Zeit vorzubeugen und sorgen für freie Arbeitskapazitäten für komplexe und strategisch anspruchsvolle Aufgaben.

Die fortschreitende intelligente und digitalisierte Automation von Logistikabläufen ist ohne Roboter nicht umsetzbar.

Im E-Commerz mit steigenden Kundenansprüchen müssen die Systeme intelligenter und schneller werden, dies kann aber nicht mehr von Mitarbeitern allein bewältigt werden. Die Anforderungen der Zukunft sind nur durch KI-basierte, assistierende Robotik zu erfüllen. Wertschöpfende Arbeitsplätze entstehen in der ständigen Entwicklung innovativer Greifsysteme, Förderanlagen und Softwaretools.

Die Sequenzierung von Produkten vor dem Versand hilft dabei, steigende Volumina sowie zunehmende Komplexität in der Intralogistik zu bewältigen. Quelle: ABB

Verpackung, Palettierung, Handling und Kommissionierung

Automation, Flexibilität und Produktivität der internen Logistik, vom Produkt bis zur versandfertigen Ladung, ist heute kaum noch ohne Robotik denkbar. Die Palettierung einer Vielfalt von Gütern in verschiedenen Verpackungsarten, Gebinden, Formaten und Gewichten sowie Leistungsanforderungen ist durch ein breites Roboterprogramm mit Greifern für alle Anwendungen und für fast alle Branchen möglich. Greifer mit Multifunktionen können z. B. Schachteln u. a. in Kartons setzen, nach dem Verschluß palettieren, Kartonbogen oder Folie auflegen sowie die Leerpalette bereitstellen. Auch über 50 kg schwere Käselaibe werden mit dem Roboter im Reifelager gewendet und zum Versand in Kartons eingelegt.

In Warenverteilzentren werden oft monotone und gesundheitlich belastende Tätigkeiten der Kommissionierung mit Robotik automatisiert. Entsprechend dem Auftrag kann der Greiferkopf mit unterschiedlichen Werkzeugen (Vakuumsauger, Fingergreifer u. ä.), die produktabhängig aktiviert werden, die Waren auf eine Palette, Rollcontainer oder in eine Kiste stapeln. Kasten, Gebinde, Schachteln und Einzelstücke verschiedener Abmessungen als auch komplette Lagen werden exakt und sicher kommissioniert, depalettiert und palettiert.

Die flexible Roboterlösung überzeugt bei der Palettierung unterschiedlicher Produkttypen mit hoher Zyklusleistung ohne lange Umrüstzeiten. Quelle: ABB

Medizintechnik und Gesundheitswesen

Auch im Gesundheitswesen bieten Roboter viele Lösungen für die Zukunft. Der Arbeitsalltag von hochqualifiziertem Fachpersonal sollte von repetitiven und einfachen Aufgaben befreit werden, die vom Roboter schneller und ohne Gesundheitsrisiko für das Personal erledigt werden können. Labor-Robots und Mobile Zweiarm-Cobots können medizinische Laboraufgaben, Medikamentenvorbereitung, Materialzuteilung und auch Wäsche und Tabletts in die Zimmer bringen. Die Steigerung der Effizienz und die verbesserte Versorgung helfen, die gesellschaftlichen und finanziellen Herausforderungen zu lösen.

Der YuMi-Laborroboter von ABB ist für die Zusammenarbeit mit Labormitarbeitern konzipiert und wird mobil und autonom sein. Quelle. ABB

Landwirtschaft

In der Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion verändern Roboter grundlegend die Arbeit und steigern erheblich die Produktion, Qualität und Produktivität und führen zu einer ganzheitlichen Optimierung. Dies ist auch bedeutend für die Knappheit auf dem Arbeitsmarkt, da Erntehelfer kaum mehr zur Verfügung stehen. Etwa in den zunehmenden Freigehegen für Hühner können mobile Roboter die verstreuten Eier aufsammeln. Auch Ernten in Gewächshäusern kann der Roboter ausführen und Paprika u. a. Früchte mit einem Spezialarm pflücken und ablegen. Bei Indoor-Farming in großen Städten kann Robotik eine Lösung mit kurzen Logistikketten sein.

Das Melken von Kühen kann in einem kompletten Stallsystem mit 6-Achsen-Melkrobotern stattfinden, die das Euter mit einer G5 TOF-Kamera, Form und Distanz der Zitzen präzise erfassen.

Im Bereich der globalen Landwirtschaft gibt es noch großes Potential für Digitalisierung und Robotik.

Robotisiertes, kameragesteuertes Pflücken von Erdbeeren | Quelle: Shutterstock

Service-Robotik

Nach einer Schätzung wird die Zahl der Pflegebedürftigen bis 2030 um rd. 50 % steigen, das wären dann rd. 3,4 Mio. Menschen. Es werden jedoch rd. 0,5 Mio. Pflegekräfte fehlen. In Japan sollen 80 % der Senioren von Robotern gepflegt werden. Es kommen bereits in Heimen zigtausend Roboter zum Einsatz für Geh- und Aufstehassistenten und Kommunikation. Die humanoiden Roboter sollen menschliche Pflege nicht ersetzen, aber in vielen Bereichen entlasten. Mit Künstlicher Intelligenz ausgestattete Roboter können Stimmen und Stimmlagen, Gesichtsausdrücke und Gesten erkennen und so kommunizieren und handeln.

Auch im Alltag können mobile Serviceroboter auf kameragesteuertem Unterbau montiert, mit beweglichen Armen und Händen unterstützen. Die Entwicklung eines zweibeinigen Roboters ist noch in der Optimierungsphase, im Hinblick auf Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Kniegelenke. Mit integrierten magnetischen Meßsystemen und Drehgebern wird die Gleichgewichtssteuerung realisiert. Die Akzeptanz für Roboter-Assistenz muß offen thematisiert werden, denn die Probleme in der Pflege müssen zeitnah zum Wohl der Menschen gelöst werden.

Kollaborative Robotik – Cobots (MRK)

Zusammenarbeit von Mensch und Robotik an einem Arbeitsplatz ist eine innovative neue Technologie, die Fähigkeiten vereint und Mitarbeiter körperlich entlastet. Mensch und Roboter können direkt „shake hand“ zusammen arbeiten ohne externe Schutzvorrichtungen. Dies öffnet der ständig wachsenden Roboterwelt neue Einsatzfelder und sorgt somit für weiteres starkes Wachstum.

Weltweit gibt es über 50 Hersteller, die in 2018 über 14.000 Cobots installiert haben mit einem Volumen von rd. 500 Mio. Euro.

Robotik in der vernetzten Fabrik, Digitalisierung, Big Data, KI

Mit der Digitalisierung rückt die Vernetzung in den Mittelpunkt, denn im komplexen Anlagensystem müssen Daten weitergeleitet werden und sicher erhalten bleiben. Zur Produktionssteuerung gehört auch die automatische Materialversorgung mit Vernetzung der internen und externen Logistik. Die Einbindung von Kunden und Lieferanten zu einer effizienten Supply Chain fordert den Einsatz von KI-fähigen Diensten wie Verarbeitung natürlicher Sprache, Bild- und Spracherkennung, Deep Learning, visueller Suche und personalisierten Empfehlungen. Die Netzwerke werden komplexer, die Latenzanforderungen immer strenger, und die Sicherheit der Stromverversorgung ist existentiell.

Entwicklung der Märkte, Roboterdichte

Bis 2019 waren weltweit 2,747 Mio. Roboter installiert. 2022 werden rd. 4 Mio. prognostiziert.

Die weltweiten Installationen von Industrierobotern erreichten 2018 über 16,5 Mrd. US-Dollar mit 422.000 Einheiten. Der Gesamtumsatz mit Software, Peripheriegeräten und Systemtechnik liegt bei ca. 50 Mrd. US-Dollar.

Von der „Internationalen Roboter-Föderation“ (IFR) wird ein Wachstum von 12% pro Jahr bis 2022 prognostiziert, das sind dann rd. 584.000 Roboter. 74 % der globalen Investitionen entfallen auf China, Japan, USA, Korea und Deutschland. Mit 36 % ist China der größte Markt für Industrieroboter mit 154.000 Einheiten. Der Inlandsmarktanteil chinesischer Hersteller liegt bei 27 %. Das Ziel für eigene Roboter soll mit 100.000 Einheiten pro Jahr Ende 2020 erreicht werden.

Asien ist der weltweit größte Industrierobotermarkt. Es folgen Europa mit Schwerpunkt Deutschland, danach Frankreich und Italien. Die Automobilindustrie war hier der größte Nutzer. Die USA auf Platz 3 hat die größte Steigerung von über 20 % zur Modernisierung aller Industrien.

Neu installierte Roboter 2018: 422.000

  1. China 154.000
  2. Japan 55.000
  3. USA 40.300
  4. Südkorea 38.000
  5. Deutschland 27.000

Die Dichte an Industrie-Robotern pro 10.000 Fertigungsbeschäftigten in 2019:

  1. Singapur 831
  2. Südkorea 774
  3. Deutschland 338

Danach folgen Japan, Schweden, Dänemark, Taiwan und USA. China liegt bei 140 Robotern und will bis 2025 auf 150 steigern.

Die hohe Roboterdichte ist auf die Automobilindustrie zurückzuführen, die weltweit rd. ein Drittel bestellt. In Deutschland und Europa sind es nach dieser Branche der Maschinenbau und die Metallindustrie.

Hersteller

Die größten Hersteller von Industrierobotern kommen aus Japan (3), der Schweiz (1) und Deutschland (1).

Der größte Markt für Roboter ist heute China, wo auch neue Unternehmen zur Roboterherstellung entstanden sind.

Es gibt nur einen Roboterchampion (Kuka) in Deutschland, der aber seit wenigen Jahren mehrheitlich einem chinesischen Unternehmen gehört.

Russische Unternehmen wollen die Potentiale der Robotik mit Unterstützung von Regierung und Universitäten vorantreiben. Einer der weltgrößten japanischen Hersteller YASKAWA mit Europazentrale in Deutschland hat ein neues Werk in Slowenien gebaut. Der Schweizer Hersteller ABB hat mit dem Bau einer neuen Produktions- und Forschungsstätte für Robotik in China begonnen, die 2021 den Betrieb aufnehmen soll.

Perspektiven der Robotik in der Zukunft für Mensch und Gesellschaft

„Lernen ist wie Rudern gegen den Strom. Hört man damit auf, treibt man zurück.“ (Laotse)

Wissen ist ein entscheidendes Unternehmenskapital in den Köpfen der Mitarbeiter und entscheidet über den Erfolg von morgen. Wer Erfolg haben will, muß Leistung zeigen. Mit Wissen, Neugier, Kreativität und Verständnis komplexer Zusammenhänge kann jeder seinen Erfolg leben.

In naher Zukunft werden die Arbeitsplätze im industriellen Umfeld anders aussehen als heute. Es geht auch darum, Mitarbeiter gesund zu halten, für körperliche Entlastung zu sorgen und stupide Arbeiten zu verlagern.

Ohne Produktionstechnologie würde kein Gegenstand unseres täglichen Lebens existieren.

Wir nennen das „Physische Ökonomie“. Automatisierung steigert Produktivität, stärkt die Wettbewerbsfähigkeit und ist die Voraussetzung für höhere Wertschöpfung und wertige Arbeitsplätze. Prosperität der physischen Ökonomie zu erhalten, ist eine gesamtgesellschaftliche Aufgabe für Fortschritt, Ressourceneffizienz, wirksamen Umweltschutz, Wohlstandserhalt, Steigerung der Lebensqualität sowie für faire und auskömmliche Finanzierung der sozialen Sicherungssysteme.

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