Wie viele Achsen benötigt mein Roboter?

Mit dem zunehmenden Einsatz von Automatisierung transformieren Industrieroboter den gesamten Fertigungssektor. Die Integration von Robotern kann Effizienz und Produktivität erhöhen und gleichzeitig Kosten und Fehlerrisiken minimieren. Die Auswahl eines für den jeweiligen Prozess geeigneten Roboters ist entscheidend, um die Vorteile, die diese Ausrüstungskomponenten einem Betrieb bieten können, bestmöglich zu nutzen. Doch wie wissen Hersteller, wann Sieben-Achs-Roboter die richtige Wahl sind?

Laut Schätzungen des von der International Federation of Robotics veröffentlichten „World Robotics Report 2021“, einer statistischen Aufarbeitung der internationalen Daten zu Robotern, waren im Jahr 2021 etwa drei Millionen Industrieroboter in Betrieb, was seit 2020 einem Anstieg um 300.000 Stück entspricht. Hersteller integrieren Roboter mit beträchtlicher Geschwindigkeit in ihre Betriebe, und angesichts der vielen Vorteile, die industrielle Automatisierung bietet, wird dies in Zukunft nur noch weiter zunehmen. 

In Anbetracht dieser zunehmenden Beliebtheit sind Industrieroboter für eine Vielzahl von Anwendungen in einer Vielzahl von Konfigurationen und Größen und mit einer unterschiedlicher Anzahl von Achsen erhältlich. Roboter können mit einer bis insgesamt sieben Achsen versehen sein, wobei mehr Achsen mehr Bewegungsflexibilität ermöglichen. Trotz der zunehmenden Zugänglichkeit von Robotern in der Industrie kann es schwierig sein, zu bestimmen, welcher Robotertyp von den zahlreichen derzeit verfügbaren die beste Wahl für eine bestimmte Anwendung darstellt.

Beim Gedanken an Industrieroboter stellen wir uns üblicherweise einen einfachen Roboterarm vor. Dabei handelt es sich um Gelenkroboter, auch Knickarmroboter genannt, die dank ihrer Richtungssteuerung und ihres großen Bewegungsspielraums die Bewegungen und Aktionen eines menschlichen Arms imitieren können. Andere Arten von Robotern, beispielsweise kartesische Roboter oder Vierachs-Modelle wie SCARA-Roboter, unterliegen diesbezüglich mehr Einschränkungen und können sich oft nur auf zwei bis vier Achsen bewegen. Solche Roboter eignen sich für viele Anwendungen und haben sicherlich ihre Vorteile, doch die Bewegungseinschränkungen können ein Problem darstellen, wenn anspruchsvollere Bewegungen erforderlich sind. In solchen Fällen sind Gelenkroboter die bessere Option.

Gelenkroboter, zu denen Sechs- und Sieben-Achs-Roboter zählen, können sich vertikal und horizontal bewegen, sind aber auch in der Lage, um die X-, Y- und Z-Achse zu rotieren und damit zu rollen, zu nicken und zu gieren. Dies verleiht ihnen zusätzliche Reichweite und Flexibilität. In der Regel werden sie auf einem Sockel montiert und verfügen über Gelenkpunkte an Basis, Körper, Arm und Handgelenk. Dies ermöglicht es ihnen auch, auf unterschiedlichen Ebenen zu arbeiten und zwischen verschiedenen Ebenen zu wechseln, was mehr Vielseitigkeit in den möglichen Bewegungssequenzen bietet. Aufgrund ihrer Fähigkeit, präzise zu manövrieren, sind Gelenkroboter eher in der Lage, schwierige oder komplexe Prozesse auszuführen, wie sie etwa in der Automobilmontage vorkommen.

Gelenkroboter mit mehreren Achsen werden als „High-DOF-Roboter“ (degree of freedom, kurz DOF) bezeichnet, also als Roboter mit vielen Freiheitsgraden. Solche Roboter verfügen über eine Vielzahl potenzieller Anwendungen, darunter Schweißen, Montage, Bestückung, Verpackung, Lackierung und Palettierung. Neben Maschinenbeschickungsaufgaben können sie auch für Aufgaben in der Materialhandhabung und -entfernung eingesetzt werden. Gelenkroboter sind oft teurer, und ihre höhere Komplexität macht die Programmierung schwieriger, doch die mit ihnen verbundenen Produktivitäts- und Effizienzgewinne sowie die langfristigen finanziellen Einsparungen sorgen für eine gute Investitionsrentabilität (ROI).

Sechs-Achs-Roboter können für alle diese Anwendungen eingesetzt werden und sind derzeit die am häufigsten verwendete Art von Industrierobotern. Obwohl für die meisten industriellen Anwendungen sechs Achsen durchaus ausreichend sind, führt die zunehmende Komplexität der von ihnen auszuführenden Aufgaben dazu, dass auch die Roboter selbst technisch ausgefeilter werden müssen. Sieben-Achs-Roboter haben dieselben Achsen wie Sechs-Achs-Roboter, doch ihr zusätzlicher Freiheitsgrad ermöglicht ihnen noch größere Flexibilität.

Für Sieben-Achs-Roboter gibt es zwei verschiedene Hauptkonfigurationen. Die zusätzliche Achse kann sich innerhalb des robotischen Manipulatorarms befinden oder in Form einer Robot Transfer Unit (RTU) vorliegen, bei der es sich kurz gesagt um eine Schiene handelt, auf der sich der Roboter bewegen kann. Auch wenn eine zusätzliche Achse nicht immer unabdingbar ist, macht die durch sie ermöglichte größere Auswahl an Gelenk-Konfigurationen Roboter wendiger und kann bei der Neupositionierung Zeit sparen. 

Die siebte Achse ermöglicht es Robotern, sich auf komplexere Weise zu bewegen, was für schwierige Aufgaben wie etwa Schweißen von Vorteil ist, bei denen ein geeigneter Arbeitswinkel entscheidend für die Qualität und Konsistenz der Ergebnisse ist. Derartige Roboter können sich dem Produkt oder dem Arbeitsbereich aus einer größeren Bandbreite von Winkeln nähern, die menschlichen Mitarbeitern oder Sechs-Achs-Robotern möglicherweise nicht zugänglich sind. Dies kann bei der Programmierung berücksichtigt und genutzt werden, um Zykluszeiten zu reduzieren und in der Werkhalle Platz zu sparen. Außerdem erlaubt dies Robotern auch, sich um Hindernisse und Ausrüstung herumzubewegen und zu drehen, wodurch Kollisionen und potenzielle Schäden am Roboter oder an der Fertigungsumgebung vermieden werden. Die Fähigkeit, sich um Objekte herumzubewegen, eliminiert außerdem die Notwendigkeit der Anpassung des Effektors, also des funktionalen Endstücks am Roboterarm, und sorgt so für eine bessere Werkzeugstabilität. 

Das Hinzufügen einer RTU als siebte Achse hat den zusätzlichen Vorteil, dass sich Roboter in linearer Richtung über wesentlich größere Entfernungen hinweg bewegen können. Dank einer RTU können Roboter zwischen Arbeitsstationen und Ausrüstungskomponenten wechseln oder sich durch den gesamten Arbeitsbereich bewegen, um verschiedene Aufgaben auszuführen. Bediener können dann eine Reihe von Prozessen in serieller Abfolge automatisieren, indem sie die zusätzliche, dem Schienensystem zu verdankende Mobilität mithilfe eines einzigen Roboters nutzen, anstatt mehrere einzelne Einheiten einzusetzen.

Obwohl Gelenkroboter in der Regel teurer sind als ihre linearen Gegenstücke, kann ein Sieben-Achs-Roboter, je nach erforderlichem System, günstiger und einfacher in den bestehenden Betrieb integriert werden, da er die Notwendigkeit zusätzlicher Ausrüstungskomponenten wie Roboter-Positionierern reduziert. Ihre überlegene Manövrierfähigkeit kann auch dazu beitragen, die Zykluszeiten und die Produktivität zu verbessern. Obwohl hinsichtlich der Reduzierung von Stillstandszeiten nichts einen zuverlässigen Teilelieferanten wie EU Automation ersetzt, bietet die Investition in einen Sieben-Achs-Roboter den zusätzlichen Vorteil der Vermeidung kostspieliger Stillstandszeiten aufgrund von Beschädigungen und notwendigen Neupositionierungen. 

Sechs-Achs-Roboter sind derzeit zwar die gängigste Wahl für industrielle Anwendungen, doch verständlicherweise werden Sieben-Achs-Roboter immer beliebter. Sieben-Achs-Roboter bieten alle Vorteile herkömmlicher Gelenkroboter, verfügen jedoch über einen zusätzlichen Freiheitsgrad und überlegene Flexibilität. Bei komplexen Aufgaben und Prozessen können Sieben-Achs-Roboter langfristige Produktivitätssteigerungen bieten und sind darüber hinaus so vielseitig, dass sie sich für eine Reihe von Anwendungen eignen und diese auf konstant hohem Qualitätsniveau erledigen.