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(Quelle: Zapp2Photo/Shutterstock.com)

Roboter sind seit Jahrzehnten Teil der Produktionslandschaft, aber die wachsende Bedeutung von Industrie 5.0 und Big Data trägt nicht nur zu einer verstärkten, sondern gleichzeitig zu einer flexibleren Automatisierung durch Roboter bei. Es werden zwar immer noch Großroboter in Käfigen benötigt, die im Minutenrhythmus Stoßfänger stanzen, aber ihre flexibleren und kleineren Vettern, die so genannten kollaborativen Roboter, werden immer wichtiger. Kollaborative Roboter werden im Allgemeinen mit ihrer Kurzform „Cobots“ bezeichnet und bieten gegenüber ihren traditionellen Pendants viele Vorteile: Sie können schnell umprogrammiert werden, um neue Aufgaben auch innerhalb eines Tages zu übernehmen. Cobots harmonieren gut mit dem Menschen und ermöglichen eine effiziente Zusammenarbeit. Häufig übernehmen Cobots Aufgaben, die sich wiederholen und langweilig sind, so dass der Mensch für komplexere Arbeiten frei wird.

Cobots sind elementarer Bestandteil der Industrie 5.0, die als nächste industrielle Revolution gilt. Für das Jahr 2018 wird der weltweite Markt für Cobots auf 649,1 Millionen Dollar geschätzt. Dabei wird ein Wachstum mit einer erstaunlichen jährlichen Wachstumsrate von 44,5 Prozent bis 2025 prognostiziert. In diesem Beitrag werden wir einige der Bauelemente diskutieren, die die nächste Cobot-Generation unterstützen.

Der industrielle Cobot-Arm

Industrieroboterarme sind Manipulatoren, ähnlich wie menschliche Arme. Anstelle von Muskeln werden ihre mechanischen Gelenke in der Regel mit Elektromotoren von einer externen Stromquelle angetrieben. Der Arm übernimmt das Heben schwerer Lasten, und die Computersoftware fungiert als Gehirn. Optische und Bewegungserkennungssysteme helfen ihm, Objekte zu erkennen und auf diese Informationen zu reagieren.

Näherungssensorik

Da ein Cobot nicht in einem Sicherheitskäfig arbeitet, muss er eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen, um geltenden Schutz- und Sicherheitsanforderungen Rechnung zu tragen: Während seiner Arbeit müssen seine Näherungssensoren aktiviert sein. Dadurch kann er erkennen, wenn Mitarbeiter ihm zu nahe kommen und eine entsprechende Sicherheitsabschaltung auslösen. Ausgereiftere Erkennungssysteme können auch die Geschwindigkeit erkennen, mit der sich ein Mensch auf ihn zubewegt, so dass er rechtzeitig anhalten bzw. weiterfahren kann, wenn sich der Mensch wieder entfernt. Neben der Näherungssensorik muss er den Mitarbeitern auch die Möglichkeit bieten, sein Verhalten mit einem standardmäßigen Not-Aus-Schalter zu übersteuern.

Kraftsensorik

Cobots müssen auch erkennen können, wann sie beispielsweise mit einer Schiebebewegung aufhören oder wie viel Kraft sie bei der Ausführung von Aufgaben aufwenden müssen. Ein Pick-and-Place-Cobot, der beispielsweise mit Eiern arbeitet, muss eine andere Kraft aufwenden als ein Cobot, der mit Metalllagern arbeitet. Die Kraftsensorik ist ein wichtiger Aspekt eines mechanischen Arms. Dieser muss über eingebettete Sensoren verfügen, mit denen seine Reaktionen entsprechend angepasst werden können.

In der Fertigung oder bei anderen Anwendungen wird der mechanische Arm je nach gewünschter Anwendung mit einer Reihe von End-of-Arm-Werkzeugoptionen von weichen Greifern bis hin zu Vakuumsaugern ausgestattet.

Cobot-Komponenten

Das „Computergehirn“, das den Roboterarm steuert, muss jederzeit in der Lage sein, die aktuellen Winkelpositionen aller Gelenke zu erfassen. Dies ist eine Grundvoraussetzung für das einwandfreie Funktionieren der Steuerungsalgorithmen für alle Industrieroboterarme, einschließlich konventioneller Käfigroboter sowie kollaborativer Roboterarme. Um die Gelenkpositionen zu erfassen, benötigen diese Roboter spezielle, in die Gelenkmotoren integrierte Sensoren. Für die Roboterhersteller sind diese Sensoren bei der Beschaffung eine kritische Komponente. Sie müssen während der gesamten Lebensdauer des Roboters zuverlässig arbeiten, auch wenn das Gelenk durch die Belastung in der Fabrikhalle heiß wird. Eines der wichtigsten Kriterien dieser Sensoren ist ihre kompakte Baugröße, denn sie müssen auf engstem Raum montiert werden können. Bei jeder Neukonstruktion der Armverbindungen müssen die Sensoren passend ausgewählt werden. Für die Entwicklung einer Roboterfamilie mit einer gemeinsamen Stückliste ist es wichtig, diese Sensoren in verschiedenen Größen zur Verfügung zu haben.

Industrie-Resolver von TE Connectivity erfüllen diese Anforderungen in hervorragender Weise. Bei diesen Resolvern handelt es sich um analoge Drehwinkelsensoren für Industrie-Servomotoren. Diese Hohlwellen-Resolver mit hoher Genauigkeit sind zuverlässiger und für geringe Platzanforderungen ausgelegt und bieten den Benutzern dadurch Anpassungsfähigkeit und größere Flexibilität.

Abbildung 1: Industrie-Resolver von TE Connectivity bieten je nach Version absolute Drehwinkelinformationen über 360 Grad. (Quelle: Mouser Electronics)

Wie alle Industrieroboter benötigen auch Cobots eine zuverlässige Stromversorgung für ihre Motoren. Für den Anschluss von Steuersignalen, Stromversorgung und Leistungselektronikkomponenten gibt es viele Designoptionen. In jedem Fall müssen die Steckverbinder, mit denen die Stromanschlüsse und Signalverbindungen hergestellt werden, Industriestandards entsprechen und einem erheblichen Maß an mechanischer Verdrehung und Biegung standhalten. Ein Wire-to-Board Steckverbinder, der einen Draht mit einer Leiterplatte (PCB) verbindet, die wiederum die Verbindung zwischen den Schaltkreisen ermöglicht, ist ein sehr wichtiger Bestandteil des Designs. Auch hier bestimmt eine gemeinsame Materialliste inwiefern eine Familie verwandter Steckverbinder mit mehreren Konfigurationen miteinander kombinierbar ist.

ELCON Micro Wire-to-Board-Stromanschlusslösungen von TE Connectivity bieten eine hohe Stromdichte von bis zu 12,5 A pro Pin (maximal) bei einem branchenüblichen Footprint von 3 mm (Kontaktraster). Dieser branchenübliche Footprint bietet Designern und Ingenieuren Designflexibilität durch einfache Upgrades bestehender Designs.

Abbildung 2 ELCON Micro Wire-to-Board-Stromanschlusslösungen von TE Connectivity unterstützen 2- bis 24-polige Konfigurationen und verschiedene Ströme mit mehreren Kombinationen verschiedener Kabelgrößen. (Quelle: Mouser Electronics)

Solche Komponenten wie diese von TE Connectivity helfen Unternehmen beim Setup von Cobots, um ihren spezifischen Anforderungen hinsichtlich Platzangebot und Programmierung gerecht zu werden.

Fazit

Die Automatisierung nimmt stetig zu und es wird erwartet, dass Cobots eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung des Automatisierungstempos spielen werden. Mit Industrie 5.0 ist die nächste industrielle Revolution bereits Realität geworden. Cobots können für Pick-and-Place-Aufgaben in Montagelinien, zur Montage von Bauteilen, zum Montieren von Schrauben, Polieren sowie für Inspektions- und andere Routineaufgaben eingesetzt werden.

Die Technologie, auf der diese Cobots aufsetzen, wird immer ausgefeilter, wobei fortgeschrittene computergestützte Erfassungs- und Sensorfähigkeiten eine Vorreiterrolle spielen. Da die Cobots immer mehr Arbeit bei immer kompakteren Designs und höheren Anforderungen leisten müssen, werden für den Bau der nächsten Cobot-Generation Bauelemente wie jene von TE Connectivity benötigt.