Industrieroboter unterstützen den Menschen seit weit über 50 Jahren bei den drei Aufgabentypen: langweilige, gefährliche und schmutzige Arbeit. Fortschritte in der intelligenten Technologie machen Fertigungsroboter heute stärker vernetzt und in der Lage, mit Menschen zusammenzuarbeiten, um komplexere Prozesse anzugehen.
Physische Roboter wie Roboterarme, Cobots und mobile Robotersysteme sind ein zentraler Bestandteil der modernen Fertigung. Sie arbeiten oft innerhalb breiterer Automatisierungssysteme, die Software, Steuerungen und verbundene Maschinen kombinieren, um die Arbeit mit reduziertem menschlichem Eingreifen zu koordinieren. Zusammen mit Technologien wie KI und fortschrittlichen Analysen helfen diese Systeme Herstellern, schneller auf sich ändernde Anforderungen zu reagieren und gleichzeitig hohe Standards in Bezug auf Qualität, Effizienz und Kosten aufrechtzuerhalten.
Unter Robotik in der Fertigung versteht man den Einsatz programmierbarer Maschinen zur Ausführung physischer Aufgaben. Diese Aufgaben sind oft repetitiv, gefährlich oder erfordern hohe Präzision – wie Schweißen, Pick-and-Place-Vorgänge oder die Montage komplexer Komponenten. Fertigungsroboter gibt es in vielen Formen, darunter Knickarmroboter, kollaborative Roboter (Cobots) und mobile Roboter, aber sie alle haben einen gemeinsamen Zweck: die physische Arbeit mit konsistenter Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erledigen.
Automatisierung in der Fertigung ist ein breiteres Konzept. Es beschreibt das Gesamtsystem, das Produktionsaktivitäten mit minimalem menschlichen Eingreifen koordiniert. Automatisierung kombiniert Software, Steuersysteme, Datenplattformen und vernetzte Geräte – einschließlich Roboter – zur Abwicklung und Optimierung von Fertigungsabläufen. Moderne Automatisierungsumgebungen werden zunehmend durch künstliche Intelligenz unterstützt und nutzen cloudbasierte Plattformen, Echtzeitdaten und fortschrittliche Analysen, um die Leistung zu überwachen, Arbeitsabläufe zu optimieren und sich schnell an sich ändernde Produktionsanforderungen anzupassen.
Einfach ausgedrückt ist die Robotik ein wichtiger Bestandteil der Fertigungsautomatisierung. Roboter übernehmen die physischen Aufgaben in der Fabrik, während Automatisierungssysteme diese Maschinen mit der Produktionsplanung, der Unternehmenssoftware und den Betriebsdaten verbinden. Zusammen ermöglichen sie, dass Fertigungsprozesse effizienter laufen, schneller auf Veränderungen reagieren und als integriertes System vom Fertigungsbereich bis zur Unternehmensebene arbeiten.
Die frühe Fertigungsautomatisierung bestand aus grundlegenden mechanischen Systemen und Förderbändern, die Materialien schneller bewegten. 1961 installierte GM einen der ersten Fertigungsroboter, Unimate, für die Handhabung von Druckguss und Schweißen. Dies bildete den Auftakt der modernen Fertigungsrobotik, die größtenteils von der Automobilindustrie angetrieben wird. Diese Roboter zeichneten sich bei Aktivitäten aus, die Geschwindigkeit, Kraft und Präzision erforderten. Das Ergebnis waren ein höherer Durchsatz, eine bessere Produktqualität und geringere Kosten.
Anfang der 90er Jahre machten bessere Sensoren und Steuersysteme Roboter flexibler. Anstelle einer festen Aufgabe konnten Roboter allgemeinere Fertigungsaktivitäten wie Materialtransport, Spritzguss, Verpackung und Palettierung unterstützen. In den 2000er Jahren wurden Roboter zunehmend mit computergestützten Fertigungssystemen verbunden. So konnten verschiedene Maschinen und Roboterwerkzeuge als Teil einer koordinierten Produktionslinie zusammenarbeiten. Mit der zunehmenden Dynamik von Industrie 4.0 halfen Technologien wie das Industrial Internet of Things (IIoT, industrielles Internet der Dinge), Cloud-Plattformen und Datenanalysen Herstellern dabei, Geräte und Betriebsdaten miteinander zu verbinden, um die Leistung zu verbessern.
In jüngster Zeit hat die Integration mit ERP- und MES-Plattformen die Robotik noch leistungsfähiger gemacht. Moderne Fertigungsroboter können Prozesse in Echtzeit koordinieren, automatisierte Entscheidungen unterstützen und auf reale Bedingungen im Fertigungsbereich reagieren, um die Effizienz im gesamten Werk zu verbessern.
Während traditionelle Industrieroboter oft so programmiert wurden, dass sie dieselben repetitiven Aufgaben ausführen, arbeiten heutige Robotersysteme in wesentlich stärker vernetzten Umgebungen. In intelligenten Fabriken sind Roboter, Anlagen und Geschäftssysteme durch IoT-Sensoren und integrierte Cloud-Plattformen vernetzt, wodurch ein Datenaustausch zwischen ihnen ermöglicht wird. In Kombination mit KI und fortschrittlicher Analytik ermöglicht diese Vernetzung Robotern und Produktionssystemen, sich in Echtzeit an sich ändernde Bedingungen anzupassen – beispielsweise die Produktion bei Nachfragespitzen hochzufahren oder Produktlinien bei Materialknappheit zu wechseln.
In einigen modernen Werken arbeiten Roboter- und Automatisierungssysteme mit sehr begrenztem menschlichem Eingreifen. Diese „dunklen Fabriken“ können über längere Zeiträume rund um die Uhr ohne Beleuchtung oder vor Ort anwesendes Personal arbeiten. Zum Beispiel stellt das japanische Unternehmen Fanuc Robotik in Anlagen her, die bis zu 30 Tage lang rund um die Uhr ohne menschliche Unterstützung betrieben werden. Die unbeleuchtete Changping Smart Factory in Peking kann mit Hilfe von KI-Technologie alle drei Sekunden ein Smartphone produzieren. Zwar ist es unwahrscheinlich, dass sich sämtliche Fertigungsabläufe vollständig automatisieren lassen – doch smarte, vernetzte Robotik wird in modernen Fabriken künftig eine immer wichtigere Rolle spielen.
Von feststehenden bis hin zu flexiblen Robotern können sie viele Formen annehmen, je nachdem, für welche Aufgabe sie ausgelegt sind. Dies sind vier der am häufigsten verwendeten Roboter in der heutigen Fertigung – plus ein Roboter, der sich in der frühen Entwicklungsphase befindet.
Industrieroboter fungieren heute als primäres Roboterunterstützungssystem an Produktionslinien. Am bekanntesten ist wahrscheinlich der Roboterknickarm mit mehreren Gelenken für komplexe Aufgaben, die einen Bewegungsumfang erfordern. Aber es gibt viele andere, die für unterschiedliche Funktionen gebaut sind. Der kartesische Roboter läuft beispielsweise auf einem dreiachsigen System für Linearbewegung und schweres Heben innerhalb eines definierten Bereichs. Andere Roboter sind auf Geschwindigkeit und Präzision ausgelegt, wie SCARA für Aufgaben wie Montage und Handhabung und Delta für Pick-and-Place-Betriebe in Umgebungen mit hohem Volumen. Ein weiterer gängiger Roboter arbeitet in einem zylindrischen Arbeitsbereich und kombiniert rotierende, vertikale und horizontale Bewegungen für die Maschinenpflege, Verpackung und andere Aufgaben, bei denen eine konsistente kreisförmige Bewegung erforderlich ist.
Kollaborative Roboter (oder „Cobots“) sind so konzipiert, dass sie sicher in der Nähe von Menschen in Fabrikhallen arbeiten und sich oft denselben Arbeitsplatz teilen, ohne dass Sicherheitskörbe erforderlich sind. Sie können autonom arbeiten und sich auf Computervision, KI und maschinelles Lernen stützen, um sich um Objekte und Menschen zu bewegen, können aber bei Bedarf auch von menschlichen Bedienern geführt oder überwacht werden. Cobots sind auch erschwinglicher und einfacher einzusetzen – was es nachvollziehbar macht, dass der Einsatz und die Entwicklung von Cobots zunimmt.
Wie der Name schon sagt, bestehen flexible Automatisierungssysteme aus Robotern und automatisierten Maschinen, die für eine Vielzahl von Aktivitäten und Produktionsläufen umprogrammiert und neu konfiguriert werden können, ohne dass die Linie jedes Mal neu aufgebaut werden muss. Dies macht sie ideal für Hersteller, die schnell zwischen Produkttypen wechseln müssen. Konfigurierbare Roboterarme mit austauschbaren Endeffektoren für Schweiß-, Bestückungs- und Montageaufgaben passen in diese Kategorie – ebenso wie Cobots für die Maschinenpflege, die Greifer wechseln und so programmiert werden können, dass sie Teile unterschiedlicher Größe und Form laden.
Diese Roboter sind darauf ausgelegt, Materialien, Teile und Fertigwaren in einer Fabrik oder einem Lager zu bewegen. Nehmen wir zum Beispiel Automated Guided Vehicles (AGVs). Diese bodenbasierten Roboter können Paletten, Behälter oder Wagen zwischen Arbeitsstationen bewegen, in der Regel auf einem festen Weg. Autonome mobile Roboter (AMR) transportieren auch Waren und Materialien auf dem Boden, aber sie nutzen Lidar- und Ultraschallsensoren, Kameras und Navigationssoftware, um Hindernisse zu erkennen und um Menschen und Ausrüstung herum zu navigieren. Fliegende Roboter werden für Aktivitäten in großen Höhen eingesetzt – es sind keine Gabelstapler erforderlich. Beispielsweise können sie den Bestand in hohen Lagerregalen über RFID und Barcodes scannen, Sicherheitskontrollen in explosionsgefährdeten oder eingeschränkten Bereichen durchführen und die Gerätetemperatur mit Wärmebildkameras überwachen.
Obwohl sie sich noch in der Versuchsphase befinden, werden humanoide Roboter in realen Produktionsumgebungen getestet. Der Optimus von Tesla ist beispielsweise ein universeller humanoider Roboter, der repetitive Aufgaben in der Fabrik unterstützen soll. Prototypen in den Gigafactories von Tesla können einfache Aufgaben wie das Bewegen von Teilen oder das Aufnehmen von Artikeln übernehmen. Andere humanoide Roboter wie der ASIMO von Honda werden ausschließlich für Forschungs- und Demonstrationszwecke eingesetzt und nicht für Produktionsaufgaben. Der Atlas von Boston Dynamics ist auch ein Forschungs- und Entwicklungsroboter, aber einer der fortschrittlichsten dynamischen humanoiden Roboter der Welt, der auf hohe Mobilität, Gleichgewicht und Agilität ausgelegt ist.
KI verbessert die Automatisierung und hilft Systemen, sich in Echtzeit an ihre Umgebung anzupassen. Sie kann Muster in Daten erkennen, Aktionen auslösen, Probleme hervorheben und sogar Produktionseinstellungen anpassen. KI hilft Robotern auch dabei, Bauteile zu erkennen, Kollisionen zu vermeiden und sich an sich ändernde Bedingungen anzupassen.
Optische Systeme, die in Echtzeit arbeiten, nutzen Kameras, Sensoren und (in der Regel) KI, um Bilder von Defekten, Problemen und fehlerhaften Teilen zu erfassen. Die Fertigungssoftware analysiert die Bilder und sendet eine Warnung an die Bediener oder stoppt die Produktion entsprechend.
Das IIoT verbindet Maschinen, Roboter und Sensoren, damit sie Daten in Echtzeit austauschen können. Sensoren erfassen Zustände wie Vibration, Leistung und Energieverbrauch – und senden diese Daten dann an MES-, ERP- und andere Systeme, um Analysen und automatisierte Warnungen zu ermöglichen.
Moderne Robotik ist auf eine enge Integration mit den Fertigungssystemen angewiesen, die Arbeitsaufträge, Zeitpläne, Bestände, Produktionsdaten und mehr verwalten. Roboter und vernetzte Geräte nutzen diese Informationen und Daten für eine Koordination mit allgemeineren Produktions-Arbeitsabläufen in Echtzeit.
Steuersysteme wie SPS, SCADA und industrielle Steuerungen verwalten Roboterausrüstung. Sie führen programmierte Logiken aus, synchronisieren die Produktion und automatisieren Sicherheitsfunktionen. Die Integration mit Fertigungssoftware verbindet robotergesteuerte Vorgänge mit geschäftlichen Arbeitsabläufen.
Cloud-Plattformen zentralisieren Systeme, Arbeitsabläufe und Daten, um die Automatisierung und Robotik zu verbessern. Sie bieten skalierbare Speicher- und Rechenleistung zur Unterstützung von KI, Analysefunktionen und Echtzeitverbindungen. Integrierte Sicherheit und branchenspezifische Prozesse helfen, die Zeit zum Realisieren des Mehrwerts zu verkürzen.
Robotiksysteme bringen zunehmend Mehrwert und Effizienz in die heutigen Fertigungsprozesse. Zu den Vorteilen gehören:
Roboter montieren kontinuierlich Bauteile und platzieren Teile auf Produktionslinien. Roboterarme drehen Schrauben ein oder befestigen Halterungen, während Cobots Teile zusammenstecken oder Bauteile in Vorrichtungen laden.
Beispiele: Ein Roboterarm montiert Schrauben an einem Automotorbauteil mit gleichbleibendem Drehmoment. In einer Elektronikfabrik setzt ein Cobot Leiterplatten in Gehäuse ein und fügt in der Fertigungslinie Steckverbinder ein.
Robotergestützte Automatisierungssysteme sortieren und kommissionieren Artikel von Förderbändern, verpacken sie in Kartons und stapeln Produkte für die Lagerung oder den Versand auf stabilen Paletten.
Beispiele: Ein automatisiertes Pick-and-Place-System sortiert Konsumgüter basierend auf Artikelnummer oder Auftragsart in Kartons. Roboter nehmen fertige Flaschen oder verpackte Snacks auf und verladen sie in Kartons für den Versand.
Mit Kameras, Scannern und Sensoren ausgestattete QA-Roboter inspizieren die Objekte, während sie durch die Produktion laufen. Defekte wie Risse oder Etikettierungsfehler werden sofort erkannt und aussortiert.
Beispiele: In einem Automobilwerk inspiziert ein Vision-System geschweißte Verbindungen auf Risse oder Lücken. In einer pharmazeutischen Anlage überprüft ein QA-Roboter Dichtungen, Etiketten und Tablettenmengen, um die Sicherheitsstandards einzuhalten.
Sensoren und angeschlossene Systeme überwachen die Geräteleistung und erfassen Daten wie Vibration, Druck und Zykluszeiten. Dies unterstützt die vorausschauende Wartung und die Planung von Reparaturen, bevor es zu Ausfällen kommt.
Beispiele: In einer Chemieanlage werden Pumpen und Mischer auf Leckagen überwacht. Textilfabriken verfolgen die Gewebespannung, um Mängel zu reduzieren und eine konsistente Produktion aufrechtzuerhalten.
Robotersysteme verfolgen, bewegen und verwalten Bestände in allen Einrichtungen. Automatisierte Plattformen scannen und aktualisieren die Lagerbestände und sorgen für eine direkte Kommissionierung und Bestandsaufstockung, um eine schnellere und genauere Abwicklung zu ermöglichen.
Beispiele: In einem Modelager verfolgen Robotersysteme SKUs und senden bei Bedarf Alarme. In Distributionszentren transportieren AMR schwere Teile und Paletten in Bereitstellungsbereiche.
Seit Jahrzehnten stehen Roboter in der Fertigung für Geschwindigkeit, Stärke und Präzision. Sie wurden gebaut, um das zu tun, was Menschen nicht konnten – oder nicht tun sollten. Und während sich die Robotiktechnologien in bemerkenswertem Tempo weiterentwickeln, liegt der wahre Wandel in der Art und Weise, wie diese Maschinen vernetzt sind. Roboter arbeiten nicht mehr isoliert in der Fabrik. Stattdessen funktionieren sie als Teil einer umfassenderen digitalen Umgebung, die Produktion, Planung, Qualität und Wartung verbindet.
Wenn Robotiksysteme mit Unternehmenssoftware, vernetzten Geräten und Echtzeitdaten integriert werden, werden Fertigungsabläufe vorhersehbarer und einfacher zu verwalten. Informationen fließen schneller, Anpassungen erfolgen früher und Verbesserungen erstrecken sich über eine einzelne Produktionslinie oder Abteilung hinaus. Die Zukunft der Robotik in der Fertigung wird nicht nur von der Anzahl der installierten Maschinen geprägt sein, sondern auch davon, wie effektiv sie innerhalb der vernetzten Systeme arbeiten, die die moderne Fertigung unterstützen.
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