SCARA-Roboter

Für jede Montage- bzw. Handhabungsaufgabe gibt es geeignete und weniger geeignete Roboter-Kinematiken. Der Einsatz von SCARA-Robotern zeigt in bestimmten Applikationen entscheidende Vorteile, wenn man dabei einige grundsätzliche Empfehlungen bei dem Einsatz der Roboter und der Aufstellung der Peripheriegeräte beachtet. Ebenso wichtige Punkte für den Einsatz sind auch der Aufwand für Wartung, Instandhaltung und die Frage der Wirtschaftlichkeit.

SCARA-Roboter: Vier Achsen reichen aus

Bereits Mitte der siebziger Jahre fand Professor Makino in Japan heraus, dass in der Regel 80% der Fügebewegungen gradlinig von oben erfolgen und, dass der benötigte Arbeitsraum in etwa der Reichweite eines menschlichen Arms entspricht, wenn das Produkt montagefreundlich gestaltet ist. Aus diesen Erkenntnissen entwickelte Professor Makino die Kinematik der SCARA-Roboter. Dabei bildete er den menschlichen Arm in sehr vereinfachter Form nach. Für die Positionierung in der horizontalen Ebene verwendete er zwei durch Drehgelenke verbundene Hebel, die vom Aufbau dem Schultergelenk und Oberarm sowie dem Ellenbogengelenk und dem Unterarm entsprechen. Die dritte Achse führte er als Linearachse aus und zwar in Form einer Pinole, die an der Spitze der Ellenbogenachse befestigt war und nach unten herausfahren konnte. Diese Achse ist die Vertikal- oder Z-Achse, an deren unterem Ende der Greifer befestigt ist und der zum Fügen der Teile dient. Die vierte Achse ist die W- (Wrist) oder Hand-Achse, sie dreht die Z-Achsenpinole um ihre Mittelachse, um so die Orientierung des Greifers zu bewerkstelligen. SCARA ist eine Abkürzung und steht für Selective Compliance Assembly Robot Arm und bedeutet so viel wie selektiv ausgleichender Montageroboter. Damit ist die Nachgiebigkeit der Horizontalachsen beim vertikalen Fügen zu verstehen.

SCARA-Roboter: Geringer Platzbedarf und hohe Steifigkeit

Vorteile des SCARA-Roboters gegenüber anderen Kinematiken, sind neben der im Verhältnis zu seinem Arbeitsraum kleinen Standfläche auch die hohe Steifigkeit des Roboterarms in vertikaler Richtung. Dadurch kann er je nach Modell Einpresskräfte bis zu 200 N aufnehmen, ohne dass er dauerhaft Schaden erleidet. Im Übrigen ist die Mechanik des SCARA-Roboters wesentlich robuster gegenüber kleineren Kollisionen als die von Knickarmrobotern mit ihren empfindlichen Getrieben in der fünften und sechsten Achse. Die hohe Horizontalgeschwindigkeit des SCARA-Roboters und die dadurch kurzen Pick- und Placezeiten sowie seine große Wiederholgenauigkeit zeichnen ihn ebenfalls aus. Durch den zentralen Standfuß und der Freischaltung der Achsen ergibt sich eine unkomplizierte, schnelle und gute Zugänglichkeit an die Peripherie für Wartungs- und Einrichtearbeiten.

SCARA-Roboter: Bewegungsablauf

Der SCARA-Roboter wurde entwickelt, um Werkstücke in einer möglichst kurzen Zeit von der Bereitstellungsposition zum Montageort zu bringen und sie geradlinig vertikal von oben zu fügen. Das bedeutet aus der Sicht der Steuerungstechnik, dass die Achsen des Roboters eine zeit- und wegoptimierte Bewegung ausführen müssen. Einen solchen Ablauf erhält man, wenn die Achsen eine Punkt-zu-Punkt-Bewegung ausführen. Um einen aus der Sicht der Dynamik eleganten und optimalen Bewegungsablauf zu erhalten, starten und stoppen Schulter- und Ellenbogenachse gleichzeitig. Dadurch bewegt sich der Greifer auf radienförmigen oder elliptischen Bahnen zwischen Start- und Zielpunkt. Durch Unkenntnis oder Missachtung dieser Tatsache werden oft Peripheriegeräte mit Störkanten im Schwenkbereich des Armes aufgebaut, die die Bewegung des SCARA-Roboters dann behindern. So kann es leicht zu Kollisionen kommen und es müssen Verschleifpositionen einprogrammiert werden, um das Hindernis zu umfahren. Das wirkt sich natürlich äußerst negativ auf die Taktzeit aus. Daher gilt als oberste Prämisse: Bei hochgezogener Vertikalachse muss sich der Roboterarm völlig frei innerhalb seines möglichen Arbeitsbereiches bewegen können. Störkonturen von Peripheriegeräten oder der Schutzumzäunung sind zu vermeiden bzw. in die hinteren beiden Schenkel des Arbeitsbereiches zu legen.

SCARA-Roboter: Zykluszeiten

Bei der Gestaltung der Roboterperipherie sollte man versuchen die Positionen in der horizontalen Ebene so zu legen, dass Schulter- und Ellenbogenachse vom Start- zum Zielpunkt in die gleiche Richtung drehen. Dadurch ergibt sich eine Summierung der Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Achse und eine kürzere Zykluszeit als bei gegenläufiger Bewegung bei gleichem Abstand. Diese Empfehlung ist jedoch in den meisten Fällen nicht realisierbar, da Peripheriegeräte konstruktive Merkmale und geometrische Gegebenheiten aufweisen, die nicht beeinflusst werden können. Bei den meisten Anbietern von SCARA-Robotern liegen die Positionen, die für die Bestimmung der Referenzzykluszeiten verwendet werden, optimalerweise im äußeren Bereich des Arbeitsbereiches. Will man sich jedoch bei der Planung des Robotereinsatzes über die zu erwartende Taktzeit klar werden, sollte eine Taktzeitstudie anhand eines konkreten Layouts durchgeführt werden. Auf keinen Fall sollten Zeiten aufgrund von Winkelgeschwindigkeiten und Drehwegen berechnet werden. Selbst Simulationsprogramme weisen in der Regel einen Fehler von 10% bis 15% auf.

SCARA-Roboter: Sinnvolle Anordnung der Peripherie

Oft wird der Arbeitsbereich des SCARA-Roboters durch ungeschickt angeordnete Peripheriegeräte schlecht zugänglich. Das Teachen von Positionen wird erschwert und Wartungsarbeiten am SCARA-Roboter und an der Peripherie sind nur mühsam durchführbar. Am besten platziert man die Zuführungen von Teilen wie Vibrationswendelförderer, Stangenmagazine oder Paletten jeweils in den beiden Schenkeln des Arbeitsbereiches. Die Position des Montagenestes bzw. Werkstückträgers legt man vorne in die Mitte des Arbeitsbereiches des SCARA-Roboters. Dadurch können auch mehrere Roboterstationen nebeneinander in Linie aufgestellt werden und der Bediener kann bequem alle Punkte im Arbeitsbereich erreichen. Um einen Maschinenstillstand beim Nachfüllen von Teilen zu vermeiden, sollte sich z.B. der Nachfüllbunker bzw. Sortiertopf außerhalb der Schutzumzäunung des SCARA-Roboters befinden.

SCARA-Roboter: Instandhaltung und Wartung

SCARA-Roboter besitzen eine wartungsarme Antriebsmechanik. Die beiden Hauptachsen sind wartungsfrei, wenn die eingesetzten Getriebe eine Dauerfettfüllung haben und durch elektronisch kommutierte Motoren angetrieben werden. Nur die Z/W-Achse muss von Zeit zu Zeit gefettet werden. Darüber hinaus ist nur die Spannung der Zahnriemen, die die Bewegungen der Motoren auf die Welle übertragen regelmäßig zu kontrollieren.

Der Verschleiß der Robotermechanik richtet sich nach der Höhe der Beanspruchung. Wird der Roboter mit maximaler Belastung in Bezug auf Handhabungsgewicht, Beschleunigung und Geschwindigkeit betrieben, verschleißen Getriebe, Lager und Spindeln schneller. In den meisten Fällen werden die SCARA-Roboter jedoch nur gering bis mittelschwer belastet, da die Handhabungsgewichte von Greifer und Werkstück meist unter 3 Kilogramm liegen. Alle Teile des SCARA-Roboters sind für eine Lebensdauer von ca. 30.000 Betriebsstunden ausgelegt. Durch den einfachen mechanischen Aufbau lässt sich der Roboterarm schnell zerlegen, das Verschleißteil austauschen und der Roboterarm wieder zusammen bauen.

SCARA-Roboter: Wirtschaftlichkeit

In Bezug auf Wirtschaftlichkeit bietet der SCARA-Roboter viele Vorteile. Durch seine vierachsige Kinematik ist er wesentlich kostengünstiger als vergleichbare Knickarmroboter mit gleichen Leistungsdaten. Sein robuster Aufbau ist auch weniger anfällig für mechanische Beschädigungen bei kleineren Kollisionen, die immer wieder vorkommen können, wenn Werkstücke fehlpositioniert sind oder aufgrund von Toleranzen nicht gefügt werden können. Dadurch fallen auch die Instandhaltungskosten geringer aus als bei Knickarmgeräten. Zum anderen ist der SCARA-Roboter schneller zum Einsatz zu bringen als pneumatisch oder elektrisch arbeitende Handlingmodule, die zuerst zusammenmontiert und einjustiert werden müssen. So spart man in der Inbetriebnahmephase einer Anlage Zeit und Geld und ist später flexibel, wenn sich kleine Änderungen am Produkt oder im Produktionsprozess ergeben sollten.