Die Entwicklung und Zukunft der Robotik in der Fertigung

In der Industrie werden oft immer wieder dieselben körperlichen Arbeiten verrichtet, z. B. das Heben und Zusammensetzen schwerer Teile. Diese Arten von manuellen Aufgaben können riskant sein. Im Jahr 2023 wurden allein in den Vereinigten Staaten 5.283 tödliche Arbeitsunfälle gemeldet.

Mit dem zunehmenden Einsatz von intelligenten Industrierobotern und Technologien wie künstlicher Intelligenz (KI) und Computer Vision werden viele dieser risikoreichen Aufgaben nun von Maschinen übernommen. Roboter in der Fertigung sind jetzt in der Lage, schwere Materialien zu heben, Anlagen auf Probleme zu prüfen und mit Menschen zusammenzuarbeiten, um die Sicherheit und Effizienz in der Fabrik zu verbessern.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick darauf, wie Industrieroboter die Arbeitsweise in Fabriken verändern und zu sichereren und produktiveren Arbeitsplätzen beitragen. Legen wir los!

Was sind Industrieroboter?

Industrieroboter sind intelligente Maschinen, die speziell für die Unterstützung bei Fertigungsaufgaben entwickelt wurden. Roboter in der Fertigung werden in der Regel entweder zum Heben schwerer Produktkomponenten, wie Auto- oder Flugzeugteile, oder zur schnellen Erledigung kleiner, detaillierter Aufgaben, wie dem Zusammenbau elektronischer Schaltkreise oder der Verpackung von Produkten, eingesetzt. 

Im Gegensatz zu den humanoiden Robotern, die wir oft in Science-Fiction-Filmen wie The Terminator oder I, Robot sehen, sind Industrieroboter im Allgemeinen stationär und mit einem einzigen Roboterarm ausgestattet. Dieser Roboterarm kann sich in der Regel in mehrere Richtungen bewegen und für verschiedene Aufgaben in der Fertigung programmiert werden, z. B. Schweißen, Montage oder Materialtransport. 

Industrieroboter sind besonders gut darin, sich wiederholende Arbeiten schnell und genau auszuführen, ohne Pausen einlegen zu müssen, was sie ideal für den Einsatz in Fabriken und Lagern macht. Infolgedessen werden weltweit mehr als 4 Millionen Roboter in Fabriken eingesetzt. 

Arten von Industrierobotern

Roboter in Fabriken werden immer häufiger eingesetzt und übernehmen eine Vielzahl von Aufgaben. Hier sind einige verschiedene Arten von Industrierobotern und wie sie eingesetzt werden, um die Arbeit in Fabriken effizienter und sicherer zu machen: 

• Kartesische Roboter: Diese auch als Gantry-Roboter bezeichneten Roboter bewegen sich entlang gerader Linien mit Hilfe von drei Gleitgelenken entlang der X-, Y- und Z-Achse. Ihr einfaches Design ermöglicht eine hohe Präzision und macht sie ideal für Fertigungs- und Automatisierungsaufgaben.

• Knickarmroboter: Diese Knickarmroboter ahmen die Bewegung eines menschlichen Arms mit mehreren Drehgelenken nach. Sie bieten Flexibilität und einen großen Bewegungsspielraum und werden häufig in den Bereichen Montage, Lackierung und Verpackung eingesetzt.

• Delta-Roboter: Delta-Roboter verfügen über drei leichte Arme, die mit einer dreieckigen Basis verbunden sind, und sind auf Geschwindigkeit und Beweglichkeit ausgelegt. Sie eignen sich gut für Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Operationen, insbesondere in der Verpackungsindustrie.

• Polare Roboter: Polarroboter gehören zu den frühesten Arten von Industrierobotern und verwenden eine Kombination aus Dreh- und Lineargelenken, um einen kugelförmigen Bewegungsbereich zu ermöglichen. Sie sind nützlich für Aufgaben, die eine große, multidirektionale Reichweite erfordern.

• SCARA-Roboter: Kurz für Selective Compliance Assembly Robot Arm, SCARA-Roboter verwenden zwei Drehgelenke und ein Lineargelenk. Sie sind ideal für Aufgaben, die schnelle und präzise horizontale und vertikale Bewegungen erfordern, wie z. B. die Elektronikmontage und die Lebensmittelverarbeitung.

Geschichte der Robotik in der Fertigung

Bevor wir uns mit konkreten Beispielen für den Einsatz von Industrierobotern befassen, werfen wir einen Blick auf die Entwicklung von Robotern in der Fertigung, um ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, wie sich die Industrierobotik im Laufe der Jahre verändert hat:

• Frühe Fertigung (Vor-Roboter-Ära): Vor der Robotik beruhte die Fertigung ausschließlich auf manueller Arbeit und einfachen Werkzeugen. Mit der industriellen Revolution wurden Dampfkraft, Maschinen und Fließbänder eingeführt, was die Produktivität steigerte, aber viele Aufgaben blieben repetitiv, gefährlich oder arbeitsintensiv.

• Einführung von Industrierobotern (1950er - 1980er Jahre): 1954 erfand George Devol den Unimate, den ersten programmierbaren Roboter. 1961 wurde er von General Motors für Druckguss- und Schweißarbeiten eingesetzt und war damit der erste Industrieroboter im Einsatz. Dies markierte einen bedeutenden Wandel, da gefährliche und sich wiederholende Aufgaben, insbesondere in der Automobilherstellung, automatisiert wurden.

• Erweiterung und Verfeinerung (1990er - 2000er Jahre): Roboter wurden schneller, präziser und erschwinglicher. Ihr Einsatz weitete sich auf Branchen wie Elektronik, Pharmazie und Lebensmittelverarbeitung aus. Durch die flexible Automatisierung konnten Roboter mehrere Aufgaben mit minimaler Neuprogrammierung übernehmen.

• Aufstieg der kollaborativen Roboter (2010er Jahre - heute): Kollaborationsroboter oder Cobots sind entstanden, um sicher an der Seite von Menschen zu arbeiten. Mit eingebauten Sensoren, KI und Kamerasystemen können sie sich an ihre Umgebung anpassen und bei komplexen oder heiklen Aufgaben helfen.

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In Zukunft werden Industrieroboter wahrscheinlich noch intelligenter und anpassungsfähiger werden. Forscher und Ingenieure arbeiten aktiv an Technologien, die es Robotern ermöglichen, zu lernen, sich an neue Situationen anzupassen und auf unterstützende und dynamische Weise enger mit Menschen zusammenzuarbeiten.

Beispiele für Industrierobotik

Als Nächstes werden wir uns mit realen Beispielen von Robotern in der Fertigung und deren Einsatz in der Fabrikhalle befassen.

Industrieroboter im Flugzeugbau

Der Flugzeugbau umfasst komplexe und heikle Prozesse, insbesondere bei großen Flugzeugen wie der Boeing 777. Für die Montage einer einzigen 777 werden beispielsweise mehr als 60.000 Nieten benötigt. Traditionell waren an dieser Aufgabe zwei Arbeiter beteiligt: einer, der die Nietpistole bediente, und ein anderer, der eine Stahlstange hinter der Platte hielt, um das Befestigungselement zu sichern. 

Diese Art von Aufgaben kann körperlich anstrengend sein und zu Verletzungen an Armen, Rücken und Schultern führen. Darüber hinaus ist im Flugzeugbau Präzision entscheidend, und es gibt wenig Raum für Fehler.

Um solche Arbeitsabläufe zu verbessern, hat Boeing Industrieroboter eingesetzt. In seinem 777-Werk in Everett, Washington, führte das Unternehmen das Fuselage Automated Upright Build (FAUB) -System ein, ein robotergestütztes Montageverfahren, mit dem das Bohren und Nieten von Rumpfteilen automatisiert wird.

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Einmal programmiert, können diese Roboter Zehntausende von perfekten Löchern für Nieten bohren. Im Gegensatz zu den älteren Anlagen mit festen Vorrichtungen sind die FAUB-Roboter mobil und können sich auf geführten Fahrzeugen entlang der Montagelinien bewegen. Nachdem die Arbeiter die Rumpfplatten positioniert haben, übernehmen die Roboter das Bohren und Nieten, was sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit erhöht. Dieser Ansatz steht im Einklang mit den jüngsten Entwicklungen in der Roboterindustrie, die weiterhin auf intelligentere, sicherere und effizientere Lösungen in der Fertigung drängt.

Lebensmittelherstellung durch Industrieroboter

Auch in der Lebensmittelindustrie werden Roboter in der Produktion immer häufiger eingesetzt. In der Nestlé-Fabrik in Deutschland beispielsweise wird die Produktion von Babynahrung über eine vollautomatische Verpackungslinie gesteuert. Roboter übernehmen Aufgaben wie den Transport von gefüllten und versiegelten Lebensmittelschalen in Sterilisationskisten und anschließend in Verpackungen für den Versand. Dadurch wird der gesamte Vorgang schneller, sicherer und zuverlässiger.

Nestlé setzt auch mobile Roboter wie Spot von Boston Dynamics ein, um Wartungsprobleme in seinen Anlagen zu überwachen. Im Gegensatz zu herkömmlichen stationären Sensoren, die Probleme nur in bestimmten Bereichen erkennen können, kann sich Spot frei in der Fabrik bewegen. Dieses Konzept der mobilen, flexiblen Automatisierung ist ein wachsender Trend in der Robotikbranche.

Spot kann Treppen steigen, sich in engen Räumen bewegen und mit unebenen Böden umgehen. Er ist mit speziellen Sensoren ausgestattet, die ihm helfen, Fabrikmaschinen wie Motoren und Kompressoren auf Hitze, Geräusche oder andere Warnzeichen zu überprüfen. Spot kann auch Probleme frühzeitig erkennen und beheben, bevor sie ernst werden. 

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Herstellung von Autos mit Hilfe von Industrierobotern

Industrieroboter waren schon immer ein wichtiger Bestandteil der Automobilherstellung. Tatsächlich entfallen 33 % aller Industrieroboterinstallationen in den USA auf die Automobilindustrie. 

Ein interessantes Beispiel dafür ist das BMW-Werk in Spartanburg im Jahr 2013. In diesem Werk arbeiteten Menschen und Roboter ohne Schutzzäune Seite an Seite am Türmontageband. Damit war es das erste BMW-Werk, in dem diese Art der direkten Mensch-Roboter-Zusammenarbeit in der regulären Produktion eingesetzt wurde.

Vier Roboter wurden eingesetzt, um Schall- und Feuchtigkeitsisolierung in den Türen von BMW X3-Modellen anzubringen. Die Arbeiter brachten zunächst die Klebefolie an und drückten sie leicht an. Dann übernahmen die Roboter die Aufgabe und erledigten sie mithilfe von Rollenköpfen mit hoher Präzision.

Das System war vollautomatisch und konnte den exakten Druck während des Prozesses messen, was eine ständige Überwachung der Qualität ermöglichte. Sollte die Arbeit des Roboters jemals unterbrochen werden, konnte ein menschlicher Mitarbeiter einfach einspringen und die Aufgabe manuell erledigen, sodass die Produktion ohne Verzögerungen weiterlief.

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Vorteile der Robotik in der Fertigung

Sehen wir uns nun einige der wichtigsten Vorteile des Einsatzes von Robotern in der Fertigung genauer an.

• Präzision und Genauigkeit: Industrieroboter bieten ein hohes Maß an Präzision und Geschwindigkeit. Einige sind in der Lage, Aufgaben mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer auszuführen.
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• Verlässlichkeit: Mit einer Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden ohne Ausfall können Industrieroboter über lange Zeiträume ohne Unterbrechung arbeiten.
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• Erhöhte Sicherheit am Arbeitsplatz: Roboter erledigen auch gefährliche Aufgaben, wie z. B. die Arbeit in engen Räumen oder mit gefährlichen Materialien, und tragen so dazu bei, dass 35 % der verletzungsbedingten Ausfalltage reduziert werden.

• Steigern Sie die Produktivität: Anders als Menschen brauchen Roboter keine Pausen, freie Tage oder Ruhezeiten. Sie können rund um die Uhr arbeiten, was die Produktivität erheblich steigern kann. 

• Kosteneffizienz: Obwohl der Kauf und die Installation dieser Roboter zunächst teuer sein können, führen sie im Laufe der Zeit zu erheblichen Einsparungen. Sie senken die Arbeitskosten, verringern das Fehlerpotenzial und reduzieren verletzungsbedingte Kosten.

• Skalierbarkeit: Sobald die Roboter eingerichtet sind, können die Hersteller die Produktion leichter steigern, ohne zusätzliche Mitarbeiter einstellen oder größere Änderungen vornehmen zu müssen. Dies bedeutet, dass die Hersteller schnell auf eine wachsende Nachfrage reagieren und auf einem sich verändernden Markt flexibel bleiben können.

Herausforderungen und Grenzen der Robotik in der Fertigung

Industrieroboter bieten zwar viele Vorteile, bringen aber auch einige Herausforderungen mit sich, insbesondere in Bezug auf Fachwissen und Wartung. Diese Roboter in Fabriken erfordern qualifizierte Fachleute, die sie programmieren, bedienen und warten. 

Auch wenn viele Roboter in der Industrie heute mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen arbeiten, müssen sie dennoch regelmäßig gewartet werden, um Ausfälle zu vermeiden. Wenn ein Team von Herstellern nicht bereits über dieses Wissen verfügt, kann die Schulung des Personals sowohl teuer als auch zeitaufwändig sein.

Interessanterweise kommt die Lösung für diese Herausforderungen auch in Form von Vision AI, genauer gesagt, Computer Vision, einem Zweig der KI, der sich auf das Verstehen visueller Daten konzentriert. So können beispielsweise Computer-Vision-Modelle wie Ultralytics YOLO11 trainiert werden, um Industrieroboter zu erkennen und zu verfolgen. Die Erkenntnisse aus der Verfolgung dieser Roboter mithilfe von YOLO11 können zur frühzeitigen Erkennung von Problemen genutzt werden (so genannte vorausschauende Wartung). Dadurch wird der Bedarf an fachkundiger Überwachung verringert und unerwartete Ausfälle werden reduziert.

Darüber hinaus kann die Computer Vision auch die Erstellung digitaler Zwillinge in Echtzeit unterstützen. Digitale Zwillinge sind virtuelle Modelle von physischen Maschinen und Robotern, die anhand von visuellen Daten aus der Fertigungsumgebung erstellt werden. 

Mit digitalen Zwillingen können Hersteller ihre Anlagen in Echtzeit überwachen, Probleme erkennen, bevor sie zu Störungen führen, und Prozessverbesserungen testen, ohne die eigentliche Produktion zu unterbrechen. Diese Technologie sorgt für eine gleichmäßigere Leistung, verbessert die Entscheidungsfindung und verringert kostspielige Ausfallzeiten.

Technologien für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen

Bei der Erörterung der Herausforderungen beim Einsatz von Industrierobotern haben wir gesehen, dass viele von ihnen inzwischen durch KI und maschinelles Lernen unterstützt werden. Aber wie funktioniert das eigentlich, und welche Rolle spielt KI in der Robotik?

Herkömmliche Industrieroboter sind auf feste, sich wiederholende Aufgaben beschränkt. Sie befolgen vorprogrammierte Anweisungen und können sich nicht ohne Weiteres an Veränderungen in der Produktionslinie anpassen. Das macht sie in Umgebungen, in denen Flexibilität, Geschwindigkeit und Genauigkeit wichtig sind, weniger effizient. 

Ohne KI können Roboter Produktfehler nicht in Echtzeit erkennen oder sich an geringfügige Material- oder Positionsabweichungen anpassen, was häufig zu langsameren Prozessen, mehr Fehlern und längeren Ausfallzeiten führt. KI in der Fertigung ermöglicht es Robotern, über einfache, vorprogrammierte Aufgaben hinauszugehen. 

Mit maschinellem Lernen in der Fertigung können Roboter Daten aus ihrer Umgebung analysieren, Muster erkennen und ihre Leistung mit der Zeit verbessern. So kann ein bildverarbeitungsfähiger Roboter beispielsweise verschiedene Objekte auf einem Fließband identifizieren, seine Bewegungen auf der Grundlage dessen, was er sieht, anpassen und sogar Fehler oder Anomalien in Echtzeit erkennen. Hinter den Kulissen ist die Computer Vision die treibende Kraft hinter dieser Innovation.

Ein bildverarbeitungsfähiger Roboter ist in der Regel mit der erforderlichen Hardware-Infrastruktur ausgestattet, um Computer-Vision-Modelle wie Ultralytics YOLO11 auszuführen. Durch die Integration von Kameras und Computer Vision erhält ein Roboter die Fähigkeiten des zugrunde liegenden Modells. Im Fall von YOLO11 bedeutet dies, dass ein Roboter Bildverarbeitungsaufgaben wie Objekterkennung, -verfolgung und -segmentierung durchführen kann.

Die Auswirkungen des Internets der Dinge (IoT) 

Weitere Konzepte im Zusammenhang mit Industrierobotern sind IoT in der Fertigung und Edge Computing. IoT bezieht sich auf ein Netzwerk verbundener Geräte, die Daten sammeln und austauschen (hauptsächlich über das Internet). Beim Edge Computing hingegen werden die Daten direkt an der Quelle verarbeitet, z. B. von einem Roboter oder Sensor, ohne dass sie erst an einen zentralen Server gesendet werden müssen. 

Wenn industrielle IoT-Geräte (IIoT) große Datenmengen sammeln, kann das Senden dieser Daten an ein zentrales System in der Cloud zur Analyse zu Verzögerungen (Latenz) und zur Verlangsamung der Abläufe führen. Durch den Einsatz von Edge Computing in Verbindung mit dem IoT können Hersteller die Daten jedoch sofort verarbeiten, wodurch Echtzeitreaktionen möglich sind und die Automatisierung gestärkt wird. 

Ein klares Beispiel für die Zusammenarbeit von KI und IoT in der Fertigung ist die vorausschauende Wartung. In intelligenten Fabriken besteht eines der Hauptziele von Industrie 4.0 darin, Anlagenausfälle vorherzusehen, bevor sie auftreten. 

Um dies zu erreichen, müssen IIoT-Geräte voll funktionsfähig und zuverlässig bleiben. Durch die Kombination von Edge Computing, KI und Computer Vision können diese Geräte ihren eigenen Zustand kontinuierlich überwachen, erkennen, wann eine Wartung oder ein Aufladen erforderlich ist, und automatisch die notwendigen Maßnahmen einleiten. Dies sorgt für einen reibungslosen Betrieb der Maschinen, reduziert ungeplante Ausfallzeiten und verbessert die Gesamteffizienz.

Wie Automatisierung und Robotik die Fertigungseffizienz verbessern

Nachdem wir nun ein besseres Verständnis von Technologien wie KI, Computer Vision, IoT und Edge Computing haben, wollen wir untersuchen, wie diese zusammenarbeiten können, um die Fertigungsautomatisierung effizienter zu machen. 

Das Hauptziel der Automatisierung besteht darin, Prozesse zu rationalisieren und sie schneller, zuverlässiger und weniger anfällig für menschliche Fehler zu machen. Nehmen wir zum Beispiel eine Fabrik, die Unterhaltungselektronik wie Smartphones zusammenbaut. Bildverarbeitungsfähige Roboterarme können die heikle Aufgabe übernehmen, winzige Komponenten mit Präzision auf Leiterplatten zu platzieren. 

Gleichzeitig können KI-gestützte Bildverarbeitungssysteme jeden Schritt der Montage überprüfen und Fehler wie falsch ausgerichtete Teile oder fehlerhafte Lötstellen in Echtzeit erkennen. Gleichzeitig können IoT-Sensoren Umweltfaktoren wie Temperatur, Staub und Vibrationen überwachen, die die Qualität empfindlicher Komponenten beeinträchtigen könnten. 

Mit Edge Computing kann das System diese Daten sofort verarbeiten und an Ort und Stelle Anpassungen vornehmen, wie z. B. das Anhalten der Linie oder die Neukalibrierung eines Roboters, ohne auf cloudbasierte Antworten warten zu müssen. Zusammengenommen kann die automatisierte Fertigung eine Produktionslinie schaffen, die schneller, genauer und hochgradig anpassungsfähig ist, was zu einer höheren Produktqualität und niedrigeren Betriebskosten führt.

Wie die Robotik die Zukunft der Fertigung verändert

Die Zukunft der Industrieroboter entwickelt sich rasant, wobei Technologien wie Vision AI in der Fertigung und das IoT eine wichtige Rolle spielen. Mit diesen Tools können Roboter sehen, woran sie arbeiten, Fehler erkennen, die Produktqualität prüfen und Probleme vorhersagen, sobald sie auftreten. Viele Hersteller setzen diese Systeme bereits ein, um ihre Abläufe effizienter und einheitlicher zu gestalten.

Der Markt für Industrierobotik wächst stetig, und dieses Wachstum ist auf die ständigen Verbesserungen in der Robotik, den leichteren Zugang zu qualifizierten Ingenieuren und den Einsatz von Simulation und virtuellen Tests zurückzuführen. Diese Entwicklungen beschleunigen die Entwicklung und Feinabstimmung von Robotern für den Einsatz in der Praxis. Da immer mehr Fabriken digitale Werkzeuge und Automatisierung einsetzen, werden sie flexibler, zuverlässiger und sind bereit, zukünftige Herausforderungen zu meistern.

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