6-Achs-, Palettier-, Biege- und Pressenroboter: die technischen Unterschiede

Auf den ersten Blick sehen viele Industrieroboter ähnlich aus: Sockel, Arm, Handgelenk, Greifer. Technisch ist die Frage „Warum brauche ich einen Palettier-, Biege- oder Pressenroboter, wenn ein normaler 6-Achs-Roboter doch ebenfalls Teile bewegen kann?“ aber sehr relevant.

Die kurze Antwort lautet: Ein Spezialroboter ist nicht automatisch „mehr Roboter“, sondern für ein engeres Prozessfenster optimiert. Die Optimierung kann in der Achszahl, der Kinematik, der Armgeometrie, dem Handgelenk, der zulässigen Massenträgheit, der Leitungsführung, dem Arbeitsraum und der Zykluscharakteristik liegen. Ein universeller 6-Achser maximiert dagegen die räumliche Bewegungsfreiheit.

Dieser Ratgeber erklärt die Unterschiede technisch und anhand konkreter ESTUN-Bauarten.

1. Der normale 6-Achs-Industrieroboter als Referenz

Ein klassischer 6-Achs-Knickarmroboter besitzt sechs aktiv angetriebene Rotationsachsen. Vereinfacht übernehmen die ersten drei Achsen hauptsächlich die Positionierung des Handgelenks im Raum, während die Achsen 4 bis 6 die Werkzeugorientierung erzeugen. In der Praxis wirken alle Achsen zusammen.

Mit sechs unabhängigen Freiheitsgraden kann ein Werkzeug grundsätzlich eine vollständige räumliche Pose anfahren:

• Translation in X
• Translation in Y
• Translation in Z
• Rotation um X
• Rotation um Y
• Rotation um Z

Genau diese vollständige Orientierungsfreiheit macht den 6-Achser universell. Er kann ein Werkstück nicht nur von A nach B transportieren, sondern während des Transports drehen, kippen, wenden, um Hindernisse herumführen oder mit einer definierten Werkzeugorientierung an eine Maschine heranfahren.

Typische Stärken

• hohe räumliche Flexibilität
• freie Werkzeugorientierung
• geeignet für wechselnde Aufgaben
• Maschinenbeladung, Handling, Montage, Schweißen, Prozessautomation und Palettieren möglich
• gut geeignet für Anwendungen mit komplexen Störkonturen

Die Flexibilität hat einen Preis

Sechs angetriebene Achsen bedeuten mehr bewegte Mechanik, mehr zu koordinierende Gelenke und mehr mögliche Roboterstellungen. Das erhöht die Flexibilität, aber auch die kinematische Komplexität. Bei einer Aufgabe, die eigentlich nur vier Freiheitsgrade benötigt, können zwei zusätzliche Handgelenksachsen funktional überflüssig sein.

Ein Beispiel aus dem ESTUN-Portfolio ist der ER170B-2650: sechs Achsen, 170 kg Nenntraglast und 2.650 mm Arbeitsradius. Ein solcher Roboter kann sehr unterschiedliche Handlingaufgaben übernehmen. Genau diese Universalität ist sein Hauptvorteil.

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2. Palettierroboter: weniger Freiheitsgrade können die bessere Lösung sein

Beim klassischen Palettieren ist die Bewegungsaufgabe deutlich stärker eingeschränkt als bei einer universellen Handlinganwendung. Ein Karton, Sack, Behälter oder Werkstück wird aufgenommen, über eine meist relativ freie Bahn transportiert und auf einer Palette an einer berechneten X/Y/Z-Position abgelegt.

In vielen Palettieranwendungen muss das Produkt zwar um die Hochachse gedreht werden, aber nicht beliebig um alle drei Raumachsen gekippt werden. Deshalb sind spezialisierte Palettierroboter häufig als 4-Achs-Roboter ausgeführt.

Bei ESTUN sind beispielsweise ER60-2000-PL, ER120-2400-PL, ER180-3100-PL und ER500-3200-PL als 4-Achs-Palettierroboter ausgeführt. Der ER500 erreicht dabei 500 kg Traglast bei 3.200 mm Reichweite.

Was fehlt gegenüber dem 6-Achser?

Ein 4-Achs-Palettierer besitzt nicht die gleiche freie dreidimensionale Werkzeugorientierung wie ein 6-Achs-Knickarmroboter. Genau das ist aber häufig Absicht. Die Kinematik wird auf die für das Palettieren notwendigen Bewegungen konzentriert.

Die praktische Konsequenz:

• weniger unnötige Gelenkbewegungen
• klare und wiederholbare Palettierbahnen
• großer nutzbarer Arbeitsraum für Palettenhöhen und Fördertechnik
• hohe Traglasten möglich
• die Werkzeugorientierung ist stärker durch die Kinematik vorgegeben

Auch andere Hersteller setzen dieses Prinzip ein. KUKA führt beispielsweise den KR 300-2 PA ausdrücklich als 4-Achs-Palettierroboter für bis zu 300 kg Traglast.

Warum ist ein 6-Achser nicht automatisch besser?

Mehr Achsen bedeuten nur dann einen Vorteil, wenn die zusätzlichen Freiheitsgrade im Prozess gebraucht werden. Muss ein Karton während des Palettierens nicht komplex gekippt werden, erzeugen zwei zusätzliche Freiheitsgrade keinen direkten Prozessnutzen.

Anders sieht es aus, wenn der Roboter neben dem Palettieren weitere Aufgaben übernehmen soll, Produkte stark umorientieren muss oder die Zugänglichkeit durch Maschinen und Schutzumhausungen kompliziert ist. Dann kann ein 6-Achser trotz einer eigentlich einfachen Palettieraufgabe die bessere Wahl sein.

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3. Biegeroboter: sechs Achsen, aber für die Abkantpresse optimiert

Ein Biegeroboter zeigt besonders gut, warum die reine Achszahl nicht ausreicht, um Robotertypen zu unterscheiden. Die ESTUN-Biegeroboter ER45-2200-BD, ER80B-2565-BD und ER130-2865-BD besitzen jeweils sechs Achsen. Kinematisch gehören sie damit weiterhin zur Familie der Knickarmroboter – sie sind aber für Biegeprozesse ausgelegt.

Warum braucht Biegen meist sechs Freiheitsgrade?

Bei einer Abkantpresse wird ein Blechteil nicht nur aufgenommen und abgelegt. Zwischen mehreren Biegungen muss das Werkstück häufig:

• neu orientiert werden
• gewendet werden
• mit einer anderen Kante zum Werkzeug geführt werden
• in eine genau definierte Winkel- und Höhenlage gebracht werden
• während der Biegefolge aus dem Kollisionsbereich von Stempel, Matrize und Maschinenständer geführt werden

Gerade bei komplexen Biegeteilen ist die freie Orientierung daher zentral. Ein typischer 4-Achs-Palettierer wäre für diese Aufgabe kinematisch zu eingeschränkt.

Der Unterschied zum normalen 6-Achser liegt in der Prozessoptimierung

Ein Biegeroboter kann sechs Achsen besitzen und trotzdem deutlich anders ausgelegt sein als ein universeller 6-Achser. Relevant sind beispielsweise:

• Arm- und Gelenkgeometrie für den Zugang zur Abkantpresse
• Leitungs- und Medienführung im Bereich des Werkzeugs
• zulässige Momente und Massenträgheiten am Handgelenk
• Arbeitsraum in unmittelbarer Nähe von Stempel und Matrize
• Bewegungsbereiche der einzelnen Achsen
• Prozesssoftware und Schnittstellen zur Biegemaschine

ESTUN bezeichnet die BD-Serie ausdrücklich als spezialisierte Biegeroboter. Die Modelle decken 45, 80 und 130 kg Nenntraglast ab. Der ER45-2200-BD besitzt beispielsweise sechs Achsen, 45 kg Traglast, 2.200 mm Reichweite und eine Wiederholgenauigkeit von ±0,03 mm; der ER130-2865-BD erreicht 130 kg bei 2.865 mm und ±0,04 mm.

Das eigentliche Problem ist nicht nur das Werkstückgewicht

Große Bleche können relativ leicht sein und trotzdem hohe Belastungen am Handgelenk erzeugen. Ursache ist der Abstand des Massenschwerpunkts zum Roboterflansch.

Vereinfacht wächst das statische Moment mit:

M ≈ m · g · r

mit Masse m, Erdbeschleunigung g und Abstand r des Schwerpunkts zur betrachteten Achse. Für dynamische Bewegungen kommt die Massenträgheit hinzu. Näherungsweise steigt der Trägheitseinfluss mit dem Quadrat des Abstands:

J ≈ Σ mᵢ · rᵢ²

Deshalb reicht die Aussage „Das Blech wiegt nur 30 kg, also genügt ein 30-kg-Roboter“ nicht. Greifer, Adapter, Werkstückgröße, Schwerpunkt und zulässige Handgelenksmomente müssen zusammen betrachtet werden.

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4. Pressenroboter: Prozessgeschwindigkeit und Pressenzugang bestimmen die Kinematik

Bei Pressen- und Stanzautomation sieht die Bewegungsaufgabe wieder anders aus. Ein Roboter entnimmt Rohteile, legt sie in ein Werkzeug ein, entnimmt das umgeformte Teil oder transferiert Werkstücke zwischen mehreren Pressen beziehungsweise Pressenstationen.

Interessant ist: Es gibt nicht die eine Pressenroboter-Kinematik. Im ESTUN-Portfolio ist der ER15-1520-PR als 4-Achs-Pressenroboter ausgeführt, während der größere ER150-3200-PR sechs Achsen besitzt.

Warum kann ein Pressenroboter mit vier Achsen auskommen?

Bei stark definierten Stanz- und Transferprozessen bewegt sich das Werkstück häufig zwischen festen Übergabepunkten. Die erforderliche Orientierung kann begrenzt sein. Dann kann eine reduzierte Achsstruktur sinnvoll sein: Sie konzentriert die Bewegung auf die tatsächlich benötigten Freiheitsgrade.

Der ER15-1520-PR kombiniert beispielsweise vier Achsen mit 15 kg Traglast und 1.515 mm Reichweite. ESTUN führt ihn als spezialisierten Pressen-/Stamping-Roboter.

Warum gibt es gleichzeitig 6-Achs-Pressenroboter?

Mit zunehmender Werkstückgröße, komplexerer Orientierung, mehreren Übergabestationen oder schwierigeren Zugängen steigt der Bedarf an räumlicher Bewegungsfreiheit. Der ER150-3200-PR besitzt deshalb sechs Achsen, 150 kg Traglast und 3.200 mm Reichweite.

Damit wird deutlich: Die Bezeichnung Pressenroboter beschreibt primär die Prozessoptimierung – nicht zwingend eine feste Achszahl.

Pressenautomation ist eine hochgradig synchronisierte Zelle

Bei der Integration reicht es nicht, nur Roboterpunkte einzulernen. Die Robotersteuerung muss mit der Presse und der übergeordneten Anlagenlogik zusammenspielen. Typische Signale und Zustände sind beispielsweise:

• Presse bereit
• Werkzeugraum frei beziehungsweise freigegeben
• Roboter in sicherer Position
• Teil eingelegt
• Teil entnommen
• Pressenhub freigegeben
• Störung oder Prozessabbruch

Die konkrete Sicherheitsarchitektur muss für die jeweilige Anlage geplant und validiert werden. Ein normaler zyklischer SPS-Handshake ersetzt keine Risikobeurteilung und keine sichere Steuerungsfunktion.

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5. Direkter technischer Vergleich

6. Die Nenntraglast ist nicht die echte Auslegungsgrenze

Unabhängig vom Robotertyp ist die auf dem Typenschild angegebene Traglast nur der erste Filter. Für eine korrekte Auslegung müssen mindestens betrachtet werden:

• Werkstückmasse
• Greifermasse
• Adapterplatten
• Ventile, Sensorik und Werkzeugwechsler
• Schwerpunktlage der Gesamtlast
• Massenträgheitsmomente
• zulässige Momente an J4, J5 und J6 beziehungsweise der jeweiligen Werkzeugachse
• Beschleunigung und gewünschte Zykluszeit

Ein 80-kg-Roboter kann daher für eine 60-kg-Anwendung ungeeignet sein, wenn ein schwerer Greifer und ein weit außen liegender Schwerpunkt die zulässigen Handgelenksmomente überschreiten. Umgekehrt kann eine sauber kompakt aufgebaute Last eine sehr effiziente Nutzung der Nenntraglast ermöglichen.

7. Reichweite ist nicht gleich nutzbarer Prozessarbeitsraum

Auch die maximale Reichweite ist kein ausreichendes Auswahlkriterium. Entscheidend ist, ob alle relevanten TCP-Positionen mit zulässiger Orientierung und ohne problematische Roboterstellung erreicht werden.

Zu prüfen sind unter anderem:

• Roboterbasis zur Maschine
• Flansch-zu-TCP-Abstand des Greifers
• Störkonturen
• Greiferhöhe und -breite
• erforderliche Einfahrwinkel
• Achslimits
• Singularitäten
• Kabel- und Schlauchführung
• Sicherheitsabstände und Schutzraum

Ein Roboter mit 2.700 mm Katalogreichweite hat deshalb nicht automatisch einen nutzbaren 2.700-mm-Prozessradius.

8. Singularitäten: besonders beim universellen 6-Achser relevant

Ein 6-Achs-Knickarmroboter besitzt aufgrund seiner Kinematik Stellungen, in denen bestimmte Bewegungsrichtungen mathematisch ungünstig oder nicht eindeutig werden. Typische Beispiele sind Handgelenk- oder Arm-Singularitäten. In der Nähe solcher Stellungen können einzelne Achsgeschwindigkeiten stark ansteigen, obwohl sich der TCP nur moderat bewegt.

Bei der Zellenplanung reicht es deshalb nicht, nur zu prüfen, ob ein Punkt geometrisch erreichbar ist. Die komplette Bahn muss mit sinnvollen Achswinkeln, ausreichenden Reserven und gewünschter Geschwindigkeit ausführbar sein.

Spezialisierte 4-Achs-Kinematiken reduzieren manche Freiheitsgrade bewusst und damit auch einen Teil dieser Orientierungsproblematik – allerdings auf Kosten der universellen Beweglichkeit.

9. Was bedeutet das für die Zykluszeit?

Die schnellste Roboterlösung ist nicht zwangsläufig der Roboter mit der höchsten maximalen Achsgeschwindigkeit. Die reale Zykluszeit entsteht aus der gesamten Bewegung:

• Beschleunigungs- und Bremsphasen
• Bahnlänge
• gleichzeitige Achsbewegungen
• Greiferzeit
• Maschinenfreigaben
• Sensorabfragen
• Wartezeiten
• Prozesszeit der Maschine

Bei einem Palettierer kann die spezialisierte 4-Achs-Kinematik Vorteile bringen, weil die Aufgabe exakt zu ihrer Bewegungsstruktur passt. Bei einer komplexen Biegefolge wäre dieselbe Kinematik dagegen unbrauchbar, weil die erforderlichen Orientierungswechsel fehlen.

10. Wann sollte man welchen Robotertyp wählen?

Normaler 6-Achs-Roboter

Die beste Ausgangsbasis, wenn hohe Flexibilität benötigt wird, Werkstücke häufig umorientiert werden, mehrere unterschiedliche Prozesse geplant sind oder die spätere Nutzung der Zelle noch nicht vollständig feststeht.

Palettierroboter

Sinnvoll, wenn Palettieren beziehungsweise strukturiertes Umsetzen die dominierende Aufgabe ist, hohe Traglast und großer Arbeitsraum gefragt sind und das Produkt keine vollständig freie räumliche Orientierung benötigt.

Biegeroboter

Sinnvoll für automatisierte Abkant- und Biegezellen, wenn das Werkstück während einer Biegefolge mehrfach exakt neu orientiert werden muss und der Zugang zu Stempel, Matrize und Maschinenraum die Robotergeometrie stark beeinflusst.

Pressenroboter

Sinnvoll für Pressen- und Stanzautomation mit klar definierten Übergabepunkten, schnellen Einlege-/Entnahmebewegungen und enger Synchronisation zur Presse. Die notwendige Achszahl hängt von Werkstück und Prozess ab.

11. Kann ein normaler 6-Achser die Spezialroboter ersetzen?

Technisch oft ja, wirtschaftlich und prozesstechnisch nicht immer sinnvoll.

Ein normaler 6-Achs-Roboter kann palettieren. Ein Biegeroboter kann außerhalb des Biegeprozesses ebenfalls Werkstücke handhaben. Ein 6-Achs-Pressenroboter kann grundsätzlich andere Handlingaufgaben erledigen.

Die entscheidende Frage ist nicht, ob eine Bewegung irgendwie möglich ist, sondern:

• Wie groß ist der nutzbare Arbeitsraum?
• Wie hoch ist die Zykluszeit?
• Wie groß ist die Lastreserve?
• Wie gut passt die Geometrie zur Maschine?
• Wie komplex wird die Programmierung?
• Wie hoch ist der Integrationsaufwand?
• Wie robust ist die Lösung im Dauerbetrieb?

Der Spezialroboter gewinnt dann, wenn seine Einschränkung genau zur Anwendung passt. Der normale 6-Achser gewinnt dann, wenn Flexibilität einen höheren Wert hat als maximale Spezialisierung.

12. Fazit: nicht nach Achszahl kaufen, sondern nach Prozess

Die wichtigste technische Erkenntnis lautet: Robotertypen sollten nicht anhand einer einzelnen Kennzahl gewählt werden.

Ein 4-Achs-Palettierer ist nicht „schlechter“ als ein 6-Achs-Roboter. Er besitzt absichtlich weniger Freiheitsgrade, weil die Palettieraufgabe sie häufig nicht benötigt. Ein Biegeroboter kann dagegen sechs Achsen benötigen, obwohl er stärker spezialisiert ist als ein normaler 6-Achser. Und bei Pressenrobotern zeigt ESTUN mit 4- und 6-Achs-Modellen, dass die optimale Kinematik direkt von der Prozessaufgabe abhängt.

Für eine belastbare Auswahl müssen Roboter, Greifer, Werkstück, Maschine, Taktzeit, Arbeitsraum, Lastschwerpunkt und Safety als Gesamtsystem betrachtet werden.

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Technische Quellen

• ESTUN – Palettierroboter-Produktserie
• ESTUN – Biegeroboter-Produktserie
• ESTUN – ER15-1520-PR Pressenroboter
• ESTUN – ER150-3200-PR Pressenroboter
• KUKA – KR 300-2 PA 4-Achs-Palettierroboter