SCARA-Roboter: Wie der Montagearm aus Yamanashi funktioniert

Ein Paravent als Vorbild

SCARA steht für „Selective Compliance Assembly Robot Arm“, also einen Montagearm mit richtungsabhängiger Nachgiebigkeit. Den Hintergrund beschreibt der Erfinder Hiroshi Makino in einem Rückblick, den das Journal of Robotics and Mechatronics 2014 veröffentlicht hat. Beim Einsetzen eines Stifts in eine Bohrung gibt es fast immer einen kleinen Versatz. Ist der Greifer seitlich nachgiebig, rutscht der Stift über die Fase in die richtige Lage. Kippt er dabei aber, verkantet er sich. Ein Montagearm sollte also seitlich weich und senkrecht steif sein. 

Makino fand das Vorbild im Byōbu, dem japanischen Faltparavent. Ein solcher Paravent „lässt sich horizontal sehr leicht bewegen, ist vertikal aber steif“ (Übersetzung), schreibt er. Die ersten beiden Arme eines SCARA drehen sich deshalb um senkrechte Achsen und falten sich wie die Flügel eines Paravents. 

Vom Forschungsverbund zur Serienmaschine

Die Zusammenstellungszeichnung des ersten Prototyps fertigte Makino nach eigener Darstellung über Neujahr 1978 an. Er schätzte die Baukosten auf fünf Millionen Yen; sein jährliches Forschungsbudget lag bei etwa einer Million. Er gründete deshalb eine „SCARA-Forschungsgruppe“, in die fünf Unternehmen je eine Million Yen einbrachten. Der Verbund arbeitete ab April 1978 drei Jahre lang. 

Prototyp I entstand im Oktober 1978 und bestätigte das Prinzip der selektiven Nachgiebigkeit, hatte aber Schwingungsprobleme. Für Prototyp II vom Mai 1980 kam auf Anregung von Yaskawa Electric ein neuer Gleichstrommotor mit Tachogenerator zum Einsatz. Gesteuert wurde mit dem 8-Bit-Mikrocomputerbausatz TK-80 von NEC. 

Im Herbst 1981 zeigten die fünf beteiligten Hersteller auf der International Robot Show im Messezentrum Harumi ihre eigenen SCARA-Versionen. Als erste industrielle Anwendung nennt Makino das Werk Oomori von Pioneer, wo acht SKILAM-Roboter von Sankyo Seiki Audioplatinen bestückten. 2006 wurde SCARA in die Robot Hall of Fame der Carnegie Mellon University aufgenommen, als zweiter Industrieroboter nach dem Unimate. 

Vier Achsen, eine Bewegungsrichtung

Der Grundaufbau hat sich seither kaum verändert. Zwei Drehgelenke positionieren das Werkzeug in der Waagerechten, eine Hubachse bewegt es senkrecht, eine vierte Achse dreht es. Makino fasst das als Positionieren in der Ebene plus eine geradlinige Werkzeugbewegung zusammen. Nach seiner Darstellung lassen sich fast 80 Prozent aller Montageaufgaben mit einer solchen Bewegung aus einer Richtung erledigen; er gibt diesen Wert selbst als verbreitete Annahme wieder. 

Daraus folgt auch die Grenze. Ein SCARA fügt von oben nach unten. Schräge Fügerichtungen oder Bearbeitung an geneigten Flächen kann er nicht leisten; dafür braucht es Knickarmroboter mit fünf oder sechs Achsen. 

Was aktuelle Datenblätter angeben

Alle folgenden Werte sind Herstellerangaben. Der FANUC SR-3iA trägt 3 Kilogramm, erreicht 400 Millimeter horizontal und 200 Millimeter Hub und ist für Montage, Pick-and-Place, Prüfung und Verpackung ausgelegt. Epsons GX8 mit 450 Millimetern Armlänge hat eine Nenntraglast von 4 und eine Höchsttraglast von 8 Kilogramm. Für ihn nennt Epson eine Zykluszeit von 0,28 Sekunden für eine Hin- und Rückbewegung über 300 Millimeter horizontal und 25 Millimeter vertikal mit 2 Kilogramm Last, im leistungsgesteigerten Modus mit optimierter Bahn. Die Wiederholgenauigkeit gibt Epson mit ±0,015 Millimetern in der Ebene und ±0,010 Millimetern in der Höhe an. 

Am oberen Ende steht der Yamaha YK1200XG, den Yamaha Motor im September 2024 angekündigt hat: 1.200 Millimeter Armlänge, bis zu 50 Kilogramm Traglast und eine Standardzykluszeit von 0,92 Sekunden mit 40 Kilogramm. Gedacht ist er laut Yamaha für die Fertigung von Fahrzeugbatterien, wo häufig Teile zwischen 20 und 50 Kilogramm bewegt werden. Yamahas SCARA-Reihe reicht damit von 120 bis 1.200 Millimetern Armlänge; das Unternehmen baut SCARA-Roboter seit 1984. 

Zykluszeiten sind nur innerhalb eines Herstellers vergleichbar, weil Weg und Last unterschiedlich definiert sind. Für die Auswahl zählt die Taktzeit in der konkreten Anwendung, worauf auch Yamaha in seiner Mitteilung hinweist.