Roboter sind fleißige Helfer, vor allem im Automobil- und Maschinenbau. Diese können schon viel, doch geht es immer noch besser. Roboterhersteller Kuka lässt darum Standardroboter vom Systempartner IBG veredeln - sowohl technologisch als auch bezüglich einer Integration im Hinblick auf energieeffiziente Prozesse. Der Endkunden bekommt eine schlüsselfertige Anlage, die gegenüber dem ursprünglichen Roboter zusätzlich Software, Greifertechnologien und andere Anlagenmodule aufweist.
Duales Vorgehen für mehr Energieeffizienz
Jüngstes Beispiel für eine solche Veredelung eines Roboters mit intelligenter Kamera- und Sensortechnik sowie Greifermechanik ist die automatische Radmontage im Fließbetrieb. Zwei Industrieroboter, die je auf einer Seite der Fahrzeugkarosse platziert sind, nehmen Radschrauben und Felgen aus der Bereitstellungsposition auf und schrauben sie vollautomatisch an das Fahrzeug. Die Roboter arbeiten dabei synchron mit der Fördertechnik und folgen während der Montage der Bewegung des Fahrzeuges. Die durch IBG entwickelte und patentierte automatische Radmontage im Fließbetrieb arbeitet dabei sowohl bei Magna Steyr in Graz als auch bei VW in Emden mit einer Anlagenverfügbarkeit von 99,9 %.
Ein weiteres Beispiel ist der Einbau eines kompletten Lithium-Ionen-Batteriesatzes in den Unterboden eines Elektrofahrzeugs. Vom Prinzip her noch ein visionäres Konzept, das aber Einzug finden kann für Montageanlagen für Lithiumzellen oder -module. Um im Prozess selbst die Vorgaben zur Energieeinsparung und zur Steigerung der Energieeffizienz früh zu berücksichtigen, wird in der Anlagenplanung und -konstruktion mit einer sogenannten Energiecheckliste gearbeitet, die gezielt energieeffiziente Maßnahmen mit berücksichtigt.
Kernargumente für dieses Vorgehen sind in erster Linie, Antriebe und Komponenten optimal auszulegen und dabei eine Überdimensionierung, beispielsweise von Robotern, zu vermeiden. Parallel lassen sich durch Greiferkonstruktion in CFK-Leichtbauweise die Roboter kleiner auslegen. Das „Teachen“ von optimierten Bewegungsabläufen bei Roboteranwendungen gehört ebenso zur effizienten Inbetriebnahme. Vergleicht man die optimale Antriebstechnik bereits in der technischen Planung, so ergeben sich daraus die Folgekonstruktionen. Eine Integration von elektrischen Antrieben anstatt einer Pneumatik oder elektrischen Pressen anstatt einer Hydraulik gibt Aufschluss für eine nachhaltige Kostenperspektive.
So zeigt sich aus der Wirtschaftlichkeitsrechnung und dem erwarteten Return on Invest bei einer Produktionsanlage zur Montage von sicherheitsrelevanten Spezialkupplungen für Züge [1], dass erst die Kombination aus pneumatischen und elektrischen Antrieben sinnvoll ist. Elektrische Achsen sind in der Regel zwar energieeffizienter als pneumatische Lösungen, aber in der Anschaffung auch teurer.
Robotik-Tools für mehr Energieeffizienz
Bei der Programmierung und Steuerung von Robotern lassen sich signifikante Einsparpotenziale erschließen, wie Studien und Analysen belegen. Bei der Bahnprogrammierung setzte man in der Vergangenheit auf den kürzesten Weg, sprich die Gerade von A nach B. Heute weiß man: Die kürzeste Verbindung ist gerade bei Applikationen mit einem komplexen Bewegungsprofil bei weitem nicht die energieeffizienteste. Ergebnisse von Roboterherstellern und Forschungseinrichtungen, wie dem Institut für mechatronische Systeme an der Leibnitz-Universität Hannover, belegen: Energieeffiziente Roboterbahnen weichen zum Teil erheblich von direkten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ab.
Die Erklärung liegt auf der Hand: Roboter sind komplexe Mehrachssysteme, bei denen eine Bahn aus einer Abfolge mehrerer einzelner Bewegungsabläufe generiert wird. Die Aufgabenstellung besteht nun darin, eine Roboterbahn von Punkt A nach B zu generieren, bei der das Wechselspiel der Achsen aus Beschleunigen und Bremsen so zu koordinieren ist, dass am Ende das energieeffizienteste Bewegungsprofil steht. Da von A nach B unendlich viele Wege führen, ist die Ermittlung der energieoptimalen Roboterbahn keine leichte Aufgabe. Gleichzeitig gilt es, den Programmieraufwand in Grenzen zu halten. Übersteigen die Programmierkosten das tatsächliche Einsparpotenzial auf der Energieseite, wird der Weg zur optimalen Roboterbahn schnell zum Irrweg.
Software zur energieeffizienten Programmierung
Um den Anwendern in Zukunft schlüsselfertige Lösungen bieten zu können, arbeiten Roboterhersteller an Strategien zur energieeffizienten Programmierung. Ziel ist es, die energieoptimale Bahn schnell und mit möglichst geringem Aufwand zu ermitteln. Die Lösung dafür kann nur in Softwaretools bestehen, bei denen der Anwender lediglich Start- und Zielkoordinaten sowie den zur Verfügung stehenden Arbeitsraum definiert. Die exakte Ermittlung der optimalen Roboterbahn innerhalb des vorgegebenen Arbeitsbereiches ist dann Aufgabe der Software. Jede Menge Entwicklungs-Know-how ist gefragt, müssen doch komplexe Zusammenhänge der Mechatronik in mathematische Modelle gefasst und in der Software hinterlegt werden. Außerdem gilt es, weitere Parameter zu berücksichtigen wie beispielsweise die Vermeidung von Zielkonflikten mit Taktzeitkriterien, denn bei den meisten Applikationen soll der Roboter nicht nur energieeffizient, sondern auch schnell arbeiten.
Rückgewinnung von Bewegungsenergie
Bei der Auslegung der Bahnen geht es nicht nur darum, den primären Energiebedarf zu minimieren, sondern gleichzeitig eine möglichst hohe Rückgewinnungsrate zu realisieren. Nachdem sich die Achsantriebe eines Roboters während der Bewegung zumeist in unterschiedlichen Betriebszuständen befinden, lässt sich dieses Wechselspiel der Antriebe aus Beschleunigen und Bremsen vorzüglich zur Energierückgewinnung nutzen.
Die Rückführung der Bremsenergie ist ein wesentlicher Aspekt bei der Verbesserung der Energieeffizienz von Robotersystemen. Dabei geht es darum, die beim Bremsen einer Achse erzeugte generatorische Energie wieder dem Gesamtsystem zur Verfügung zu stellen. Dazu bietet sich die Leistungsversorgung der Antriebe über einen sogenannten Zwischenkreisverbund an. Damit kann dem Achsverbund auf einfache Weise die zurückgewonnene Energie wieder zur Verfügung gestellt werden.
Produktions- und Stillstandszeiten identifiziert
Die Kuka-Analyse von Bewegungs- und Stillstandzeiten an Robotern der Mittelgewichtsklasse im Karosseriebau liefert erstaunliche Ergebnisse: Nur zu 26% der Zeit ist der Roboter in Bewegung mit einer Energieaufnahme von 2,5 kW bis 3,5 kW. Die restlichen knapp drei Viertel der Zeit verteilen sich auf unterschiedlich definierte Stillstandszeiten: 13% entfallen auf den Standby-Mode 1 (Stillstandszeiten zwischen 2 und 20 Sekunden) bei einer Energieaufnahme von 650 bis 800 Watt. Standby-Mode 2 (zwischen 20 Sekunden und 10 Minuten) nimmt mit 37% die meiste Zeit in Anspruch. Standby-Mode 3 (länger als zehn Minuten) kommt auf immerhin noch 24%. In diesen beiden Betriebsarten liegt der Energiebedarf des Roboters mit eingefallenen Bremsen bei 220 Watt.
Was diese Erkenntnisse für die Optimierungsbestrebungen der Energieeffizienz bedeuten, bringt Dipl.-Ing. Peter Klüger von der strategischen Produktentwicklung bei Kuka Roboter auf den Punkt: „Nachdem sich der Roboter zu 74 Prozent der Zeit in Warte- oder Stillstandspositionen befindet, dürfen wir den Fokus für den energieeffizienten Betrieb natürlich nicht nur auf die Produktivbewegung richten, sondern müssen gezielt auch Einsparpotenziale in den nicht produktiven Phasen erschließen.“
