Elektrische Antriebe Kleinstantriebe als Kanalarbeiter

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Unterirdische Abwasserkanäle müssen regelmäßig gewartet werden – am besten ohne sie aufzugraben. Dafür entwickelt Pipetronics Kanalsanierungsroboter, die in den Kanälen arbeiten. Sowohl für den Antrieb der Räder als auch für die Zusatzgeräte kommen bürstenlose DC-Motoren von Faulhaber zum Einsatz.

Die moderne Zivilisation kommt ohne eine geregelte Abwasserentsorgung nicht aus. Alleine in Deutschland hat das Kanalnetz eine Länge von schätzungsweise 600.000 Kilometer. Die meist mehr oder weniger engen Rohre und Kanäle brauchen aber eine regelmäßige Wartung und Instandsetzung, um ihre Funktion zu erhalten. Rund 18 Prozent von ihnen müssen dringend saniert werden. Weltweit sieht es ähnlich aus: alte Leitungen, Wartungsstau.

Die oft engen Rohre unter der Erde sind jedoch schwer zugänglich: Bestehende Abwasserkanäle können meist nicht einfach aufgegraben werden, entweder aus Platz- oder aus Kostengründen. Eine wirtschaftliche Alternative sind deshalb grabenlosen Sanierungsverfahren mit spezialisierten Robotern. Damit sie sich in den engen Rohren nutzen lassen, müssen die Roboter möglichst kompakt und mit leistungsstarken Kleinstantrieben ausgestattet sein.

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Pipetronics, einer der Markt- und Technologieführer bei der Entwicklung und Herstellung solcher Kanalsanierungsroboter, bietet Maschinen und Geräte, die im Kanal arbeiten, ihn inspizieren und gegebenenfalls auch reparieren. Die Antriebsleistung für die Räder bzw. Zusatzgeräte wie Kamera oder Werkzeuge liefern die Kleinstantriebe von Faulhaber. Für die unterschiedlichen Aufgaben wurden dabei verschiedene Antriebe ausgewählt.

Arbeit unter Tage erfordert intelligente Technik

Maschinen und Geräte, die im Kanal arbeiten, benötigen eine robuste und langlebige Technik. Nur selten kann man auf Standardlösungen zurückgreifen, die meisten Komponenten sind daher Eigenentwicklungen, denn nur so lassen sich die komplexen Aufgaben im Kanal lösen. Markus Lämmerhirt, Mitglied der Geschäftsführung bei Pipetronics, erklärt: „Neben den oft unvorhersehbaren Schwierigkeiten durch den Zustand der Rohre ist auch die Kontrolle der Kanalroboter zunehmend ein Problem, das es zu lösen gilt. Bei der Bedienung müssen wir zukünftig von einem steigenden Facharbeitermangel ausgehen. Es gilt also, Menschen durch intelligente Technik zu ersetzen, die sich auch ohne Spezialwissen bedienen lässt.“

In der Kanalsanierung wird daher Automatisierung immer wichtiger. Während die ersten Roboter noch mit bürstenkommutierten DC-Motoren arbeiteten, von Kontrollfahrzeugen über Tage gesteuert wurden und teilweise Werkzeuge mit Hydraulikantrieb eingesetzt waren, so geht der Trend auch hier zu dezentralen, intelligenten Automatisierungslösungen. Diese weisen einige Vorteile auf:

• Rein elektrisch betriebene Motoren eliminieren dabei eine Menge Fehlerquellen und verbessern gleichzeitig die Leistung und Präzision bei weniger Leistungsaufnahme.

• Lange, dicke Leitungen für die Versorgungsspannung sind störanfällig und viele Einzelleitungen oder Hydraulikschläuche, die bei längeren Rohrabschnitten hohe Zugkräfte vom Antrieb erfordern, entfallen.

• Die Lärmbelastung und Abgase durch den Generator und das Hydraulikaggregat im Versorgungsfahrzeug sinken. Insbesondere bei Arbeiten in Innenstädten und Wohngebieten ist das ein deutlicher Vorteil.

• Mit elektrischen Antrieben und Batterien als Energiequelle statt Kabeln bewegen sich die Robotersysteme emissionsfrei und praktisch geräuschlos.

Trend geht zu Bus-Technologie und bürstenlosem Antrieb

Bisher arbeiten die Roboter mit bürstenkommutierten Antrieben, da früher die passenden Ansteuermöglichkeiten für bürstenlose Antriebe in den Maschinen fehlten. Dabei sitzt der PWM-Regler direkt am Motor, denn man kann ihn nicht über eine 150 Meter lange Leitung ansteuern. Markus Lämmerhirt: „Der Trend geht zu Bus-Technologie und bürstenlosem Antrieb. Unsere neueste Technologie arbeitet mit dem CAN-Bus, mit dem man auch bürstenlose Motoren ansteuern kann. Bürstenlose DC-Motoren (BLDC) arbeiten zudem mit geringerem Verschleiß.“

Die Bus-Technologie erlaubt eine bessere Datenversorgung, sowohl für die Antriebe als auch für die zunehmend komplexeren Diagnosetools, die den Zustand der Rohre bewerten. Dadurch können dünne Daten- bzw. Energieversorgungskabel eingesetzt werden, die die Beweglichkeit verbessern und im Vergleich zu einer Akkuversorgung praktisch unbegrenzte Betriebszeiten erlauben, falls die Reparatur einmal länger dauert. Der geringere Stromverbrauch ermöglicht aber auch einen Akkubetrieb für Standardaufgaben und so den völlig autonomen Betrieb.

Für den Einsatz in Kanalrobotern sind neben der Robustheit und Langlebigkeit der geringe Bauraum und eine hohe Leistungsdichte der BLDC-Motoren entscheidend. Im Produktportfolio von Faulhaber finden sich passende Motoren, die alle Anforderungen der Kanalroboter erfüllen: vom Fahrantrieb des Roboters, der ein sehr schweres Kabel ziehen muss, bis hin zum Miniaturscheibenwischer einer kleinen Kamera. Motoren mit integriertem Motion Controller sparen dabei nicht nur wertvollen Platz, die Controller übernehmen das gesamte Motormanagement inklusive Schutzfunktionen wie Drehmoment- und Überlastbegrenzung. Das schont den Antrieb sowie eventuell eingesetztes Werkzeug wie Fräser oder Bohrer und erhöht die Betriebssicherheit. Auch Anfahrrampen können im Controller hinterlegt werden, z. B. um mit langsam steigender Drehzahl Bohrer und Fräser anzusetzen, bevor dann mit voller Drehzahl gearbeitet wird. Der Bediener oder die autonome Steuerung des Roboters werden so von Standardaufgaben entlastet.

Einsatz der Roboter in diversen Leitungssystemen möglich

Im Moment sind Inspektion, Wartung und Reparatur das Kerngeschäft der Roboter. Die eingesetzte Technologie ist sehr flexibel und Sonderkonstruktionen lassen sich leicht in das Serienprodukt integrieren. „Die Technik lässt sich grundsätzlich aber auch für die grabenlose Sanierung von Trinkwasserleitungen nutzen. Vorstellbar ist auch der Einsatz in anderen Leitungssystemen, etwa in der chemischen Industrie, für die Inspektion von Gasleitungen, Tankanlagen oder Druckbehältern“, so Markus Lämmerhirt. „Unsere Kernkompetenz liegt in der Entwicklung und Herstellung von Robotersystemen, unser Know-how stützt sich dabei auf Jahrzehnte der Erfahrung. Das gilt auch für den Fahrzeugausbau und die Generatorkonstruktion. Wir bieten den Anwendern außerdem weitere Produkte an, beispielsweise für die punktuelle Reparatur mit Kunstharz. Und wir investieren kontinuierlich und in erheblichem Maße in weitere Entwicklungen.“

Moderne, bürstenlose Kleinstantriebe eröffnen auch in solchen speziellen Anwendungen neue Möglichkeiten. Mit hoher Leistungsdichte bei kompaktem Aufbau, integriertem Controller und hohem Wirkungsgrad können sie auch bei sehr begrenztem Bauvolumen eine Vielzahl an Aufgaben übernehmen und ermöglichen so ressourcenschonende Lösungen mit hohem Einsparpotenzial.

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