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Roboter Roboter haben das Potenzial zur Sparsamkeit

| Autor/ Redakteur: Victoria Sonnenberg / Mag. Victoria Sonnenberg

Von der optimalen Ausführung und der richtigen Position über eine optimierte Bahn bis hin zu intelligenten Abschaltkonzepten und Energierückspeisung: der Roboter hat Potenzial zum ressourceneffizienteren Einsatz.

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Damit Roboter energieeffizienter arbeiten, spielen viele Einzelmaßnahmen eine Rolle. Viele Hersteller nutzen eigene Software, um das Energie-Monitoring im Blick zu haben.
Damit Roboter energieeffizienter arbeiten, spielen viele Einzelmaßnahmen eine Rolle. Viele Hersteller nutzen eigene Software, um das Energie-Monitoring im Blick zu haben.
(Bild: © Patrick P. Palej - Fotolia.com)

„Ebenso wie ein Mensch, kann ein Roboter viel Energie sparen, wenn er an der richtigen Position steht und die richtigen Bewegungen macht“, sagt Dr. Dieter Geckler, Leiter des Teams Energieeffizienz im Konzernarbeitskreis Digitale Fabrik der Volkswagen AG. Die Quintessenz der Aussage ist einfach und effektiv zugleich: Für energieeffiziente Roboter bedarf es keiner neuen Generation, keiner neuen, kostenintensiven Hardware. Schon bewusste Positions- und Bewegungsänderungen können zu Einsparungen am bereits bestehenden Modell führen.

Eher zufällig entwickelte Geckler mit seinem Team die Idee, dass ein Roboter durch falsche Bewegungen aus der falschen Position Energie verschwenden könnte. Kurzfristig fand man sich im Keller des Chemnitzer Fraunhofer-Instituts zusammen, um die These an einem Roboter zu prüfen. Und der Gedanke sollte sich bewahrheiten und als Grundlage dafür dienen, um gemeinsam mit der Ostfalia-Hochschule Wolfenbüttel eine Software zu entwickeln, die die energieeffizientesten Positionen eines Roboters errechnen sollte.

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Mit einer Optimierungssoftware können Roboter bis zu 30 % Energie einsparen

Mit der Software, die sich derzeit noch in der Test- und Optimierungsphase befindet, lassen sich analog zur menschlichen Ergonomie im Schnitt 10 bis 15 % Energie einsparen und gleichzeitig der Wartungsaufwand der Roboter verringern, sodass ihre Lebensdauer verlängert wird. Bei derzeit rund 30.000 Industrierobotern in insgesamt 120 Werken ließe sich mit der Software bereits viel Energie einsparen. Die einfach zu verwendende Software sei dabei noch längst kein finales Produkt, die Positionsoptimierung lediglich ein erster Schritt. Um noch mehr Energie zu sparen, forscht das Team derzeit an der Bahnoptimierung des Roboters. Dabei wird berechnet, welche Bewegungen des Roboters am energieeffizientesten sind. Im dritten und letzten Schritt soll mit der Software die Beschleunigung und die Geschwindigkeit des Roboters optimiert werden können. Die Fertigstellung der Optimierungssoftware, mit der sich bis zu 30 % Energie einsparen lassen, ist für das nächste Jahr geplant.

Konzeptionelle und konstruktive Ansätze zusammenführend, hat sich auch Fanuc, Hersteller von Fabrikautomation und Industrierobotern, mit dem Thema der Energieeffizienz auseinandergesetzt und lebt dieses bereits auf mehreren Ebenen aus. Konzeptionell heißt dabei, dass beispielsweise Servoantriebe als Alternative zu nicht oder weniger gut regelbaren Antriebskonzepten entwickelt werden. Konstruktiv, indem zum Beispiel Werkstoffe wie Siliziumcarbid verwendet werden, was die Verlustleistung großer Spindelantriebe noch weiter senkt. Energieeffizienz ist somit für Fanuc keine Frage der Systemgrenzen. Auf jeder Ebene lässt sich zeigen, wie sich modernste Technologie auf die Effizienz auswirkt, so auch auf der Roboterebene. Ganz oben im Pflichtenheft für neue Fanuc-Roboter steht insbesondere in der Automobilindustrie ein effizienter Umgang mit der eingesetzten Energie. Je differenzierter die Modellpalette ist, desto einfacher ist es, einen passenden Roboter für eine bestimmte Aufgabe auszuwählen. Standardisierte Antriebs-, Regelungs- und Steuerungstechnik hilft dabei, der Idee der Nachhaltigkeit nachzukommen. Dafür fließen neue Entwicklungen in der Servotechnik direkt in die Antriebstechnik der Roboter ein.

Ein Beispiel dafür: Um ohne Leistungsverlust mit weniger Antriebsenergie auszukommen, setzt der japanische Automatisierer bei Robotern bislang einen stromlosen Haltemechanismus ein. Nach einer gewissen Stillstandszeit geht der Roboter in den Stand-by-Modus. Wichtig ist dabei, dass im Automatikbetrieb schon nach einer Sekunde der stromlose Haltemechanismus greift. Für den Handbetrieb, etwa beim Teachen des Roboters, lässt sich die Zeitspanne bis zum Aktivieren einstellen. Eine intelligente Steuerungstechnik von Fanuc lässt bei einer Abschaltung den Roboter, prinzipiell selbst nach einem Stromausfall, wieder genau an der Stelle weiterarbeiten, an der er in die Warteposition gefahren ist.

Via Simulationssoftware Taktzeit und Leistungsaufnahme offline optimieren

Weiterhin lassen sich mithilfe der Simulationssoftware „Roboguide“ offline Taktzeit und Leistungsaufnahme optimieren. Mit wenig Aufwand können am Rechner unterschiedliche Szenarien durchgespielt werden. Energie-Monitoring gehört dabei zu den Energiespartools. Achse für Achse – sowohl bei Maschinen als auch bei Robotern – lässt sich der Verbrauch anzeigen. Außerdem sieht man, wie hoch der Energieaufwand pro Teil ist. Direkter und indirekter Energieverbrauch des Servosystems (Motor/Steuerung) lassen sich in Grenzen parametrieren.

Bis zu 25 % Energieeinsparung kann auch Yaskawa mit seinen Industrierobotern erreichen. Dabei spielt eine Fülle an Einzelmaßnahmen eine zentrale Rolle – angefangen von der optimalen Ausführung des Roboters über intelligente Abschaltkonzepte bis hin zur Energierückspeisung. Nicht nur die Ausführung des Manipulators, sondern auch Anwendung, Steuerung und Anlagenlayout entscheiden über den Energiebedarf eines Roboters. So vielfältig die einzelnen Parameter sind, so viele Ansatzpunkte für Einsparungen bieten sie auch: Allein durch intelligente Abschaltkonzepte bei Betriebspausen — etwa am Wochenende – lassen sich bis zu 15 % an Energie einsparen, wenn die Anlagen geordnet heruntergefahren werden. Yaskawa ist von Hause aus Anbieter von Antriebstechnik und kann daher eigene Technologieimpulse setzen, wie beispielsweise die Energierückspeisung aus der Roboterbewegung oder Softwaretools zur Simulation.

„Einsparungen können durch Maßnahmen am Produkt Roboter erreicht werden, zum Beispiel durch die elektrotechnische Auslegung oder durch Energierückgewinnung, jedoch besteht das größere Einsparungspotenzial im intelligenten Benutzen des Roboters, wie durch Bewegungsoptimierung oder Abschalten in Pausen“, sagt Dr. Michael Klos, General Manager Automotive Robotics Division bei der Yaskawa Europe GmbH in Allershausen.

Noch größere Einsparpotenziale bietet die Auslegung der Roboter: Nach Beobachtung von Yaskawa könnten in einer typischen Karosseriebaulinie 40 % aller Roboter mindestens eine Baugröße kleiner gewählt werden. Der Energiebedarf würde dadurch um 8 % sinken. Lösungen von Yaskawa ermöglichen eine höhere Roboterdichte und schnellere Taktzeiten pro Zelle, wodurch die Roboter kleiner dimensioniert werden können. Leichtbauroboter verstärken diesen Effekt zusätzlich. Ein Baugrößensprung nach unten bedeutet also nicht nur weniger Energiebedarf, sondern auch schnellere Taktzeiten: Ersetzt man einen überdimensionierten 250-kg-Manipulator durch eine anwendungsspezifisch ausgelegte 80-kg-Alternative, bedeutet dies bis zu 20 % Taktzeitgewinn bei 25 % Energieeinsparung.

Wie eine Beispielzelle, die Yaskawa auf einer Automatica präsentierte, zeigte, lässt sich nicht zuletzt auch die Nutzung überschüssiger Bremsenergie zur Erhöhung der Energieeffizienz nutzen: Durch eine intelligente Umschaltung der Antriebe in den generatorischen Betrieb lässt sich die Bremsenergie rück- beziehungsweise zwischenspeichern. So kann sie wieder in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden. Eine Voraussetzung dafür ist das perfekte Zusammenspiel aller Komponenten, was Yaskawa mit einem umfassenden Portfolio an Robotik und Antriebstechnik aus eigener Produktion gewährleistet.

„Motoman-Roboter von Yaskawa unterstützen verschiedene Methoden und Protokolle, um Roboter kontrolliert in Produktionspausen abzuschalten. Wir bieten seit vielen Jahren Lösungen zur Energie-Rückspeisung an, so auch zum Nachrüsten für bestehende Roboterinstallationen. Die Rückspeisung erfolgt in den Zwischenkreis des Roboters oder direkt ins Netz“, so Klos weiter. Da je nach Einsatzort und Bewegungsmuster der Energiebedarf bestimmter Roboter ganz unterschiedlich sein kann, berät Yaskawa seine Kunden bei der Auswahl der besten Methode. Speziell für die Planung von Motoman-Robotersystemen hat Yaskawa das Software-Paket MotoSim entwickelt, ein Offline-Programmiersystem mit 3D-Simulation. Eine virtuelle Simulation von roboterbasierten Anlagen und Prozessen bringt nicht nur bei der Planung entscheidende Vorteile, sondern auch bei Inbetriebnahme und Betrieb entsprechender Anlagen. Insbesondere lassen sich so kostspielige Fehler zuverlässig ausschließen und Ressourcen effizienter einsetzen. Durch entsprechendes Anpassen der Anlagenlayouts, der Roboterbahn und gegebenenfalls des eingesetzten Robotertyps können optimale Taktzeit mit MotoSim erarbeitet werden.

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