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.

Energieverbrauch bestimmen, optimieren und anschließend kontrollieren

Dass Energieeffizienz und Ressourcenschonung zunehmend in den Entscheidungsprozess mit einfließt, dessen ist sich auch die Kuka Systems GmbH bewusst. Deshalb ist für den Automationsspezialisten die Nachhaltigkeit von Produktionsprozessen von zentraler Bedeutung – und das nicht erst seit gestern. Mit ausgereiften Tools und Modellen lässt sich der Energieverbrauch einer Anlage bereits in der Planungsphase bestimmen, optimieren und anschließend kontrollieren. Zentrales Instrument für mehr Transparenz ist das Kuka-Energieeffizienz-Kalkulationstool. Dabei handelt es sich um eine Software, die für jede Anlage den Verbrauch für elektrische Energie, Druckluft, Kühlwasser sowie für die Halleninfrastruktur (Licht, Klimatisierung, Heizung) ermittelt und damit den CO2-Ausstoß und die Betriebskosten schon in der Planungsphase kalkuliert und mit einer alternativen, verbrauchsoptimierten Version vergleicht.

Damit die von Kuka Systems entwickelten Anlagen aber nicht nur theoretisch Ressourcen schonen, sondern auch in der Praxis zu einer nachhaltigeren Produktion beitragen, müssen die Verbräuche kontinuierlich überprüft werden. Auch dafür hat Kuka Systems Kuka Systems GmbH schon heute eine Lösung: Mit dem eigenen Steuerungsstandard miKuka lassen sich Energieverbräuche sowohl während der Planung als auch später im Betrieb aufzeichnen.

In Kombination mit dem Visualisierungsstandard miView kann der Leistungsverlauf bei Bedarf angezeigt und archiviert werden. Wird ein Roboter mithilfe von miKuka und miView in den Ruhemodus geschickt, lassen sich bis zu 90 % der Energie einsparen. Ein weiteres Tool ermöglicht es zudem, den Energieverbrauch pro Takt unmittelbar darzustellen. Dieses Tool läuft direkt auf dem Bediengerät der Robotersteuerung, dem sogenannten SmartPad. Es zeigt dem Bediener über ein Ampelsystem an, ob der aktuelle Energieverbrauch dem vorgesehenen entspricht. Anhand der Kurven und Peaks lässt sich schnell erkennen, wann die Anlage viel, beziehungsweise wenig Energie benötigt. So kann zeitnah reagiert und gegengesteuert werden.

Dass das Potenzial zur Nachhaltigkeit nur im Gesamtbild der Anlage und Anwendung betrachtet werden kann, zeigt Dürr mit seinem ganzheitlichen Konzept Eco Paintshop, in dem alle Systeme und Produkte gebündelt werden, die sich positiv auf die Nachhaltigkeit im Lackierprozess auswirken. Ressourceneffizienz bedeutet in diesem Zusammenhang vor allem Materialeffizienz durch einen hohen Lackauftragswirkungsgrad und geringe Spülverluste der Applikationstechnik, durch minimalen Wasserverbrauch und daraus resultierende geringe Abwassermengen. Darüber hinaus betrachtet Dürr die Prozess-, Energie- und Raumeffizienz sowie die Effizienz durch Flexibilität hinsichtlich Prozess- und Kapazitätsanpassungen. Dürr-Entwickler erreichten so beträchtliche Senkungen des Energieverbrauchs und der Emissionen im Lackierprozess: Energie - 67 %, Wasser - 71 %, CO2-Ausstoß - 73 %, Abwasser - 63 %. Das Beispiel der molchbaren Sonderfarbsysteme EcoSupply P zeigt, dass sich mehr als 100 verschiedene Farben, die insbesondere Hersteller von Nutzfahrzeugen und Kunststofflackierereien nutzen, effizient mit einem Lackierroboter auftragen lassen. Angetrieben mit Druckluft drücken sie nach dem Lackauftrag die Restfarbe in kurzer Zeit nahezu vollständig aus den Farbschläuchen heraus und reduzieren so den Verbrauch von Lack und Spülmittel deutlich.

Konkrete Lösungen zur Ressourceneffizienz kommen auch von R3Coms, einem Tech-Start-up aus Berlin, das die produzierende Industrie, Automobilindustrie, Luftfahrt et cetera fit für die Zukunft machen will, indem es hochzuverlässige, kabellose Funkkommunikation zwischen Maschinen ermöglicht. „Wir bieten mit EchoRing eine weltweit einzigartige Funkkommunikationstechnologie an, die kabelbasierte Steuerungskommunikation im Kontext von Maschinen ablösen kann. Aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung verkürzen sich die Produktzyklen. Dies erhöht den Druck auf Produktionsanlagen, deren Anpassungsfähigkeit in einem solchen dynamischen Umfeld immanent begrenzt ist“, sagt Florian Bonanati, Gründer und Managing Director von R3Coms.

Selbst bereits flexible Roboter gelangen an ihre Grenzen. Im Extremfall gilt es, zukünftig effizient die Losgröße 1 produzieren zu können. In der letzten Konsequenz führt dies zur Auflösung der heute verbreiteten Fließbandproduktion – als Alternative bietet sich dann eine Modularisierung an. „Für diese flexibel ausgestalteten Produktionsszenarien ist die fixe Verkabelung äußerst hinderlich, da hohe Anforderungen an Flexibilität und Mobilität erfüllt werden müssen. Die Lösung besteht in kabelloser Kommunikation. Allerdings sind die heute dominierenden Funktechnologien und Standards für die Szenarien entwickelt worden, bei denen der Mensch im Zentrum steht: – und somit für die angesprochenen flexiblen Szenarien in der Industrie nicht geeignet. Genau hier kommt unsere Technologie EchoRing ins Spiel, welche für hochzuverlässige und gleichzeitig echtzeitfähige Maschinensteuerungskommunikation ausgelegt ist. EchoRing ermöglicht die Flexibilisierung des Einsatzes von Robotern“, so Bonanati weiter.

Bei R3Coms denkt man bereits schon weiter: „Die heutige Implementierung von EchoRing ist nur der Anfang. Erstens wird in Zukunft neue Hardware zur Verfügung stehen, deren Leistungsdaten sich signifikant verbessern werden. Da EchoRing eine reine Software-Technologie ist, wird sie grundsätzlich von diesen Entwicklungen profitieren. Zweitens arbeiten wir bereits daran, EchoRing weiterzuentwickeln und zu optimieren – Kunden können direkt davon profitieren. Wir sind in der Lage, durch Software-Updates nachträglich die Leistungswerte ohne Hardware-Eingriff zu verbessern. Drittens arbeiten wir an einem alternativen Konzept zu EchoRing, welches die Anforderungen im Bereich Motion-Control erfüllen wird (Latenzzeiten unterhalb von 1 ms).“

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