Zykloidgetriebe Roboter dank exemplarspezifischer Getriebedaten in Echtzeit überwachen

Quelle: Nabtesco

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Nabtesco arbeitet gemeinsam mit Keba am digitalen Getriebe-Zwilling sowie Condition-Monitoring-Konzepten für Predictive Maintenance. Dazu kombinieren die Partner digitale Getriebemodelle mit entsprechenden Algorithmen in der Robotersteuerung.

Nabtesco und Keba arbeiten am digitalen Getriebe-Zwilling und modernen Condition-Monitoring-Konzepten für die Robotik.
Nabtesco und Keba arbeiten am digitalen Getriebe-Zwilling und modernen Condition-Monitoring-Konzepten für die Robotik.
(Bild: Nabtesco)

Über drei Millionen Roboter halten weltweit die Produktion am Laufen, Tendenz steigend. Funktionieren sie nicht wie gewünscht oder versagen gar komplett ihren Dienst, hat das massive Auswirkungen. Produktionsausfälle, langwierige Reparaturen und hohe Kosten sind in der Regel die Folge. Um derartigen Worst-Case-Szenarien entgegenzuwirken, rückt Condition Monitoring zunehmend in den Fokus. Mit einer permanenten Überwachung des Roboters bzw. seiner Komponenten würden Abweichungen vom normalen Betriebsverhalten früh sichtbar und entsprechende Maßnahmen könnten rechtzeitig ergriffen werden.

Jeder Roboter ist nur so gut wie seine Getriebe.

Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Getrieben, denn als Wandler von Drehmoment und Drehzahl haben sie einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsdaten der Kinematik. Es gilt: Jeder Roboter ist nur so gut wie seine Getriebe.

Der digitale Getriebe-Zwilling in der Robotersteuerung

Meist wird zur Zustandsüberwachung externe Sensorik genutzt. Doch diese ist teuer und aufwendig. Bei Nabtesco geht man einen anderen Weg. Bereits für das Projekt „Genauester Roboter der Welt“ hat der Zykloidgetriebespezialist die Blackbox Getriebe geöffnet und dem international tätigen Steuerungsexperten Keba getriebespezifische Daten und Charakteristiken zur Verfügung gestellt – übrigens als erster Getriebehersteller in der Robotik. Durch die Bereitstellung von modell- und exemplarspezifischen Getriebedaten sowie die Verknüpfung mit digitalen Dienstleitungen wird es künftig möglich sein, Roboter mit einer Punkt- bzw. Bahngenauigkeit im Hundertstel-Millimeter-Bereich zu realisieren.

Jetzt setzen Nabtesco und Keba ihre erfolgreiche Kooperation fort. Das Ziel: Eine digitale Nachbildung des haptischen Getriebes mit seinen relevanten Eigenschaften. „Modell- und exemplarspezifische Getriebedaten sind nicht nur für die Genauigkeit relevant, sondern auch ein wichtiger Baustein der Industrie 4.0“, sagt Roland Schrattbauer, Produktmanager bei Keba, und konkretisiert: „Eine Modellierung des Getriebeverhaltens kann auch in Bezug auf das Verhalten entlang des Life Cycles wesentliche Mehrwerte liefern. So ist Predictive Maintenance, also die vorausschauende Wartung mithilfe von Condition Monitoring, durch eine Kombination von digitalen Getriebemodellen und entsprechenden Algorithmen in der Robotersteuerung der nächste Schritt.“

Was empirische Daten oder gar exemplarspezifische Parameter betrifft, hüllen sich die meisten Getriebehersteller weitestgehend in Schweigen.

Daniel Obladen, Head of Sales General Industries bei Nabtesco

Gezielte Integration von getriebespezifischen Daten

„Jedes Getriebe verhält sich im Betrieb naturgemäß minimal anders. In den Datenblättern der Getriebehersteller sind in der Regel jedoch nur Pauschalwerte vermerkt. Was empirische Daten oder gar exemplarspezifische Parameter betrifft, hüllen sich die meisten weitestgehend in Schweigen“, erklärt Daniel Obladen, Head of Sales General Industries bei der Nabtesco Precision Europe GmbH. Für eine künftige Echtzeitüberwachung von Robotern sind modell- und exemplarspezifische Getriebedaten jedoch von zentraler Bedeutung. „Je nach Applikationsanforderungen, Einsatzdauer und Aufgabenfeld sind die Getriebe in den Robotern in der Praxis unterschiedlich großen Belastungen ausgesetzt. Auch ist die Beanspruchung der einzelnen Achsen nicht gleich stark“, so der Vertriebsleiter und macht deutlich: „Mit realen seriennummernbezogenen digitalen Getriebeeigenschaften ist eine individuelle Momentaufnahme der Roboterauslastung möglich und damit eine Betrachtung der Restlebensdauer der einzelnen Getriebe.“

Condition Monitoring ermöglicht eine bedarfsgerechte Wartung

Zykloidgetriebe von Nabtesco zeichnen sich durch eine hohe Dynamik und Präzision sowie einen geringen Verschleiß über die gesamte Lebensdauer aus.
Zykloidgetriebe von Nabtesco zeichnen sich durch eine hohe Dynamik und Präzision sowie einen geringen Verschleiß über die gesamte Lebensdauer aus.
(Bild: Nabtesco)

Dabei wird mit Werten gearbeitet, die ohnehin zur Verfügung stehen. So erlaubt der Drehzahl- und Drehmomentverlauf in Kombination mit Erfahrungswerten aus über 35 Jahren Getriebeentwicklung detaillierte Rückschlüsse über den Zustand des Getriebes und damit seine Restlebensdauer. Werden die im Roboter verbauten Zykloidgetriebe durchgehend überwacht, könnte die Wartung bedarfsgerecht ausfallen. „Dank des zur Verfügung gestellten Lebensdauermonitors von Nabtesco lassen sich Anlagenstillstände und die durchzuführenden Wartungsarbeiten wesentlich besser sowie effizienter planen. Ersatzteile können rechtzeitig beschafft und somit ungeplante Produktionsausfälle vermieden werden“, macht Roland Schrattbauer deutlich. Im Ergebnis wären die Produktionsprozesse effizienter und die Produktivität höher.

Softwarebasierte Lösung statt externe Sensorik

Im Vergleich zu externer Sensorik bietet die softwarebasierte Lösung zahlreiche Vorteile, unter anderem Kostenreduktion, verringerte Systemkomplexität und bessere Datenqualität. Ein weiterer Punkt: Nicht alle Daten lassen sich mittels externer Sensoren erfassen. Das trifft beispielsweise auf die Steifigkeit zu – und natürlich die Erfahrungswerte aus der Entwicklung. „Bevor ein Getriebe auf den Markt kommt, führen wir umfangreiche Tests durch. Wir wissen genau, wie sich das Getriebe verhält, wenn es verschleißt oder welchen Einfluss Temperatur und Schmierstoff haben. All diese Parameter fließen in den digitalen Getriebe-Zwilling für die Robotersteuerung mit ein“, erklärt Daniel Obladen.

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Verlässliche Aussagen über die verbleibende Getriebelebensdauer

Eine Pilotanwendung im Bereich Condition Monitoring wird in Zusammenarbeit mit Autonox Robotics realisiert.
Eine Pilotanwendung im Bereich Condition Monitoring wird in Zusammenarbeit mit Autonox Robotics realisiert.
(Bild: autonox Robotics GmbH)

Eine Pilotanwendung wird derzeit mit einem 6-Achs-Roboter der Articc-Baureihe (articc6-2257-30kg) von Autonox Robotics realisiert. „Dabei wird das Verhalten der Präzisionsgetriebe durch ein digitales Modell in der Steuerung berücksichtigt“, erklärt Roland Schrattbauer und betont: „In Folge können einfach und bequem verlässliche Aussagen zur Auslastung und damit Verfügbarkeit der Roboter gewonnen werden – und das vorab zur Planung als auch live im Betrieb.“ Neben Genauigkeitswerten werden auch Parameter wie die aktuellen Momente und Drehzahlen der Roboterachsen erfasst. Über einen digitalen Getriebe-Zwilling in der Robotersteuerung (es wird die Keba-Robotiklösung Kemotion eingesetzt) lässt sich der Ist-Zustand mit dem Soll-Zustand abgleichen und so verlässliche Aussagen über die verbleibende Getriebelebensdauer treffen. Die Roboterauslastung sowie die Belastung der einzelnen Getriebe werden in einem Online-Dashboard dargestellt. Durch Anbindung an cloudbasierte Dienste kann der Zugriff von überall und jedem Device aus erfolgen.

„Üblicherweise gibt es für Robotergetriebe feste Wartungsintervalle. Nach einer gewissen Zeit oder einer bestimmten Betriebsdauer werden sie ausgetauscht – und zwar unabhängig vom tatsächlichen Verschleiß“, sagt Daniel Obladen. „Wenn wir dank der Daten aus der Robotersteuerung das reale Betriebsverhalten und die konkrete Belastung jeder einzelnen Achse kennen, können wir mithilfe des digitalen Getriebemodells in Real Time berechnen, wie hoch der jeweilige Verschleiß ist und ob ein Serviceeinsatz notwendig wird.“ Für Wartung und Instandhaltung eröffnen sich dadurch völlig neue Möglichkeiten. Predictive Maintenance, die zustandsbasierte Wartung und eine Schlüsselanwendung der Industrie 4.0, wird möglich. Das bedeutet: Getriebe werden nicht mehr vorsorglich getauscht, sondern erst, wenn es wirklich notwendig ist. Das reduziert nicht nur den Wartungsaufwand, sondern steigert auch die Roboterverfügbarkeit.

Noch ist eine Simulation mittels digitalem Getriebe-Zwilling Zukunftsmusik, doch die Grundlagen sind gelegt und die entsprechenden Weichen gestellt.

Simulation für eine optimierte Dimensionierung von Robotermechaniken

Condition Monitoring im Live-Betrieb ist dabei nur ein Benefit von digitalen Getriebemodellen. Nächster Schritt ist die Simulation. „Wenn man in der Lage ist, die Daten, die wir jetzt im Betrieb erheben, bereits vorab in die Planung des Roboterdesigns einfließen zu lassen, könnten Roboter ganz anders konstruiert werden“, erläutert Daniel Obladen. „Durch entsprechende Tools könnten wir dann für unterschiedliche Zyklen ganz genau vorhersagen, wie stark die reale Belastung der einzelnen Roboterachsen ausfällt.“ Mit diesem Wissen ließen sich die Getriebe absolut passgenau auslegen. Eine Erkenntnis dabei könnte sein, dass im konkreten Anwendungsfall möglicherweise eine kleinere Baugröße in Betracht kommt. „Die Auslegung von Getriebe erfolgt normalerweise mit gewissen Sicherheitsreserven. Ist das tatsächliche Betriebsverhalten dank Vorabsimulation bekannt, lässt sich dies natürlich bei der Konstruktion berücksichtigen“, hebt Daniel Obladen die Vorteile hervor. Downsizing und Reduzierung der Total Cost of Ownership sind hier wichtige Schlagworte. Noch ist eine Simulation mittels digitalem Getriebe-Zwilling Zukunftsmusik, doch die Grundlagen sind gelegt und die entsprechenden Weichen gestellt.

Das Zykloidgetriebe der Zukunft

  • Wie ist der aktuelle Zustand des Getriebes?
  • Wie hoch ist der tatsächliche Abnutzungsgrad?
  • Wann ist die projektierte Lebensdauer erreicht?
  • Wie verhält sich das Getriebe in einer bestimmten Anwendung?

Mit einer permanenten Zustandsüberwachung lassen sich Fragen wie diese künftig im laufenden Betrieb in Echtzeit beantworten bzw. im Vorfeld simulieren. Datenbasierte Modelle mit virtueller Sensorik und modernen KI-Algorithmen sind ein entscheidender Gamechanger, denn sie ermöglichen es, Condition Monitoring gleichermaßen intelligent wie wirtschaftlich zu betreiben. Mit den geplanten digitalen Services machen Nabtesco und Keba Roboter fit für die Anforderungen der modernen Produktion und läuten ein neues Zeitalter ein. Geplant sind zwei Abstufungen: ein Nabtesco-Add-on mit generalisierten Daten eines bestimmten Getriebemodells sowie ein zusätzliches Upgrade mit den spezifischen Daten der im Endeffekt verbauten Getriebe.

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