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Robotik Volkswagen will bei Robotern sparen

| Redakteur: Robert Weber

Siemens, Volkswagen und die Fraunhofer Gesellschaft forschen an der Energieeffizienz von Industrierobotern. Die Projektpartner setzen auf eine optimierte Steuerung der Roboter im Automobilrohbau. Das Einsparpotenzial soll bei bis zu 50 % liegen.

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Energiefresser Roboter? Siemens, Volkswagen und die Fraunhofer Gesellschaft wollen die Effizienz der Maschinen erhöhen.
Energiefresser Roboter? Siemens, Volkswagen und die Fraunhofer Gesellschaft wollen die Effizienz der Maschinen erhöhen.
(Bild: Siemens)

Im ersten Schritt untersuchen die Ingenieure die Bewegungsabläufe der Fertigungsroboter. Bisher werden Bewegungsbahnen von Robotern in Produktionsstraßen meist manuell programmiert. Hindernisse, die Roboter während ihres Bewegungsablaufs umfahren müssen, und eine falsche Installationshöhe sind nur zwei Faktoren, die den Energieverbrauch in die Höhe treiben. Besonders ins Gewicht fällt jedoch das ständige Abbremsen und Beschleunigen bei einem Richtungswechsel. „Derzeit arbeitet kaum ein Industrieroboter bewegungsoptimiert“, urteilt Matthias Frische, Integration Manager bei Siemens Industry. „Die ruckartigen Bewegungen verursachen Lastspitzen im Energieverbrauch und belasten die Mechanik.“ Ein entscheidendes Ergebnis der dreijährigen Forschungsarbeit ist deshalb ein Simulationsmodell, das optimierte Bahnkurven ohne abrupte Richtungswechsel errechnet. Bemerkenswert ist dabei, dass kein Roboter ausgetauscht werden muss, da lediglich der Bewegungsablauf verbessert wird.

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Neue Ideallinie für den Roboter

Für die Entwicklung der Algorithmen wurde im Labor der Energiebedarf verschiedener Aufgaben eines typischen Roboters der Autoindustrie analysiert und in ein Simulationsmodell überführt. Nach jeder Messung passten die Wissenschaftler verschiedene Parameter an und ermittelten so schrittweise die Einstellung mit dem größten Einsparpotential. „Wenn ein Mensch eine schwere Last bewegt, achtet er intuitiv auf möglichst ergonomische Bewegungen. Analog dazu berechnet das Simulationsmodell kinetisch optimierte, kräftesparende Bewegungsbahnen für Roboter“, erläutert Frische. „Diese so berechnete Bahn kann man mit einer Ideallinie vergleichen, auf der ein Rennwagen durch eine Kurve fährt.“ Die optimierten Bahnen ergaben in Labortests Stromeinsparpotentiale zwischen zehn und 50 Prozent – Werte, die das Projektteam positiv überraschten. „Die runderen Bewegungen senken zudem die mechanische Belastung der Roboter, also auch die Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie die Stillstandzeiten.“

Einsparungen von bis zu 50 %

Die erfolgversprechenden Laborergebnisse werden derzeit auf ihre Praxistauglichkeit überprüft. Die einzelnen Stationen einer Fertigung müssen wie Zahnräder ineinander greifen. Deshalb ist entscheidend, dass trotz Anpassung der Bewegungsabläufe der Arbeitsschritt gleich schnell durchgeführt wird und die Taktzeiten exakt eingehalten werden. In einer ersten Phase wurden die Bewegungsbahnen von Robotern einer Karosseriefertigung von Hand umprogrammiert. Als Basis dienten die in der Simulation errechneten Idealkurven. Die Messwerte des mehrmonatigen Tests zeigten, dass auch unter realen Produktionsbedingungen Energieeinsparungen von bis zu 50 % erreicht werden können.

Software könnte noch 2014 auf den Markt kommen

In der zweiten Phase testen und verbessern die Ingenieure nun ein Software-Modul, das den Energieverbrauch eines vorgegebenen Bewegungsablaufs automatisch optimiert. Der Programmierer legt zunächst die Positionen fest, die ein Roboter ansteuern muss – im Karosseriebau beispielsweise verschiedene Schweißpunkte. Die Software errechnet dann in Sekundenschnelle die energetisch effizienteste Bahn zwischen diesen Punkten. Sie beachtet dabei auch, dass der nötige Abstand zu den anderen Robotern eingehalten wird. Kein einfaches Unterfangen, da die Interaktion aller Roboter aufeinander abgestimmt werden muss. Für diese Berechnung benötigt die Software nur wenige Sekunden. Zum Vergleich: Eine manuelle Bahnoptimierung nähme für jeden Roboter mehrere Tage in Anspruch. Bei tausenden Robotern in einer Autofertigung wäre der Aufwand daher unverhältnismäßig hoch.

Die Vorteile liegen für Frische auf der Hand: „Mit unserer Software werden wir erstmals eine energetische Bahnoptimierung ermöglichen, die sich automatisiert und daher wirtschaftlich umsetzen lässt.“ Ein entsprechendes Software-Modul für die Planungssoftware Tecnomatix könnte noch 2014 auf den Markt kommen. „Fertigungsunternehmen können sozusagen auf Knopfdruck ihren Energiebedarf verringern, und dadurch einen Beitrag zum Umweltschutz leisten“, betont Frische. „Mit Hilfe unserer Software schreibt der Programmierer die Choreographie für das ressourcensparende Zusammenspiel der Roboter.“

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