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Industrieroboter in Leichtbauweise

Energieeffiziente Seilroboter

Auf dem Kongress der SPS IPC Drives 2013 in Nürnberg wurde erstmals der Innovationspreis der Automatisierungsindustrie verliehen. Der erste Preis wurde für ein Projekt des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA zur 'Energieeffizienz von Seilrobotern' verliehen: Durch die Reduktion von Seilkräften lassen sich Verbräuche senken und die Mechanik schonen.

Bild: Fraunhofer IML

Energieeffizienz spielt eine steigende Rolle in der Gestaltung von Produktionsprozessen. Vor diesem Hintergrund hat das Fraunhofer IPA ein neues Verfahren zur Reduktion von Seilkräften beim Einsatz von Seilrobotern vorgestellt: Die Konstruktion setzt auf bewährte Standardkomponenten und Steuerungstechnik und fügt diese zu einem intelligenten Robotersystem zusammen. Eine mögliche Vorgehensweise, um den Energieverbrauch klassischer Robotersysteme zu senken, ist die konsequente Anwendung von Leichtbauprinzipien. Parallele Seilroboter erfüllen die Forderung nach Anwendung von Leichtbauprinzipien schon teils aus sich heraus: Zur Kraftübertragung werden Kunstfaserseile statt schwerer Metallarmglieder verwendet. Darüber hinaus sind die Seilwinden mit der kompletten Antriebstechnik fest mit dem Maschinenrahmen verbunden, sodass der Seilroboter nur eine gering bewegte Masse besitzt. Daraus resultieren neben hoher Energieeffizienz eine Reihe weiterer positiver Eigenschaften gegenüber konventionellen Robotersystemen: Es lassen sich nahezu ohne zusätzlich bewegte Massen sehr große Arbeitsräume mit einer Kantenlänge von deutlich mehr als zehn Metern realisieren.

Durch diesen Aufbau wird zudem ein Eigengewicht zu einem Nutzlastverhältnis von unter 1:5 erreicht, während typische serielle Industrieroboter ein Verhältnis von lediglich 10:1 aufweisen. Im Gegensatz zu einem Kran wird die Last bei einem Seilroboter von mehreren Seilen getragen. Dadurch wird das Nachschwingen der Last unterbunden. Durch die wechselseitige Verspannung der Seile weist die Plattform eine hohe Steifigkeit gegenüber externen Kräften auf. Die Roboter sind bezüglich ihres Arbeitsraumes, Dynamik und Nutzlasten in weiten Bereichen skalierbar. Vergleichbar mit Delta-Robotern sind Beschleunigungen von mehr als 10G realisierbar. Unter Verwendung von Kranwinden kann die Nutzlast im Bereich von wenigen Kilogramm bis zu mehreren Tonnen liegen. Der Arbeitsraum lässt sich durch Winden mit entsprechendem Seilhub kosteneffizient vergrößern. Der am Fraunhofer IPA aufgebaute Seilroboter Ipanema 3 basiert auf Seilwinden mit einer maximalen Seilkraft von 3.000 Newton bei einem Hub von 23 Metern.

Algorithmus zur Senkung der Energieaufnahme

Um die Energieeffizienz von Seilrobotern zu erhöhen, müssen die Seilkräfte am Roboter näher betrachtet werden. Für den sicheren Betrieb des Roboters ist es erforderlich, die Seile durch eine Seilkraftregelung unter Spannung zu halten. Diese Verspannung der Seile erfordert einen beträchtlichen Energieaufwand. Durch den redundanten Aufbau des Roboters – acht Seile steuern sechs Freiheitsgrade der Roboterplattform – können die Seile wechselseitig verspannt werden, ohne externe Kräfte hervorzubringen. Gleichzeitig steigt jedoch der Energieverbrauch. Ziel ist es daher, die Seilkräfte so einzustellen, dass einerseits die Leistung des Gesamtsystems hinsichtlich Dynamik, Stabilität, Sicherheit und Nutzlast erhalten bleibt. Andererseits sollten die eingesetzten Seilkräfte hinsichtlich des Energieverbrauchs nur so groß sein wie nötig. Das neu entwickelte Verfahren zur Sollwertvorgabe von Seilkräften erhält die Leistungsdaten des Systems, während der Energieverbrauch minimiert wird. Gegenüber bisherigen Implementierungen lässt sich dadurch die Leistungsaufnahme auf einer Referenztrajektorie um bis zu 20 Prozent senken. Ein weiterer Vorteil: Die niedrigeren Kräfte schonen die Seile und Mechanik.

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