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Software kann dafür sorgen, den Energieverbrauch von Robotern zu senken. Hier diskutieren Dr. Geckler vom Volkswagen-Konzernteam Energieeffizienz und Nils Petersen von der Ostfalia Hochschule Wolfenbüttel die Ergebnisse der Software zur energieeffizientesten Ausrichtung des Roboters. - Bild: Volkswagen

Das Thema Energieeffizienz im Bereich Robotik wird zwar nicht mehr so gepusht wie vor einigen Jahren. Eine Umfrage unter Roboterherstellern, Forschungsinstituten und Anwendern zeigt aber deutlich, dass es nach wie vor von Belang ist. „Der politische Hype um das Thema hat sich gelegt, und es wird inzwischen selbstverständlicher damit umgegangen“, berichtet zum Beispiel Dr. Michael Klos, General Manager Automotive Robotics Division beim Roboter- und Anlagenbauer Yaskawa Europe.

Das Thema Energieeffizienz spiele insbesondere bei sehr großen Roboter-Populationen eine Rolle, also speziell im Automobil-Karosseriebau. „Nachdem nun ein AIDA-Referenzverfahren für den Karosseriebau vorhanden ist, liefern wir bei Anfragen Energiedaten von Robotern mit“, erläutert Klos. Bei der Auswahl von Robotern fließe diese Information in die TCO-Betrachtung mit ein, als eines von vielen Kriterien.

Energieverbrauch gezielt senken

Ähnlich sieht das Fanuc. Bei der Auswahl eines einzelnen Roboters sei Energieeffizienz zwar eher weniger ein Thema, aber man nehme das gerne mit. Würden größere ‚Pakete‘ verhandelt, sei ‚Energieeffizienz‘ durchaus auf der To-Do-Liste der Kunden. Beim Handhaben und Palettieren komme das Argument eher zum Tragen, weil da die Betriebsdauer größer ist. Fanuc bietet mit dem Offline-Programmiersystem Roboguide ein optionales Paket, mit dem der Energieverbrauch eines Roboters und seine Programme optimiert werden können. So lässt sich der Energieverbrauch des Roboters gezielt senken. Zusätzlich kann auch Energieeinsparung erzielt werden, indem der Fanuc-Roboter über Profinet überwacht wird.

70 Prozent der Lifecycle-Kosten sind Energiekosten

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Im Rahmen des Forschungsprojektes Areus ist es ­Kuka gelungen, durch eine optimierte Bahnplanung rund 10 Prozent Energie einzusparen. Leistungsspitzen können so sogar um 50 bis 60 Prozent reduziert werden. - Bild: Kuka

Noch deutlichere Worte kommen von Kuka. Das Thema Energieeffizienz werde aus Sicht des Vertriebs immer wichtiger und auch von Kunden immer mehr angefragt. Vor allem in der Automobilindustrie sei das Thema präsent. Rund 70 Prozent der anfallenden Lifecycle-Kosten eines Robotersystems entfielen auf die Energiekosten, sodass man Ersatzteil-, Wartungs- und Schulungskosten nahezu vernachlässigen könne. Eine große Herausforderung sind laut Kuka auch die nicht vorhersagbaren Entwicklungen der Energiekosten speziell nach dem Atom-Ausstieg. Das berge ein hohes unternehmerisches Risiko. Zusätzlich wissen die OEMs laut Kuka noch nicht, was seitens Brüssel und der EU-Gesetzgebung noch auf sie zukommt:

In dem EU Strategie-Papier ‚Europa 2020‘ wird die CO2-Emission von Produkten nicht mehr nur in der Gebrauchsphase betrachtet, sondern auch bereits in der Herstellungsphase.

Die EU-Kommission droht in diesem Papier bereits mit steuerlichen oder marktrechtlichen Eingriffen, sollte die CO2-Emission in der Produktion nicht deutlich reduziert werden.

Am Beispiel Automobil beträgt der Anteil der Produktion zwischen 25 – 30 Prozent der gesamten CO2-Emission über die Lebenszeit des Produktes Automobil, teilt Kuka mit. Damit rückten die Industrieroboter als größter Verbraucher im Produktionsumfeld natürlich in den Fokus der OEMs.

"Analog zur menschlichen Ergonomie können wir mit der Positionsoptimierungssoftware im Schnitt zehn bis fünfzehn Prozent Energie einsparen", sagt Dr. Dieter Geckler, Leiter des Teams Energieeffizienz im Volkswagen-Konzern.

Neue Software berechnet energieeffiziente Roboterpositionen

Das Konzernteam Energieeffizienz der Volkswagen AG entwickelt mit der Ostfalia Hochschule eine bislang einmalige Software für die energieeffiziente Programmierung von Industrierobotern. - Bild: Volkswagen
Das Konzernteam Energieeffizienz der Volkswagen AG entwickelt mit der Ostfalia Hochschule eine bislang einmalige Software für die energieeffiziente Programmierung von Industrierobotern. - Bild: Volkswagen

Für Volkswagen jedenfalls spielt das Thema eine wichtige Rolle. Mitarbeiter aus dem Konzernteam Energieeffizienz entwickeln derzeit beispielsweise zusammen mit der Ostfalia Hochschule Wolfenbüttel eine Software, die die energieeffizientesten Positionen des Roboters errechnet. Die sich gerade in der Test- und Optimierungsphase befindliche Software soll durch wenige Klicks in der Lage sein, sämtliche Positionen zu berechnen, von denen aus der Roboter energieeffizient arbeiten kann.

„Analog zur menschlichen Ergonomie können wir mit der Positionsoptimierungssoftware im Schnitt zehn bis fünfzehn Prozent Energie einsparen und den Wartungsaufwand der Roboter gleichzeitig verringern, sodass ihre Lebensdauer verlängert wird“, verrät Dr. Dieter Geckler, Leiter des Teams Energieeffizienz im Volkswagen-Konzern. Bei einem aktuellen Stand von rund 30.000 Industrierobotern in insgesamt 120 Werken könne somit sehr viel Energie gespart werden.

Gecklers Team forscht außerdem an der Bahnoptimierung des Industrieroboters. Hierbei wird berechnet, welche Bewegungen des Roboters am energieeffizientesten sind. Im dritten und finalen Schritt soll die Software in der Lage sein, die Beschleunigung und die Geschwindigkeit des Roboters zu optimieren. Die Fertigstellung der weiterentwickelten Software, die bis zu 30 Prozent Energie einsparen kann, ist für das nächste Jahr geplant.

Bremsenergie von Robotern speichern

Der Erfahrung nach von Prof. Alexander Sauer, Leiter des Bereichs Ressourceneffiziente Produktion am Fraunhofer IPA, steht bei Produktionsaufgaben mit Roboterunterstützung meist die technische Aufgabenlösung im Vordergrund und nicht die energetische Performance des zu beschaffenden Robotermodells. Dafür komme der Programmierung und der Art und Weise des Roboterbetriebs eine wichtige Rolle zu.

„Wir arbeiten derzeit an einem Projekt, bei dem wir durch den Einsatz von Energiespeichern die Bremsenergie von Robotern rekuperieren und zu einem späteren Zeitpunkt zur Glättung von Lastspitzen einsetzen können“, berichtet der Forscher. Um Energie zu sparen, sei es in Zeiten von Produktionspausen zum Beispiel notwendig, den Roboter in den Standby-Modus fahren zu können.

Darüber hinaus könnten die Bahnen der Roboter so programmiert werden, dass möglichst wenig Energie für die Bewegung des Roboters benötigt werde. Schließlich sollten die bewegten Massen des Roboters möglichst reduziert werden. „Jedes nicht vorhandene Kilogramm Gewicht muss auch nicht beschleunigt oder abgebremst werden und spart somit Ener­gie“, erläutert Sauer.

Energieeffizienz bei Robotern ist kein zentrales Kundenthema

Wie ABB berichtete, ist das Thema Energieeffizienz keiner der Hauptgründe, warum Kunden sich für den Einsatz von Robotern entscheiden, noch ist die Energieeffizienz von Robotern eines der zentralen Kundenthemen. Es seien eher energieintensivere Bereiche ihres Produktionsprozesses, bei denen Investitionen in energieeffiziente Lösungen sich eher in einem ROI widerspiegeln – Elektromotoren, Was­serpumpen, Ventilatoren, Heiz- und Kühlsysteme usw. Es gibt viele ABB-Lösungen, die mess­bar die Energieeffizienz dieser Anwendungen verbessern, so die Firma.

Intelligente Benutzung bringt Einsparungen

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Die Roboter-Punktschweißzelle ist so kompakt konstruiert, dass sie bis zu 40 Prozent weniger Platz als eine vergleichbare Anlage benötigt. Dementsprechend niedriger ist auch der Energiebedarf. - Bild: Yaskawa

Roboterhersteller Yaskawa jedenfalls bietet technologische Maßnahmen am Roboter wie den Verzicht auf Transformatoren oder eine – auch nachrüstbare – Energie-Rückgewinnung. „Und die Energieeffizienz steht auf unseren Entwicklungs-Spezifikationen zukünftiger Produkte weit oben“, sagt Klos.

Jedoch liege das größere Einsparungspotenzial beim intelligenten Benutzen des Roboters, zum Beispiel durch intelligentes Abschalten in Pausen oder auch in der optimalen Programmierung der Bewegung. „Taktzeit-, Bewegungs- und Energiebedarfsoptimierungen werden über Software-Simulationen unterstützt, und wir bieten aufgrund unserer Erfahrung als Anlagenbauer Hilfen und Schulungen zum optimalen Programmieren an“, erklärt der Robotik-Experte.

Signifikant Energie sparen

Auch Kuka beschäftigt sich mit dem Thema intensiv und beteiligt sich zum Beispiel am Forschungsprojekt Areus. Zum Vergleich des Energieverbrauchs fahren die Roboter bei Kuka ein definiertes Set an Bewegungsbahnen. Dabei wird die benötigte Energie entweder direkt über ein Strom-Messgerät an der Einspeisung gemessen oder über ein Modell aus den Motorströmen bestimmt.

Ein wesentlicher Ansatz, wie man mithilfe von Software Energie sparen kann, ist laut Manfred Hüttenhofer, Leiter des Kompetenzcenters Motion Control, vergleichbar zu den Tipps, die man selber vom Autofahren her kennt: „Vermeidet man überall da, wo es vom Prozess her machbar ist, häufiges, starkes Beschleunigen und Bremsen und auch hohe End-Geschwindigkeiten, kann man signifikant Energie sparen“, so die Erfahrung des Experten.

Rückspeisung von Bremsenergie

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Der LR Mate 200iD von Fanuc hat eine höhere Nutzlast als sein Vorgänger, ist aber leichter. Damit müssen die Motoren rechnerisch 7 Prozent weniger Energie aufwenden. Der Roboter ist ein kompakter 6-Achser mit der ungefähren Länge und Reichweite eines menschlichen Arms. - Bild: Fanuc

Bei Fanuc hat das Thema Energieeffizienz ebenfalls einen hohen Stellenwert. Das Fanuc-eigene Roboterbetriebssystem erlaubt ein Abschalten und den sicheren Systemstart beim Wiedereinschalten. Das spart Energie im Stillstand. Als erster Roboterhersteller hat das Unternehmen die Möglichkeit der Rückspeisung von Bremsenergie ins Netz entwickelt. Diese Technik hat Fanuc erfolgreich aus der Werkzeugmaschinenwelt in die Robotertechnik übertragen.

Weiterhin wurde das Eigengewicht der häufigsten Fanuc-Roboter erheblich verringert. Das sorgt je nach Mo­dell für Energieeinsparungen bis zu 17 Prozent. Optionale Softwarefunktionen wie ZeroDown-Time (ZDT) erfassen und überwachen außerdem exakt, wie und wie viel Energie die Fanuc-Roboter verbrauchen, sodass gezielt Roboterprogramme und -Betrieb zum Energiesparen optimiert werden können.

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