Portalroboter Mobile Roboter von der Energiekette genommen

Roboterportale mit Energieketten? Beim Maschinenbauer EMAG inzwischen Vergangenheit. EMAG setzt auf eine Systemlösung von SEW-Eurodrive. Für die flexible Anlage wurden Antriebstechnik und Kommunikation buchstäblich von der Kette genommen.

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SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG

Produkte automatisch erkennen, sicher greifen und zügig ans Ziel bringen: Portalroboter gelten als ein probates Mittel für den intralogistischen Materialfluss innerhalb einer Maschine oder Applikation. Während Maschinen und Anlagen früher in vielen Produktionsstätten über lange Verfahrwege per Förderband oder personengeführten Fahrzeugen miteinander verbunden waren, können mobile Transportsysteme solche Strecken heute mühelos überwinden. Allerdings sind sie üblicherweise mit Energieübertragungssys­temen wie Schleifleitungen oder Schleppketten verbunden.

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Der Maschinenbauer EMAG in Salach, 50 km östlich von Stuttgart, hat gemeinsam mit SEW-Eurodrive Portalroboter konzipiert. Dafür wurden Antriebstechnik und Kommunikation buchstäblich von der Kette genommen. Die gerade in Portalsystemen bekannten Energieführungsketten gehören in der aktuellen Entwicklung auf weiter Strecke der Vergangenheit an.

Ein Novum, das sich realisieren ließ, weil SEW-Eurodrive optische und induktive Wege der Signal- und Energieübertragung ermöglichen kann. SEW-Eurodrive ist im Markt etabliert mit energieeffizienten Antriebs- und Automatisierungskomponenten. Das noch relativ junge Geschäftsfeld „Maxolution Maschinenautomatisierung“ verfolgt dazu nun ergänzend das Ziel, ausgewählte Branchen mit maßgeschneiderten Systemlösungen aus einer Hand zu bedienen. Welche Vorteile sich aus der Bündelung von Kompetenzen ergeben, zeigt das Unternehmen aus Bruchsal mit dem Roboterportal ohne Energieführungsketten.

Kartesisches Portal: Leiser und flexibler

Anhand eines kartesischen Portals demonstrierte SEW-Eurodrive erstmals vor knapp einem Jahr der Öffentlichkeit, welche Lösungen mit heutiger Technik alles möglich sind, wenn intelligente Software mit zuverlässiger Mechatronik zu vollständig integrierten Lösungspaketen kombiniert werden.

Was bei einer solchen Intralogistik-Anwendung mit kontaktloser Energieübertragung auf Anhieb ins Auge fällt, ist das Antriebskonzept, mit dem die Portalroboter auf der Schiene unterwegs sind. Augenfällig deshalb, weil sich mehrere Roboter auf der gleichen, horizontalen Strecke weitgehend frei bewegen können. Hierbei kommt es dann regelmäßig zu überlappenden Abschnitten. Und genau das ermöglicht letztlich eine enorme Freiheit in den Logistikabläufen.

Mehr Energieffezienz ohne Energieführungsketten

„Solche Abläufe wären mit Energieführungsketten nicht so einfach möglich“, erläutert Klaus Just. Der Gruppenleiter Systemplanung bei SEW-Eurodrive verweist auf die höheren Massen, die in Systemen mit Energieführungsketten ständig mitzubewegen sind. Energieführungsketten erzeugen Lärm, verschleißen, vergrößern die Massenträgheit und wirken sich insgesamt negativ auf die Dynamik und auch auf die Energieeffizienz als Folge der Reibung aus.

Ein weiterer Vorteil der neuen Lösung: Es gibt keine Einschränkungen mehr im Hinblick auf Bauraum, auch keinen Kabelbruch oder limitierte Zykluszahlen, resultierend aus der Energieführungskette sowie den bewegten Kabeln. Möglich wurde dieser smarte Aufbau für EMAG mit SEW durch die induktive Energieübertragung Movitrans und dem dezentralen Einspeisemodul TES. Je nach Ausführung liefern diese Module Übertragungsleistungen zwischen 3 und 8 kW.

Generatorische Energie von Portalroboter im Prozess behalten

Das Spannende an dieser Logistiklösung: Über den kompletten Lastzyklus nimmt der Roboter weniger als 500 W über den Übertragerkopf auf, obwohl allein die Horizontalachse beim Beschleunigen mehr als 3 kW Beschleunigungsleistung benötigt. Gespeist wird der kurzzeitige Energiebedarf aus dem DPS-Speicher von SEW-Eurodrive, einem Doppelschicht-Kondensator-Paket, das die primäre Stromversorgung der Roboter mit 100 VDC Zwischenkreisspannung übernimmt.

Die typischen Fahrprofile eines Portalroboters mit wechselnden Beschleunigungs- und Abbremsphasen führten bei den Entwicklern zu der Überlegung, die generatorische Energie, die beim Bremsen erzeugt wird, nicht über Widerstände abzuführen, sondern im Prozess zu behalten. Der Energiespeicher DPS nimmt diese Bremsenergie auf und wirkt zudem als Booster, wenn die Antriebe des Portals mit 6 m/s² beschleunigen.

Der Aufbau arbeitet dabei so wirkungsvoll, dass per Movitrans nur noch die mechanischen Wirkungsgradverluste im Energieverbund auszugleichen sind, in Summe rund 500 W. „Im Gegensatz zum bekannten DC-Zwischenkreisverbund von Mehrachsanwendungen im zentralen Schaltschrank versetzen wir jede Einheit in die Lage, für sich selbst die Energie zu speichern. Das macht es sehr einfach, solch ein System zu skalieren“, erklärt Klaus Just.

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Bis zu vier Roboter kabellos ansteuern

Die berührungslose Energieübertragung mit dem Verzicht auf limitierende Kabel setzt sich innerhalb des Roboterportals bei der Kommunikation fort. Zum Einsatz kommt eine Datenlichtschranke für EtherCAT. Sie überträgt die interpolierten Lage--Soll-Werte im 1-ms-Raster von der zentralen SEW-Steuerung an die vier Servoregler in der mitfahrenden SEW-Gehäusebox.

Die Berechnung der komplexen Roboter-Motion-Control übernimmt ein Movi-C-Controller – und zwar für bis zu vier Roboter gleichzeitig. Teil der Bewegungsführung sind Berechnungen zur Kollisionsvermeidung sowie die Koordinierung des Roboterverbundes mit Blick auf ein produktives Ganzes.

Benötigt eine Maschine innerhalb eines Produktionsverbundes die doppelte Materialflussleistung, lässt sich im Portalsystem ein Roboter aus einem anderen Bereich flexibel abziehen. Werden hingegen Handlings-Einheiten über eine Energieführungskette versorgt, sind sie an ihren Bereich gebunden. „Wir nehmen Maschinenbereiche von der Kette, machen die damit verbundenen Ressourcen beweglich und Anlagen insgesamt für die Zukunft flexibler und produktiver“, bringt es Klaus Just auf den Punkt. Damit verbunden sind entsprechend hohe Anforderungen an die Kommunikation.

Optische Echtzeitkommunikation

SEW-Eurodrive setzt im Portal auf das Echtzeit-Ethernet-Protokoll EtherCAT – ebenfalls ohne Kabel, und zwar mittels einer optischen Verbindung zu den mobilen Einheiten. Per Datenlichtschranke werden die Antriebsdaten kaskadierbar an die Roboter übergeben. „Wir verzichten damit auf eine gesonderte Steuerung in jedem Roboter“, erklärt Klaus Just. Mit einer Zykluszeit von 1 ms weist das optische System praktisch keine Latenzzeit auf bei der Übertragung der interpolierten Lage-Soll-Werte an die Regler sowie bei der Rückmeldung der entsprechenden Ist-Werte.

Auf gleichem Weg erfolgt die Kommunikation für die funktionale Sicherheitstechnik. Bei dieser Applikation setzte SEW-Eurodrive eine zentrale Sicherheitssteuerung für alle Roboter und die Gesamtmaschine ein. Diese kommuniziert per EtherCAT direkt mit dem Movi-C-Automation Controller und verwendet dafür das EtherCAT-Safety-Protokoll FSoE (Fail Safe over EtherCAT). Dieser Aufbau ermöglicht den einfachen Datenaustausch zwischen beiden Steuerungen, vereinfacht die Programmerstellung deutlich und bietet mit seiner Informationsdichte sehr gute Rahmenbedingungen für Diagnose und Debugging.

Die nahtlose Integration des FSoE-Safety-Masters oder der EtherCAT-Datenlichtschranke in die Automatisierungswelt von SEW-Eurodrive signalisiert, welchen Weg die Bruchsaler gehen, wenn sie von Maxolution Maschinenautomatisierung sprechen. Hierbei spielen standardisierte Schnittstellen ebenso eine große Rolle wie vorbereitete Softwarebausteine oder applikationsspezifische Funktionsmodule.

* Marco Wolff, Vertrieb Maschinenautomatisierung; Heiko Füller, Leiter Marktmanagement, beide SEW-Eurodrive, Bruchsal

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