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Robotik: Ohne Antriebstechnik geht hier nichts mehr

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Stefan Ender, Technologiemanager Robotics bei der Siemens AG
Stefan Ender, Technologiemanager Robotics bei der Siemens AG
(Bild: Siemens)

Stefan Ender, Technologiemanager Robotics, Siemens AG:

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Industrieroboter sind heute so schnell, genau und sicher wie nie zuvor. Um dies zu ermöglichen, mussten in der Antriebstechnik wichtige Meilensteine erreicht werden. Ein Aspekt ist hier die Einführung der Motoren/Motion-Control-Technologie mit 48-Volt-Spannung und DC/DC-Technik. Diese Motoren ermöglichen in Verbindung mit einer sicheren Überwachung ihrer Leistung die sichere Zusammenarbeit von Mensch und Roboter.

Weiterhin benötigen Roboter effiziente Antriebsbussysteme, damit sie in Echtzeit die Daten von Positions- oder Arbeitsraum übertragen können – und das am besten noch in sicherer Technik zum Beispiel mit unseren Baugruppen mit Failsafe. Darüber hinaus: Bei weniger Platz muss heute viel mehr Leistung erbracht werden. Exemplarisch erklärt: Ende der 1990er Jahre lag bei Industrierobotern das Verhältnis zwischen Traglast und Eigengewicht bei 1:8 bis 1:10, heute werden sie mit einem Verhältnis von 1:4 bis 1:6 angeboten – im Bereich Cobots sogar von 1:2 bis 1:3. Gleichzeitig wurde die Performance im Bereich Dynamik um durchschnittlich 25 % erhöht, manchen Applikationen sogar verdoppelt. Dazu muss auch die Antriebstechnik durch eine leichtere Bauform ihren Beitrag leisten: Man benötigt kleine, kompakte Servomotoren mit einem hochauflösenden Geber und schnellem Datenaustausch in Echtzeit.

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Für die Zukunft gehe ich davon aus, dass die Servomotoren und die Antriebskomponenten (konstruktiv) im Design des Roboters verschwinden werden und damit in die Mechanik integriert werden. Das sieht man heute schon beispielsweise bei den kollaborativen Robotern, die im Markt verfügbar sind. Kunden fordern kleinere leistungsfähige Achsverstärker und Leistungselektronik. OPC UA und TSN (Time sensitive Networking) ermöglichen in Zukunft eine integrierte Vernetzung mit Leitsystemen wie SCADA, MES, ERP oder der Cloud.

Irma Lehmann, Business Development Manager for Industrial Automation bei Maxon Motor
Irma Lehmann, Business Development Manager for Industrial Automation bei Maxon Motor
(Bild: Maxon)

Irma Lehmann, Business Development Manager for Indus­trial Automation bei Maxon Motor:

Zwei sehr wichtige Eigenschaften für die optimale Funktionalität von Roboteranwendungen in der Industrie sind Absolutgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Diese sind einerseits durch gute Kalibrierung der Roboterparameter gegeben. Andererseits kann es unvermeidbare mechanische Einflüsse geben, wie etwa Getriebespiel, welche softwaretechnisch nicht kompensierbar sind. Für die mechanischen Antriebskomponenten ergeben sich aus Sicht der Robotik folgende Must-Haves: Hohe Genauigkeit bei einer vorgegebenen Bahn sowie Wiederholgenauigkeit, sehr gute Regelbarkeit, hohe Dynamik, typischerweise hohes Drehmoment bei kleinem Bauraum (oft wird ein Armteil getragen von einem anderen Armteil, d.h. Gewicht spielt eine wichtige Rolle) sowie beim Einsatz von Getrieben möglichst kein Spiel.

Servo-Antriebe, die mit elektrischer Regeltechnik präzise Geschwindigkeits-, Positions-, und Momentenregelung möglich machen, eignen sich sehr gut. Sie können die hohen Anforderungen an die Dynamik und an die Genauigkeit der Bewegung gut erfüllen. Des Weiteren bieten wir Antriebe mit hohem Drehmoment bei kleinem Bauraum an (Flachmotoren).

Roboterarme können ganz eigene spezifische Anforderungen haben, wie zum Beispiel Leichtigkeit, einfache und universelle Interfaces.

In der Industrie gab es häufig und traditionellerweise pneumatische Antriebe, welche nun für Handling-Aktionen, bei denen Präzision erwünscht ist, durch Elektroantriebe ersetzt werden. Gründe hierfür sind unter anderem die Möglichkeit einer besseren Ansteuerung, höhere Präzision bei vorgegebener Bahntreue, keine Verwendung von Öl, keine Luftschläuche, bessere Energieeffizienz, weniger Wartungsaufwand und höhere Lebensdauer. Oftmals stellen Greifer außerdem einen zusätzlichen Bedarf an intelligenter Informationsverarbeitung (Messfunktionen, Force-Feedback). Elektrische Antriebe mit Steuerungstechnik sind in diesen Fällen besonders gefragt.

Dr.-Ing. Werner Kraus, stellvertretender Leiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme und Leiter der Gruppe Handhabung und Intralogistik am Fraunhofer IPA
Dr.-Ing. Werner Kraus, stellvertretender Leiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme und Leiter der Gruppe Handhabung und Intralogistik am Fraunhofer IPA
(Bild: Fraunhofer IPA)

Dr.-Ing. Werner Kraus, stellv. Leiter Roboter- und Assistenzsysteme und Leiter der Gruppe Handhabung und Intralogistik am Fraunhofer IPA:

Meines Erachtens ist hier besonders die sicherheitsgerichtete Antriebstechnik hervorzuheben. Diese bietet für die Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) Geschwindigkeits-, Positions- und Kraftbegrenzung mit Sicherheitsintegrität. In Kombination mit einer sicheren Steuerung ermöglichen diese Entwicklungen beispielsweise, dass heute mechanische Arbeitsraumbeschränkungen wie Endanschläge durch sichere Softwareendschalter ersetzt werden können. Weitere Entwicklungen ergeben sich im Einsatz von Servomotoren in Greifern, um auf Druckluft verzichten und Greifprozesse flexibel regelbar machen zu können.

Ein entscheidendes Kriterium für Robotergreifer ist auf jeden Fall das Gewicht, da die Nutzlast von Robotern begrenzt ist. Bei Elektrogreifern sollten demnach das Gewicht wie auch der Bauraum des Servomotors und der Leistungselektronik kompakt und leicht ausfallen. Für hochpräzise Anwendungen wie zum Beispiel bei der Bearbeitung mit Industrierobotern sind abtriebsseitige Encoder wichtig. Durch die Messung der Achsposition nach dem Getriebe können damit Ungenauigkeit wie Getriebespiel ausgeregelt werden mit dem Ergebnis, dass der Roboter an seinem Tool Center Point (TCP) präziser positionieren kann.

Ein Defizit in der Antriebstechnik sehe ich darin, dass sie bei elektrischen Greifern weniger Leistungsdichte und Kraft als bei Druckluftgreifern bietet. Für die Umsetzung der druckluftfreien Fabrik bedarf es einer leistungsfähigeren Antriebstechnik für Elektrogreifer.

(ID:45592817)

Über den Autor

 Karin Pfeiffer

Karin Pfeiffer

Journalistin