Antriebstechnik Robotik: Ohne Antriebstechnik geht hier nichts mehr

Autor: Karin Pfeiffer

Neun Experten schätzen mit unterschiedlichen Blickwinkeln die technologischen Trends in der Antriebstechnik ein. Die Robotik stellt dabei ein zentrales Thema dar.

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Die für kollaborative Anwendungen zertifizierte 5-Finger-Greifhand Schunk SVH schafft neue Möglichkeiten beim Greifen und Manipulieren.
Die für kollaborative Anwendungen zertifizierte 5-Finger-Greifhand Schunk SVH schafft neue Möglichkeiten beim Greifen und Manipulieren.
(Bild: Schunk)

Sie spielen eine Schlüsselrolle in der Automatisierung der Fertigungsindustrie, sollen in unserer Gesellschaft womöglich strukturelle Funktionen übernehmen und leisten Präzisionsarbeit, die menschliche Fähigkeiten übersteigt: Robotik-Systeme entwickeln sich rasant – und das wäre ohne Antriebstechnik wohl gar nicht denkbar. Was können Komponenten hier alles leisten? So schätzen neun Experten mit unterschiedlichen Blickwinkeln die technologischen Trends in der Antriebstechnik ein:

Volker Schlotz, Leiter Markt- und Produktmanagement CNC-Systeme bei der Bosch Rexroth AG:
Volker Schlotz, Leiter Markt- und Produktmanagement CNC-Systeme bei der Bosch Rexroth AG:
(Bild: Volker Schlotz/Bosch Rexroth)

Volker Schlotz, Leiter Markt- und Produktmanagement CNC-Systeme bei der Bosch Rexroth AG:

In der Fabrik der Zukunft werden Automationsmodule flexibel neue Aufgaben übernehmen. Damit gewinnt die schaltschranklose Antriebs- und Steuerungstechnik immer mehr an Bedeutung. Sie verringert den Verkabelungsaufwand um bis zu 90 %. Ein Hybridkabel für Strom und Kommunikation versorgt schaltschranklos alle angeschlossenen Antriebe bis hin zum Greifer und anderen Werkzeugen. Die Integration der Motion Control direkt in den Antrieb erhöht die Flexibilität entscheidend, denn Roboter und Handlingsysteme können ohne Eingriffe in einen Schaltschrank neue Aufgaben an anderer Stelle übernehmen.

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In Zukunft werden Roboter viel enger mit Menschen zusammenarbeiten als heute. Damit gewinnt die Maschinensicherheit noch mehr an Bedeutung. In den Antrieben integrierte und zertifizierte Sicherheitsfunktionen der höchsten Stufe schützen die Menschen zuverlässig. Gleichzeitig hilft diese Safe Motion Herstellern, normgerechte Sicherheit mit geringem Aufwand umzusetzen. So können mehrere Rexroth-Antriebe, auch schaltschranklose, einfach zu Sicherheitszonen verknüpft werden. Es reicht ein Fingertipp und alle beteiligten Achsen wechseln in einen sicheren Zustand, ohne dass die Maschine abgeschaltet werden muss. Damit kann sie sofort nach manuellen Eingriffen weiter produzieren.

Daniel Ruf, Product Owner Motors & Drive Components bei Kuka.
Daniel Ruf, Product Owner Motors & Drive Components bei Kuka.
(Bild: Kuka)

Daniel Ruf, Product Owner Motors & Drive Components bei Kuka: MRK-Anwendungen, die zum Beispiel das Führen eines sensitiven Roboters wie des Kuka LBR iiwa per Hand ermöglichen, sind antriebstechnisch eine Herausforderung. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern haben wir es hier zum Beispiel mit Momenten- statt Positionsregelung zu tun. Regelungstechnisch müssen Algorithmen und Verfahren entwickelt werden, die die sensitive Interaktion mit dem Roboter ermöglichen. Im Gegensatz zu den meisten Maschinen oder Anlagen ist das Einsatzspektrum von Industrierobotern extrem vielfältig. Das wiederum beeinflusst die antriebstechnische Auslegung. Bei vielen Anwendungen ist etwa ein dauerhaft hohes Hal-temoment erforderlich. Will heißen: Ein Roboter bewegt häufig hohe Lasten bei einer hohen Präzision, erreicht durch den Reversierbetrieb im Mittel aber eher eine überschaubare Geschwindigkeit. Allerdings gibt es auch Anwendungen, die eine hohe Dynamik erfordern. Einen Antrieb zu entwickeln, der diese Flexibilität bietet und gleichzeitig die Kosten im Blick zu haben, ist eine der zentralen Herausforderungen der Antriebsauslegung und -entwicklung.

In Zukunft könnten Antriebe immer mehr in den Roboter integriert werden. Die elektronische Antriebssteuerung wird derzeit hauptsächlich in einem Schaltschrank verbaut, während künftig Frequenzumrichter im Roboter oder direkt im Motor integriert sein könnten.

Etienne Axmann, Referent Integrated Assembly Solutions beim VDMA Robotik + Automation.
Etienne Axmann, Referent Integrated Assembly Solutions beim VDMA Robotik + Automation.
(Bild: VDMA)

Etienne Axmann, Referent Integrated Assembly Solutions beim VDMA Robotik + Automation:

Es lässt sich ein Trend von den pneumatischen hin zu den Servo-Greifern beobachten. Das heißt jedoch nicht, dass pneumatische Greifer nicht mehr benötigt werden. Servo-Greifer bieten jedoch neue Anwendungsfelder für anspruchsvolle und flexible Greifaufgaben. Elektrische Antriebe lassen sich feiner steuern als pneumatische. Durch die exakte Regulierung der Kräfte, lassen sich auch empfindliche Bauteile sicher greifen. Außerdem bietet sich hier die Möglichkeit an – auch ohne zusätzliche Sensoren – Zustandsdaten zu extrahieren, zum Beispiel für Condition Monitoring. Durch die voranschreitende Digitalisierung und das Mooresche Gesetz werden die Controller immer günstiger, kleiner und leistungsfähiger und somit in die Komponente integriert.

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

Stefan Ender, Technologiemanager Robotics, Siemens AG:

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.

Michael Fraede, Senior Vice President System Technology der Zimmer GmbH
Michael Fraede, Senior Vice President System Technology der Zimmer GmbH
(Bild: Zimmer Group)

Michael Fraede, Senior Vice President System Technology der Zimmer GmbH:

In der Greiftechnik werden traditionell vor allem pneumatische und elektrische Antriebe eingesetzt. Auch die Vakuumtechnik spielt eine nicht zu unterschätzende Rolle. Dabei sind jedoch zahlreiche alternative Technologien auf dem Markt wie Nadelgreifer, Hydraulikgreifer oder sogenannte elektroadhäsive Greifer. Durch die zunehmende Flexibilisierung in der Automatisierung werden verstärkt Sensorik und elektrische Antriebstechnik in den Greifern verwendet. Moderne Sensoren sehen, messen, prüfen, sortieren und beschleunigen dabei die Fertigung.

In der Handhabung sind vor allem die Einbaugröße sowie eine kompakte Bauform ausschlaggebend. Auch eine moderne Schnittstellentechnologie (z.B. IO-Link und Cloud- Anbindung) wird in Zeiten von Industrie 4.0 immer wichtiger. Bezogen auf die Greiftechnik ist das Zusammenspiel der Sensorik mit der Antriebstechnik künftig besonders wichtig. Der Bedienkomfort wird in Zukunft zunehmend kaufentscheidend.

Fernando Vaquerizo, European Robotics Product Marketing Manager bei Omron
Fernando Vaquerizo, European Robotics Product Marketing Manager bei Omron
(Bild: Omron)

Fernando Vaquerizo, European Robotics Product Marketing Manager bei Omron:

Wir sehen einen Trend bei Robotern und Servicerobotern hin zu Stellantrieben mit höherer dynamischer Leistung auf kompaktem Raum. Bei Greifern und Handlingsystemen: der Einsatz von Sensorfusion, um nicht nur Kraft- und Lageregelung zu implementieren, sondern auch Dimensionen wie Tast-/Reibwertsensoren und integrierte Kamerasensorik, zum Beispiel für Vision-Servo-Lösungen.

Es gibt noch immer physikalische Grenzen. Je mehr Wärme produziert wird, umso besser muss der Roboterarm diese ableiten können. Die Entwicklung eines kleineren Stellantriebs, der weniger Wärme erzeugt, wäre eine Lösung – vor allem bei eingebetteten Bremsen. Natürlich wären derartige Entwicklungen auch von Nutzen für andere Anwendungen und Einsatzbereiche, wie in der Automobilindustrie, und selbst in Fällen mit Servos oder Wechselrichtern – wo immer es um energiesparende Wirtschaftlichkeit, also etwa in der Hebe- und Fördertechnik.

Die Antriebstechnik wird für die interaktive Zusammenarbeit von Robotern und Menschen ein Schlüsselelement sein. Letztendlich werden Robotik und Automatisierungssysteme die nächste Stufe der flexiblen Automation ermöglichen, die für eine flexibilisierte Massenproduktion erforderlich ist.

Prof. Dr.-Ing. Markus Glück, Geschäftsführer Forschung & Entwicklung/CINO bei der Schunk GmbH & Co. KG
Prof. Dr.-Ing. Markus Glück, Geschäftsführer Forschung & Entwicklung/CINO bei der Schunk GmbH & Co. KG
(Bild: Schunk)

Prof. Dr.-Ing. Markus Glück, Geschäftsführer Forschung & Entwicklung/CINO bei der Schunk GmbH & Co. KG:

In den zurückliegenden Jahren hat sich das Spektrum der in der Greiftechnik eingesetzten Antriebstechnologien deutlich erweitert. Neben der traditionell starken Säule pneumatisch angetriebener Greifsysteme konnten sich elektrisch angetriebene Aktoren im Spannungsbereich über 400 V etablieren. Während konventionell-pneumatische Lösungen üblicherweise nur bis zu zwei Zwischenpositionen bieten, eröffnen Lösungen mit elektrischen Antrieben Anwendern große Freiräume. Zusätzlich zu herkömmlichen Elektroantrieben sind vor allem Lösungen mit Lineardirektantrieben gefragt. Sie bieten ein Höchstmaß an Präzision, Flexibilität, Geschwindigkeit und Komfort. Sowohl der Hub als auch die Antriebskräfte lassen sich individuell definieren und regeln. Vor allem bei häufig wechselnden Teilen zahlt sich diese Flexibilität schnell aus.

Hinzu kommt, dass beispielsweise bei Fügeprozessen die jeweilige Kraft über den Regler gemessen werden kann. Die hohe Versorgungsspannung von über 400 V stellte sicher, dass die Anforderungen an die erzielbaren Drehmomente oder vergleichbare Kennzahlen erfüllt werden konnten. Mit der Verbesserung der Wirkungsgrade und Leistungsdichten in modernen Automationskomponenten und der Forderung nach mehr Einsatzflexibilität gewinnen neuerdings auch 24-V-Komponenten rasant an Bedeutung. Vor allem bei Endeffektoren, aber auch bei Greifwerkzeugen erleichtert die höhere Leistungsdichte bei weiter voranschreitender Miniaturisierung die mechatronische Systemintegration.

Lange Zeit galten pneumatische Greifsysteme als Nonplusultra in Handhabung und Robotik.

Wir sehen das zunehmend autonomere Greifen in den Produktionssystemen der Zukunft auf uns zukommen. Diese Herausforderung wird sich nur meistern lassen, wenn alle Aktoren einer kinematischen Kette, zum Beispiel eines Roboterarms, bestmöglich zusammenspielen. Das bedeutet konkret, dass sieben oder mehr Motoren bestmöglich ihre Wirkung entfalten, standardisiert angesprochen werden und die Gesamtregelung dieses Netzwerks an Antrieben unterschiedlichster Leistungsklasse und Baugröße optimal zusammenspielt. Ohne modernste Antriebstechnik geht also für Greiferhersteller und Roboterlieferanten nichts mehr.

(ID:45592817)

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 Karin Pfeiffer

Karin Pfeiffer

Journalistin