Energieeffizienter Betrieb von Industrierobotern

Abstract

Beim Erwerb eines Industrieroboters werden heutzutage nicht mehr nur klassische Faktoren wie die minimal erreichbare Taktzeit und die Anschaffungskosten als Kaufkriterien betrachtet, sondern auch der Leistungs- und Energiebedarf des Roboters sowie die laufenden Kosten über dessen gesamte Lebensdauer (TCO: Total Cost of Ownership). Konzepte zur Steigerung der Energieeffizienz von Industrierobotern sind somit sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht erstrebenswert. Die Verbesserungsansätze lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Bei den hardwareseitigen Ansätzen wird eine Effizienzsteigerung durch Anpassung der verwendeten mechanischen und elektrischen Komponenten und/oder durch hardwarebezogene Erweiterung des Systems, zum Beispiel in Form von Energiespeichern, angestrebt. Die zweite Kategorie bilden Ansätze zur Optimierung der Software, bei denen die Ersparnisse durch energieeffizientere Bahnplanungsalgorithmen und Ablaufsteuerungen erzielt werden sollen. Die folgenden Untersuchungen fokussieren sich dabei auf die zweite Kategorie.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden softwarebasierte Ansätze zum energieeffizienten Betrieb von Industrierobotern unter möglichst praxisnahen Bedingungen vorgestellt und auf zwei Roboter verschiedener Traglastklassen angewendet. Als Szenarien werden unterschiedliche industrietypische Applikationen wie zum Beispiel Pick-and-Place- und Schweißaufgaben untersucht. Die Bahnen der Ausgangsszenarien, die als Referenz zur Bewertung des Einsparpotentials dienen, werden direkt auf einer modernen, kommerziellen Robotersteuerung geplant, sodass diese dem Stand der Technik entsprechen. Es wird ein Modell erstellt, das den Leistungs- und Energiebedarf des betrachteten Roboters in Abhängigkeit von der durchgeführten Bewegung wiedergibt. Das Modell wird für beide Roboter am Prüfstand validiert. Die vorgestellten Verfahren zum energieeffizienten Betrieb von Industrierobotern lassen sich im Wesentlichen anhand der Freiheitsgrade des Ausgangsszenarios klassifizieren: Im ersten Fall werden zeitlich veränderliche Bewegungen mit fest vorgegebener Geometrie untersucht. Anschließend werden für Aufgaben mit veränderlicher Bahngeometrie zwei Verfahren zur Bestimmung einer energieoptimalen Bahngeometrie unter Verwendung nichtlinearer Optimierungsverfahren präsentiert. Im dritten Fall wird das Einsparpotential durch Änderung der relativen Lage des Roboters zum Werkstück aufgezeigt. Für jedes Verfahren werden die Bedingungen zur Umsetzung in der Praxis sowie die Ursachen und Einflussfaktoren für die erreichbaren Ersparnisse diskutiert.