Energieeffizientes Design der Robotermechanik und ausgewählte Materialien haben Einfluss auf die Energieeffizienz und die Öko-Bilanz eines Roboters oder eines Gesamtsystems in Bewegung. Es gilt die Formel: weniger Masse verbraucht auch weniger Energie.
Roboter sind keine Energiefresser. Ihr durchschnittlicher Energieverbrauch liegt bei rund 2,5 kW und ist damit niedriger als der zweier Föhns (circa 3,0 kW). Die Robotersteuerung verbraucht im Standby-Modus mit durchschnittlich 30 bis 200 W weniger Energie als eine schnelle PC-Grafikkarte im Spielbetrieb. Das energieeffiziente Design der Robotermechanik und ausgewählte Materialien haben Einfluss auf die Energieeffizienz und die Öko-Bilanz des Gesamtsystems in Bewegung. Durch eine gezielte Auswahl der verwendeten Materialien nach ihrer ökologischen Verträglichkeit konnte die Kuka Roboter GmbH das Eigengewicht der Robotermechanik um über 12 % reduzieren. Qualitativ hochwertige Getriebe mit sehr niedrigen Reibungsverlusten und der Einsatz von energieeffizienten Motoren sichern einen verbrauchsoptimierten Betrieb. Zusätzlich garantiert eine neue, energieoptimierte Antriebstechnik mit einer automatischen und energieoptimalen Abstimmung von Umrichter und Motoren einen Betrieb des Robotersystems im Verbrauchsoptimum bei allen Bewegungsabläufen. Zusammen mit einer energieoptimalen Bahnplanung und neuen, verbrauchsoptimierten Fahrbefehlen konnte der Energieverbrauch in Bewegung gegenüber dem Vorgängersystem applikationsabhängig um bis zu 30 % reduziert werden.
Das Robotersystem ist nur zu circa 20 % wertschöpfend in Bewegung. Damit rücken die Wartezeiten in der Produktionsphase und der „Leerlauf-Verbrauch“ in produktionsfreien Zeiten in den Fokus. Indem die Anzahl der zulässigen Bremsspiele erhöht wurde, konnte Kuka Roboter die Einfallszeit der Bremsen und den Energieverbrauch bei kurzen Stillständen um 60 % reduzieren. Sind die Produktionspausen geplant – wie Schichtwechsel, Arbeitspausen oder Wochenenden – kann die überlagerte SPS die Robotersteuerung in Energiesparmodi versetzen und die Energieaufnahme minimieren. Treten unerwartete Produktionsstillstände auf, kann die Instandhaltung je nach Länge der Wartungsmaßnahme und der vom System benötigten Hochlaufzeit diese Energiesparmodi für ganze Anlagenbereiche manuell aktivieren und damit die Energieaufnahme in nichtproduktiven Zeiten minimieren.
In Summe führen diese Energie-Effizienz-Maßnahmen bereits jetzt zu einer Verbrauchsminderung um über 35 % gegenüber dem Vorgängersystem. In Zahlen bedeutet das einen jährlichen Minderverbrauch von rund 2500 kWh, jährlich etwa 250 Euro Kosten weniger und vor allem über 1400 kg CO2
weniger Emissionen pro Robotersystem. Damit tragen die Roboter bereits heute ihren Teil zu einer ressourceneffizienten Produktion bei.
Die Zeit außerhalb der wertschöpfenden Bewegung wartet der Roboter auf Fertigmeldungen von Prozesssteuerungen, Freigaben durch die Anlagensteuerung, Verriegelungssignale von benachbarten Robotern oder neue Bauteile. Diese Wartezeiten sind nicht nur nicht wertschöpfend, sondern kosten auch unnötig Energie, sodass steuerungstechnische Maßnahmen zur Reduzierung unnötiger Wartezeiten innerhalb der Produktionssequenz die Energieeffizienz einer Anlage noch einmal drastisch erhöhen können. Soll beispielsweise ein Karosseriebau ressourceneffizient betrieben werden, müssen die Anlagensteuerungen unnötige Roboterbewegungen und Wartezeiten durch vorausschauende Sequenzierung der Roboterbeauftragung verhindern. Hierbei können klar strukturierte und hochmodulare Roboterprogramme mit einer flexiblen Aufrufschnittstelle zur SPS unterstützen. Gerade bei Produktionssystemen mit sehr hoher Roboterdichte und asynchronen Abläufen führt die Verarbeitung von Freigabe- und Verriegelungssignalen durch eine zentrale SPS oft zu unnötig langen Wartezeiten bei den Robotern. Werden Verriegelungen und Freigaben gemeinsam genutzter Arbeitsräume innerhalb der intelligenten und vernetzten Robotergruppe abgearbeitet, lassen sich diese verbrauchsintensiven Wartezeiten deutlich reduzieren. Durch eine Synchronisation von Roboterbewegungen und Fertigungsabläufen innerhalb einer kooperierenden Robotergruppe kann in vielen Fällen auf Wartezeiten komplett verzichtet und somit die Anlage im energetischen Optimum betrieben werden. Aber auch neue Materialflusskonzepte können den Energieverbrauch einer Anlage reduzieren. So warten die Roboter zum Beispiel beim Übersetzen einer Karosse in die nächste Zelle mindesten zehn Sekunden. Ersetzt man den „Stop-and-Go-Transport“ durch einen kontinuierlichen Materialfluss, können die Roboter zu 100 % der Taktzeit arbeiten. Die Aspekte der Energieeffizienz müssen bereits in der frühen Planungsphase berücksichtigt werden. Für den Industrieroboter bedeutet dies, dass bereits vorab in der Offline-Programmierung der Energieverbrauch der Roboterapplikation möglichst genau prognostiziert werden muss. Kuka Roboter wird in naher Zukunft Roboter-Controller- Simulations-Module zur Verfügung stellen, die neben einer hochgenauen Simulation der Bewegung und ihres Ablaufes auch die Energieaufnahme des Robotersystems über der gefahrenen Bahn berechnen. Wird bei allen Anlagenkomponenten diese Simulation durchgeführt, kann eine Anlage bereits in der virtuellen Welt von ihrem „Verbrauchsverhalten“ her modelliert werden. Nun können Produktionsszenarien durchgespielt, verbrauchsoptimierte Produktionssequenzen definiert und Methoden zur Vermeidung von unerwarteten Lastspitzen überprüft werden. Zusätzlich ermöglicht die Energiebedarfssimulation eine flexible Reaktion auf Änderungen des Energieversorgungsmarktes.
Um eine Anlage energieeffizient zu betreiben, bedarf es nicht nur energieeffizienter Komponenten, sondern eines detaillierten Energiemodells der Gesamtanlage, das die produzierenden Komponenten, die Prozesse, die Logistik aber auch den Energieverbrauch des Gebäudes berücksichtigt. Das energetische Modell der Anlage zusammen mit den Informationen über den produktspezifischen Energiebedarf erlaubt eine relativ genaue Prognose des Energiebedarfs und des Lastverlaufs unter Einbeziehung der Produktionsplanung. Energieprofile in allen Ebenen der Fabrik sorgen für die benötigte Transparenz. Konzepte zur Integration von Energie als planbare Ressource werden Produktionsplanungssysteme revolutionieren. Der energiesparenden und energieflexiblen Fertigung gehört die Zukunft. wm
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