Produktive Dynamik

Schwerpunkt

Motion Control – Die effiziente Verkettung von Pressenlinien mit mehreren Stationen erfordert Handling-Roboter, die das Material zwischen den einzelnen Pressen umsetzen. Den entscheidenden Fortschritt bei Tempo, Präzision und Zuverlässigkeit bringen dabei innovative dynamische Energiespeicher.

17. Juni 2015

Zu den wichtigsten Zielen der Verantwortlichen in jedem Industriebetrieb gehört eine permanente Steigerung der Produktivität, verbunden mit einem möglichst zuverlässigen Betrieb der Anlagen. Die entscheidenden Fragen sind dabei, wie die Produktion ein wenig schneller gemacht werden kann und wie sich ungeplante Stillstandzeiten minimieren oder gar ganz vermeiden lassen. Besonders attraktiv ist es deshalb, wenn sich beide Fragen mit einem einzigen Produkt beantworten lassen – und wenn sich dabei zusätzlich auch noch Energie einsparen lässt, klingt dies beinahe schon wie ein kleines Wunder.

Kleine Lösung, große Folgen

Ein solche Ideallösung bietet eine aktuelle Entwicklung des international tätigen Maschinenbauunternehmens Schuler mit Stammsitz in Göppingen: Die für die Automatisierung der Pressenlinien von Schuler zuständige Unternehmung Schuler Automation hat eine neue Reihe von Handling-Robotern für die Verkettung von großen Pressenlinien mit mehreren Stationen vorgestellt, die das Material zwischen den verschiedenen Pressen umsetzen und die gesamte Anlage dabei dynamischer, wesentlich energieeffizienter und sogar zuverlässiger machen. Den entscheidenden Vorsprung an Dynamik, Präzision, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit für einen nachhaltigen und störungsfreien Betrieb erreichen die Roboter jedoch erst in der Kombination mit dem dynamischen Energiespeicher DES3.0 des Bremsenergiespezialisten Michael Koch GmbH aus dem badischen Ubstadt-Weiher.

Der sogenannte »Crossbar-Roboter Generation 4.0« basiert auf einem sechsachsigen Industrie-Roboter, den Schuler Automation um eine Fahr- sowie eine weitere Schwenkachse am Roboterkopf ergänzt hat. Der Roboter kann so Teile mit viel Bewegungsspielraum innerhalb einer Pressenlinie von einer Stufe zur nächsten transportieren. Dabei entnimmt der Roboter der Presse bis zu vier Teile gleichzeitig, positioniert sie gegebenenfalls neu und legt sie direkt und ohne Zwischenablage in das Werkzeug der folgenden Pressenstufe ein.

Die Horizontalbewegung des Crossbar-Roboters Generation 4.0 erfolgt dabei über Kopf unter einer hängenden Führungsbahn, die oberhalb der Presse befestigt ist. Der Roboter kann Abstände von viereinhalb bis zehn Metern zwischen den einzelnen Pressenstationen überwinden und bei Bedarf zudem während des Transportes die Teilelage ändern, was wiederum eine platzraubende Ablagestation überflüssig macht, wie sie vor allem bei älteren Linien noch üblich ist. Auf diese Weise passt der Crossbar-Roboter zu allen Pressenlinien und eignet sich deshalb vor allem auch zur Nachrüstung bestehender Pressenanlagen. Dabei steigert der Roboter die Ausbringungsleistung wesentlich: Insgesamt beziffert Schuler Automation die Dynamikerhöhung des Crossbar-Roboters Generation 4.0 gegenüber dem Vorgängermodell mit rund 20 Prozent.

Eine Voraussetzung für diese signifikante Dynamisierung der Roboteraktionen ist die deutliche Verringerung des Gewichts des Roboterarms. So konnten die Pressenspezialisten bei dem Crossbar-Roboter Generation 4.0 das Gewicht gegenüber dem Vorgängermodell von 2.800 auf 1.400 Kilogramm halbieren – bei einer unveränderten maximalen Traglast inklusive Tooling von 90 Kilogramm. Unter dem Strich führt allein diese Gewichtsreduzierung zu einem deutlichen Zugewinn an Energieeffizienz, Geschwindigkeit und Performance. Zum Beispiel ermöglicht es die hohe Dynamik des Roboters, die Bewegungen so zu optimieren, dass auch letzte Zeitreserven genutzt werden können: So lassen sich die Werkstücke mit den schnellen Robotern jetzt schon während der Öffnungsphase aus der Presse entnehmen. Umgekehrt befindet sich der Roboterarm auf der Beladungsseite mit seinen Haltewerkzeugen noch in der Presse, während bereits der Schließvorgang beginnt.

Antrieb unter Dauerstress

Eine Folge der schnelleren Zyklen ist jedoch auch eine höhere Dynamik der elektrischen Antriebe mit sehr harten Beschleunigungs- und Bremsvorgängen. Dies führt nicht nur zu teils extremen Belastungen für die Antriebsumrichter, sondern bedeutet zugleich auch eine entsprechende Zunahme an Bremsenergie, die dem System verloren ginge, wenn sie nicht genutzt wird. Eine Lösung für beide Problembereiche liefern die dynamischen Energiespeicher DES3.0 der Michael Koch GmbH. So wird durch den Einsatz der Geräte einerseits die Antriebselektronik drastisch und nachhaltig geschont, weil er die heftigen Spannungsschwankungen in deren Gleichstrom-Zwischenkreis auf ein Minimum reduziert. Zum Beispiel sinkt die Spannung bei jedem Beschleunigungsvorgang auf gleichgerichtetes Netzniveau, während sie bei jeder Bremsung auf Bremschopperniveau hochschnellt. Diese Differenz von mehreren Hundert Volt in kurzer Abfolge belastet die Kapazitäten der Antriebselektronik sehr. Dazu kommen noch die zwar deutlich geringeren, aber hochfrequenten Spannungsschwankungen auf den beiden Extremen, nämlich der netzseitigen Eingangsspannung sowie diejenige beim Bremschopper während der Bremsvorgänge.

Effizient und antriebsschonend

Mit dem Einsatz des DES3.0 gelingt es, diese Spannungshübe weitgehend zu glätten: So übernimmt der Energiespeicher beim Bremsen des Roboters ab einem bestimmten Spannungsniveau im Gleichstromzwischenkreis die zuströmende Bremsenergie und speist sie in seine Speichereinheit ein. Die Spannung im Umrichter-Zwischenkreis bleibt auf diese Weise auf einem stabilen Niveau, ohne die stark belastenden Ausschläge und die hochfrequenten Sprünge der Chopperspannung.

Beim Beschleunigen dagegen speist der dynamische Energiespeicher die in ihm zwischengepufferte elektrische Energie zurück. Die Spannung im Zwischenkreis bleibt dann so lange stabil auf dem Ausgangsniveau, wie der DES Energie gespeichert hat. Erst dann holt sich der Drive Controller die notwendige Energie aus dem Netz. Zwar fällt die Zwischenkreisspannung dabei auf die gleichgerichtete Netzspannung ab, jedoch sind die Spannungssprünge im Vergleich zum Betrieb ohne DES sehr viel seltener und fallen zudem geringer aus. In der Summe wird so der Effektivstrom soweit reduziert, dass sich die Lebensdauer des Drive Controllers um hohe Faktoren drastisch verlängert.

Schuler Automation wiederum nutzt einen Teil dieser Lebensdauerverlängerung zu einer weiteren Erhöhung der Taktrate bis zur mechanisch möglichen und sinnvollen Grenze ohne negative Folgen für die Elektronik. In der Folge kann der Crossbar-Roboter mit Hilfe des dynamischen Energiespeichers im Normalbetrieb jetzt bis zu 15 Takte pro Minute fahren und bewirkt damit eine Steigerung der Produktivität der Pressenlinie um rund ein Fünftel.

Zugleich wird durch die aktive Rückführung der Bremsenergie aber auch die Energieeffizienz des Crossbar-Roboters Generation 4.0 drastisch verbessert: So kann mit dem DES3.0 der Verbrauch an elektrischer Energie um bis zu 30 Prozent gesenkt werden. Die absolute Energieeinsparung steigt dabei mit einer Zunahme der Zyklenzahl pro Minute, die jedoch wie beschrieben erst durch den Einsatz des DES3.0 möglich wird. Die Kombination aus mehr Leistung bei gleichzeitig längerer Lebensdauer und verringertem Energieverbrauch überzeugt deshalb insbesondere die Anwender der Pressen.

Einsatz ohne Aufwand

Trotz dieser vielen messbaren Vorteile der Energiespeicherlösungen gestaltet sich ihre Konfiguration und Handhabung jedoch so einfach wie ein Bremswiderstand: Zum Einsatz genügt es, die Geräte über drei Litzen an den Gleichstrom-Zwischenkreis des Drive Controllers anzuschließen, danach regeln sie ihren Betrieb ohne weitere Konfigurations- oder Inbetriebnahmearbeiten selbstständig, selbst ein Einschaltknopf fehlt. Die Systeme sind kompatibel mit allen gängigen Umrichtertypen für den Netzanschluss an 400 Volt AC, die über einen direkten Zwischenkreisanschluss mit einer Spannung bis 800 Volt DC verfügen. Für Drive Controller zum Anschluss an 230 Volt AC bzw. mit Zwischenkreis-Spannungen bis 600 Volt DC bietet Koch zudem die Energiespeicherfamilie KEx. Kürzlich erweiterte das Unternehmen sein Portfolio außerdem um die 24-Volt-Notstrom-Energieversorgung NEV für die Steuerungen und Peripheriegeräte eines Antriebs, die aus dem Energiespeicher versorgt wird. Im Falle einer Netzstörung bleiben damit nicht nur die Antriebe für eine definierte Zeit aktiv, sondern auch das abgesicherte 24-Volt-Netz. Nicht zuletzt ermöglichen speziell angefertigte Schaltschranklösungen eine nachträgliche Ausrüstung von Maschinen mit den hoch effizienten Energiespeicherlösungen.bt

Auf einen Blick

- Die Michael Koch GmbH mit Sitz im nordbadischen Ubstadt-Weiher ist ein führender Spezialist für sichere Energiespeicherlösungen und Bremswiderstände für die elektrische Antriebstechnik.

- Das Produktprogramm umfasst neben Lösungen zur Energiespeicherung und Notstrom-Energieversorgung auch Bremswiderstände unterschiedlicher Bauart sowie vollintegrierte Schaltschranklösungen.

Erschienen in Ausgabe: 05/2015