Kuka Quantec-Roboter

Bis zu 160 Kilogramm leichter als entsprechende Vorgängermodelle. - Bild: Kuka

Roboter sollen bei der CO2-Reduktion mitmachen. Eine neue Generation ‚grüner‘ Modelle verbraucht 25 Prozent weniger Energie. Zugleich arbeitet sie dank reduzierter Standby-Zeiten deutlich effektiver. Ein gutes Beispiel ist die Quantec-Serie von Kuka.

 

Welcher Ingenieur hat nicht in jungen Jahren von einem kleinen Roboter nach Art von Daniel Düsentriebs kleinem Helferlein geträumt? Inzwischen wären die meisten mit dem Energieverbrauch von Little Helper – wie er im englischen Original heißt – nicht mehr zufrieden. Er trägt nämlich eine klassische Glühlampe als Kopf, und die hat bekanntlich einen sehr schlechten Wirkungsgrad.

Bei heutigen Roboter-Konstrukteuren steht derzeit nämlich der Energieverbrauch ganz besonders im Fokus. Bis zu einem Viertel weniger Verbrauch sind möglich, meint etwa Prof. Dr.Dirk Jacob. Er forscht als Dozent für Fertigungsautomatisierung an der Fachhochschule Kempten. „Ein naheliegender Lösungsansatz für eine Verbesserung der Energieeffizienz ist die Verringerung des Eigengewichts.

Hier kann durch eine Reduzierung der bewegten Massen erhebliches Energieeinsparpotenzial gehoben werden“, sagt Jacob. Er denkt dabei weniger an den Einsatz kostenintensiver Leichtbau-Materialien wie Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoff (CFK). Das sei in den wenigsten Fällen wirtschaftlich vertretbar. Schließlich sei der Werkstoff um den Faktor fünf teurer.

Erfolgversprechend ist dagegen die Minimierung der benötigten Bewegungsenergie durch optimierte Auslegung. Strukturelemente können über die Finite Elemente Methode (FEM) optimiert werden. Bei Getrieben ist ein niedrigeres Gewicht etwa durch eine bessere Leistungsdichte erreichbar, und Motoren lassen sich beispielsweise durch Feldschwächung leichter machen.

Zwölf Prozent Gewicht gespart

 

Kuka-Roboter-Steuerung KR C4

Dank der neuen Kuka-Roboter-Steuerung KR C4 verbraucht der Roboter im Standby-Betrieb 95 Prozent weniger Energie. - Bild: Kuka

Bei seinem früheren Arbeitgeber, der Augsburger Kuka Roboter GmbH, war Jacob maßgeblich an der Entwicklung der Quantec-Serie beteiligt. Diese Roboter sind bis zu 160 Kilogramm oder zwölf Prozent leichter als entsprechende Vorgängermodelle. Die möglichen Traglasten blieben dabei aber unverändert und liegen zwischen 90 und 300 Kilogramm. Das gleiche gilt für die Reichweiten der Roboter, die nach wie vor zwischen 2,5 und 3,1 Meter betragen.

„Die Reduktion der Masse erhöht außerdem die Dynamik des Roboters und führt damit zu bis zu 25 Prozent kürzeren Taktzeiten“, ergänzt Christian Schmid, Produktmanager bei Kuka. Zusammen mit einer Antriebstechnik der neuesten Generation führe dies zu 25 Prozent Energieeinsparung, erklärt der Manager.

Für OEMs interessant ist eine weitgehende Kompatibilität der grünen Roboter zu den Vorgängertypen.  Alle Modelle verfügen über das gleiche, auch zu den Vorgängerserien passende Bohrbild zur Fundamentbefestigung und einen identischen Werkzeugflansch. „Damit ist die Quantec-Serie hundertprozentig kompatibel zu bestehenden Zellenlayouts der Serie 2000“, bekräftigt Schmid. Für die Instandhaltung wichtig ist das Gleichteile-Konzept von Kuka. Nur vier Motorisierungs- und Getriebevarianten decken dabei die gesamte Serie von 15 Roboter-Modellen ab.

Prof. Dr. Dirk Jacob

Der Schweißroboter übernimmt jetzt selbst den Zangenausgleich, das spart 25 bis 30 Kilogramm Gewicht, erklärt Prof. Dr. Dirk Jacob. - Bild: Kuka

Software statt Mechanik

An manchen Stellen lässt sich ein schweres Teil auch ganz einsparen. Prof. Jacob nennt als Beispiel einen Roboter, der für das Widerstands-Punktschweißen eingesetzt wird. Er verwendete bislang ein rein mechanisches Zangenausgleichssystem. Pneumatische Komponenten, ein Elektromotor und die Energieversorgung über Schläuche und Kabel waren dabei zu bewegen.

Nach einer Konstruktionsänderung übernimmt der Roboter selbst den Zangenausgleich. Dies ist eine reine Software-Lösung. Unter dem Strich spart sie 25 bis 30 Kilogramm Gewicht. Es kann ein Roboter mit kleinerer Traglast zum Einsatz kommen, der entsprechend weniger Energie verbraucht. Zudem ist die Zangenkonstruktion kostengünstiger.

Neue Steuerung spart Energie

Verbesserte Software ist überhaupt ein guter Weg zur Energieeinsparung. Das neue Steuerungssystem KR C4 von Kuka ersetzt dazu an etlichen Stellen Hardware und Schnittstellen durch Software-Funktionen. 35 Prozent der Hardware-Baugruppen und rund die Hälfte der Steckverbindungen und Kabel konnten somit entfallen.

Die Programmierer des Unternehmens arbeiten dabei konsequent mit offenen Industriestandards wie Multicore und Ethernet.

Durch die Verringerung der Baugruppen und ein verstärkt passiv arbeitendes Kühlkonzept wurde die Energieaufnahme des Steuerungssystems während der Produktionszeiten um rund 25 Prozent gesenkt.

Christian Schmid

Massenreduktion erhöht die Dynamik, weiß Christian Schmid. - Bild: Kuka

95 Prozent weniger Standby-Verluste

Und der virtuelle Hauptschalter der KR"C4 erlaubt, die Leistungsaufnahme in produktionsfreien Zeiten drastisch zu reduzieren. Um satte 95 Prozent gingen so die Standby-Verluste zurück. Das ist nicht unwichtig, denn Stillstandszeiten sind häufiger als Arbeitstakte. Trotzdem sorgt der virtuelle Hauptschalter für kurze Hochlaufzeiten und sofortige Verfügbarkeit des Systems.

Kuka unterstützt als einer der ersten Roboterhersteller das PROFIenergy-Profil der Profibus-Nutzerorganisation PNO. Dort arbeiten über 300 Hersteller und Anwender dieser standardisierten Kommunikationstechnologien zusammen, um deren technische Weiterentwicklung sowie internationale Durchsetzung zu fördern. OEMs wie Audi, BMW, Daimler, Porsche und VW wollen dieses Profil künftig einsetzen.

Dichtung von der Rolle

Türdichtungen an der Karosserie werden bislang vorkonfektioniert am Montageband bereitgestellt. Nicht selten sind das über ein Dutzend verschiedene Typen. Die können künftig durch nur eine Version ersetzt werden, die zudem endlos von der Rolle kommt. Angebracht wird die neue Dichtungs-Generation von einem Roboter. 3M hat das Verfahren gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPW) sowie der Gummitechnik Wolfgang Bartelt (GTG) konzipiert.

Klaus Malecki und Dr. Johannes Wößner

Klaus Malecki, Systemspezialist von 3M für die Autoindustrie (links), und Dr. Johannes Wößner vom Fraunhofer IPW. - Bild: Kuka

Den Roboterkopf hat die Vulkan Technic Maschinen-Konstruktions GmbH in Kooperation mit 3M zur Serienreife entwickelt. Der amerikanische Technologiekonzern selbst stellt das Klebeband her, mit dem die Dichtung nun an der Karosseriefalz befestigt wird. Das neue Verfahren erspart die Einlage aus Metallklammern in den bisherigen Dichtungsprofilen – und damit drei bis vier Kilogramm pro Auto. Ein durch Sensoren geregeltes Roboterwerkzeug führt die Dichtung von der Rolle zur Karosserieöffnung. Dort wird sie mit exakt definiertem Druck und Zug geklebt.

Damit ist der so genannte Walkeffekt, der eine zusätzliche Dehnung des Dichtprofils bewirkt, exakt beeinflussbar. Selbst enge Radien des Türausschnitts stellen künftig für die Applikation der eigens dafür entwickelten, klebgerechten Dichtung kein Problem mehr dar. Die Stärke dieses neuen Systems liegt in der Anwendbarkeit auf fast jeder Karosserievariante und dem jeweils vom OEM verwendeten Fahrzeuglack. Die Kosten für die Vorkonfektionierung der Dichtungsprofile und die dafür nötige Logistik sind deutlich niedriger.

Fritz Lorek/fk