Die richtige Wahl

Wer hätte vor zehn Jahren geglaubt, dass in der Montagetechnik eines Tages die bewährte Pneumatik mehr und mehr an Bedeutung verliert und durch elektrische Antriebe ersetzt wird? Aber Achtung: Nicht jeder Ersatz von pneumatischen Modulen führt automatisch zu einer Energieeinsparung.

Im Diagramm ist ein typischer Montagezyklus mit Wegen von horizontal 200 mm und vertikal 50 mm Hub bei einer Nutzlast von 0,5 Kilogramm abgebildet. Für diese Aufgabe werden vom einfachen, zweiachsigen Handling bis zum sechsachsigen Roboter viele Lösungen angeboten. Verglichen ist hier ein einfaches pneumatisches Handling mit einem einfachen elektrischen Handling von e.p.s. Eine dritte Kennlinie zeigt den Unterschied zu einer am Markt verbreiteten Bauweise mit Zylinderdurchmesser 32 Millimeter in der Horizontalachse. Betrachtet werden in der Montagetechnik gängige Zykluszeiten zwischen 0,5 und zehn Sekunden.

Es stellt sich die Frage, ob Energiekosten über die Programmierung beeinflusst werden können. Verschiedene Hochschulen führen Studien über energieeffiziente Bahnkurven und Fahrprofile von Antriebssystemen durch. Bei e.p.s konnte hierzu bei Untersuchungen zur Zykluszeitoptimierung eine interessante Feststellung gemacht werden: Entgegen den bekannten Grundsätzen beim Autofahren – langsam ist energiesparend – gelten wegen des bei Handlingsystemen nicht relevanten Luftwiderstands andere Gesetze. Grundsätzlich benötigen langsame Bewegungen aufgrund der ständigen Geschwindigkeitsregelung mehr Energie als schnelle Bewegungen. Am effizientesten, sowohl für die Zykluszeit als auch für den Energieverbrauch, ist ein konstantes Beschleunigen und Bremsen auf der ganzen Fahrstrecke einer Bewegung.

Schneller kann sparsamer sein

Im Beispiel wählt e.p.s einen sehr pragmatischen Ansatz: Bei einem Fahrprofil, wie im Diagramm abgebildet, werden die Bewegungen der Einzelachsen mit konstanter Beschleunigung und Verzögerung gefahren. Gleichzeitig wird durch eine einfach programmierbare, voreilende Rückmeldung an den Punkten Px jeweils die Bewegung der nächsten Achse gestartet. Durch die Rückspeisung der Energie in den Zwischenkreis der Regler wird die Bremsenergie der einen Achse beim Verschleifen der Bewegung gleichzeitig zum Beschleunigen der nächsten Achse genutzt. Dieser Vorgang wiederholt sich je Zyklus vier Mal. In Versuchen wurden durch diese Methode drei Prozent der Energie und 14 Prozent der Zykluszeit eingespart. Gegen diesen einfachen und pragmatischen Ansatz können auch die kompliziertesten Bahnkurvenberechnungen keine Vorteile bieten, da die Antriebe für das Einhalten der für die Bahnkurven erforderlichen Geschwindigkeiten ständig Energie zum Nachregeln benötigen.

In Bezug auf die Optimierung von Handlingbewegungen und insbesondere der Zykluszeit bringt diese einfache Methode einen großen Nutzen. In Bezug auf den Energieverbrauch ist sie – bedingt durch die geringe bewegte Masse – wohl eher unbedeutend.

In der Montagetechnik ist neben dem Bewegen auch das Greifen der Bauteile ein wichtiger Aspekt: Ein pneumatischer Greifer benötigt Energie zum Schließen und zum Öffnen. Durch die geringen Hübe ist die Energieaufnahme dafür jedoch sehr gering. Zudem besitzt Pneumatik bekanntlich eine hohe Energiedichte, weshalb pneumatische Greifer bei gleicher Greifkraft meist um Faktoren leichter sind als elektrische Greifer. Dies führt wiederum zu kleineren Bewegungsmodulen (X,Y,Z) und dadurch zu einem geringeren Energieverbrauch beim Einsatz pneumatischer Greifer.

Elektrische Servogreifer indes benötigen Energie zum Halten von Teilen. Teilweise wird der Energieverbrauch und vor allem die damit verbundene Erwärmung der Greifer durch Stromabsenkung beim Halten der Teile reduziert. Dennoch ist eine ständige Stromzufuhr erforderlich. Elektrische Servogreifer machen in Bezug auf den Energieverbrauch sicher keinen Sinn. Dennoch finden sie durch Ihre positiven Eigenschaften wie Flexibilität und Steigerung der Prozesssicherheit immer breitere Einsatzfelder.
Elektrisch schaltende Greifer sind teilweise mit Magnethaltekraft in den Endlagen verfügbar. Die verfügbaren Greifkräfte sind zwar noch sehr bescheiden, entwickeln sich aber mit einem positiven Trend zu brauchbaren Werten. Elektrisch schaltende Greifer machen durch das höhere Gewicht aber nur dann Sinn, wenn dadurch die Pneumatik komplett aus einer Anlage verschwindet. Die hohe Energiedichte der Pneumatik hat bei kleinen kraftvollen Bewegungen eben durchaus noch Ihre Bedeutung. Bernhard Moosmann/pb