Blitzschneller Cobot durch aktives Energiemanagement 

Die deutsche Gerhard Schubert GmbH zeigte auf der Interpack 2023 einen Pick&Place-Cobot, der bis zu 90 Picks pro Minute schaffte. Herkömmliche Antriebs- und Steuerungstechnik bot keine Lösung, da die sehr kurzen Start- und Stoppzyklen zu sehr hohen Leistungsverlusten und damit verbundener Wärmeentwicklung führten. Die Lösung fand sich im aktiven Energiemanagementsystem PxtFX des deutschen Unternehmens Koch, das in den Benelux-Ländern von Elincom Electronics vertreten wird. Eine einfache Lösung für Servo- und AC-Antriebe, die in der Lage ist, Bremsenergie blitzschnell zu speichern und ebenso schnell wieder zur Verfügung zu stellen.

Automatisierung ist unter anderem in der Verpackungsindustrie der Schlüssel zum Erreichen der gewünschten Geschwindigkeiten, ohne dass dafür viel Personal benötigt wird. Cobots sind in dieser Hinsicht eine lohnende Lösung. 

Cobot tog.519

Die aktuelle Generation von Cobots ist einfach und flexibel zu programmieren, aber die Entwicklung ist (noch) nicht abgeschlossen. Gerhard Schubert zum Beispiel konzentrierte sich auf einen blitzschnellen Cobot namens tog.519. Die Namensgebung ist eine Kombination aus dem englischen "together", einem Verweis auf die fünf Achsen und dem Baujahr des ersten Prototyps: 2019. Die Anforderungen des Unternehmens an den Cobot waren nicht gerade gering: 90 Picks pro Minute, ein 700 Gramm schweres Produkt und eine hochpräzise Platzierung. 

Diese Anforderungen betrafen sowohl die Mechanik als auch die Antriebs- und Steuerelektronik. Im Endergebnis hält die federnde Mechanik Beschleunigungen von bis zu 7 G stand und erlaubt einen Bewegungsradius von bis zu etwa 760 mm. Dabei bleibt der Cobot stabil. Auch die Rechengeschwindigkeit in der Bildverarbeitung ist hoch, um die Prozessgeschwindigkeit des Gesamtsystems zu halten. 

In der Antriebs- und Steuerungstechnik stieß das Unternehmen an die Grenzen der gewählten Antriebe: zwei 400-V-Antriebe für die beiden Hauptachsen und drei 48-V-Antriebe für die drei Nebenachsen. Der Engpass liegt in den extrem hohen Beschleunigungen und Abbremsungen, die die Antriebe aufbringen müssen, um die schnellen Taktzeiten zu erreichen. Zunächst wurde versucht, einen Servoverstärker mit sehr guter Wärmeabfuhr mit Bremswiderständen zu kombinieren. Letzteres führte jedoch zu sehr hohen Verlustleistungen durch die enorme Wärmeentwicklung und damit zu einer besonders kurzen Lebensdauer der Antriebe. 

Aktives Energiemanagement PxtFX 

Die Lösung fand sich in der Anwendung des aktiven Energiemanagementsystems PxtFX von Koch. Dieses kompakte Modul ist in der Lage, die beim Verzögern frei werdende Bremsenergie aktiv und schnell an einen Kondensator zu übertragen. Dieser wiederum kann diese Energie blitzschnell zurückgeben, wenn das System wieder beschleunigen muss. Dies geschieht völlig autonom und so schnell, dass die Zwischenkreisspannung nur dann abfällt, wenn der Kondensator leer ist und das System Energie aus dem Stromnetz (Batterie oder Netz) beziehen muss. Konkret werden bei einem Pick & Place-Zyklus, also zwei Beschleunigungen und zwei Abbremsungen, über 1 kJ an kinetischer Energie freigesetzt. Bei Geschwindigkeiten von bis zu 90 Zyklen pro Minute führt dies zu einer erheblichen Energieeinsparung.

Sekundäre Vorteile

Durch die Wahl des PxtFX profitiert das Unternehmen von einigen zusätzlichen Vorteilen. Die geringe Wärmeentwicklung macht den Roboter zum Beispiel auch in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie einsetzbar. Auch gibt es keine heißen Bauteile wie Bremswiderstände. Außerdem ist die Belastung der Antriebselektronik durch ein kontrolliertes und geregeltes Spannungsprofil geringer, was der Lebensdauer zugute kommt. Ganz zu schweigen davon, dass der Kondensator bei kleineren Netzausfällen kurzzeitig als USV fungieren kann. Der Roboter fällt dann nicht aus, sondern kann seine Arbeit einfach weiterführen - und das blitzschnell.

Und schließlich ist das Energiemanagementsystem kompakt und zuverlässig, so dass es sich für industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen eignet. Um die Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen, können die Pxt-Lösungen mit einer permanenten Kapazitätsüberwachung der Speicherkondensatoren ausgestattet werden. Diese vorausschauende Wartungsfunktion warnt, wenn ein vordefinierter Mindestkapazitätswert erreicht wird. Es bleibt dann genügend Zeit, um eine Wartung durchzuführen und die Anwendung mit voller Kapazität zu betreiben.