Wie Stromversorgungslösungen die Robotik verändern

| Autor / Redakteur: Clemens Müller * / Gerd Kucera

Gezielt versorgt: Die Steuerungseinheit für die Bewegung ist mit jedem Aktor separat verkabelt; Endeffektoren benötigen ein eigenes Kabelbündel.
Gezielt versorgt: Die Steuerungseinheit für die Bewegung ist mit jedem Aktor separat verkabelt; Endeffektoren benötigen ein eigenes Kabelbündel. (Bild: Infineon)

Elektrische Antriebe rücken in die Aktoren vor: MOSFETs, IGBTs, Inverter, Motion-Chips und andere Komponenten in Silizium und SiC schaffen Alternativen zur klassischen Kabelführung und Stromversorgung.

Die Welt der Fertigung ist im Wandel. Sie wird immer stärker geprägt von den unterschiedlichen Industrie-4.0-Initiativen, unter denen eng vernetzte Robotik-Lösungen besonders hervorzuheben sind. Eng vernetzt bedeutet in diesem Zusammenhang nicht nur, dass diese mit dem Internet und Internet-of-Things (IoT) verbunden sind.

Bedeutend ist für den Wandel vor allem die flexible Vernetzung von bisher sequentiellen bandgestützten Produktionsabläufen durch mobile Roboter, den sogenannten AGVs (autonomously guided vehicles), sowie die direkte Zusammenarbeit von Menschen mit Robotern mittels flexibel einsetzbarer, kollaborativer Robotersysteme.

Die Einführung von AGVs ersetzt die statische Bearbeitung von Gütern in Fließbandsystemen durch eine flexible Vernetzung autonomer Produktionsinseln mit Robotern. Diese werden in zunehmendem Maße batteriebetrieben und damit energieautonom. AGVs befördern Halbfabrikate gezielt zu hochspezialisierten Produktionsinseln, innerhalb derer stationäre Roboter die gewünschten Fertigungsschritte durchführen. Nach Abschluss des jeweiligen Fertigungsschritts werden diese (Halb-)Fabrikate durch AGVs entweder zur nächsten Produktionsinsel oder zur Zwischenlagerung gebracht.

Neben dieser Flexibilisierung der Fertigung sind Industrieunternehmen bestrebt, die Verfügbarkeit der installierten Anlagen und Systeme weiter zu erhöhen und vor allem wegen steigender Strompreise und CO2-Abgaben die Energie möglichst effizient zu nutzen.

Ihre Forderung an die Automatisierungslösungen lautet: individuelle Teilsysteme wie Roboter, Antriebe, Ladesysteme für mobile autonome Roboter sowie die Stromverteilung und Stromlieferung sollen ausfallsicher ständig verfügbar sein und zur Verbesserung der Energiebilanz beitragen.

Industrie 4.0 allein verbessert die Energieeffizienz nicht

Applikationsspezifische Antriebslösungen auf Siliziumbasis sorgen für immer höhere Effizienz (selbst wenn diese nur aus Silizium-Technologien bestehen). Daraus resultiert eine deutliche Reduzierung der Wärmeverluste. In Verbindung mit den ständig kleiner werdenden Gehäusen können System-Designer in ihren Produktentwürfen vollständig neue Wege gehen.

Beim Steuerungssystem eines typischen Industrieroboters zum Beispiel befindet sich die Stromversorgung und Steuerungsverkabelung innerhalb oder außerhalb des Roboterarms. Die Aktoren im Roboterarm werden dabei einzeln mit mehrphasigen dicken Stromkabel versorgt, die innen oder außen um das Chassis des Roboters geführt werden. Das am Roboter befestigte Werkzeug (Endeffektor) benötigt in der Regel, als eigenständiges System, ein zusätzliches Kabelbündel, das an ein separates Stromversorgungs- und Steuerungssystem extern zum Roboterarm angeschlossen ist. Die Strom- und Signalkabel von Roboter und Werkzeug sind aber die Komponenten eines Robotersystems mit der höchsten Ausfallwahrscheinlichkeit. Dies trifft für extern geführte Kabel besonders zu.

Moderne Leistungshalbleiter ermöglichen eine Alternative zur klassischen Kabelführung. Denn mit ihnen lassen sich Antriebe jetzt direkt in die Aktoren integrieren. Auf diese Weise könnte dann ein einziges Kabelbündel für die Stromverteilung verwendet werden. Wird die Integration noch weiter vorangetrieben, dann lässt sich diese Stromversorgung auch für die Kommunikation nutzen – mit Trägerfrequenztechnologien (Power-Line Communication). Damit ließe sich ein zusätzliches Kabel eliminieren, also eine weitere potenzielle Fehlerquelle.

Mit nur einem optimierten Kabelbündel ließen sich dann alle möglichen am Roboterarm angebrachten Endeffektoren mit Energie versorgen und steuern. Ein so aufgebautes System kann mit Blick auf später wechselnde Aufgaben deutlich flexibler gestaltet werden. Eine skalierbare Infrastruktur speziell im Bereich der verbauten Manipulatoren gewährleistet dabei künftige Erweiterungen.

Ein derartig hohes Integrationsniveau stellt mit den kompakten und effizienten MOSFET- und IGBT-Leistungsschaltern heute kein Problem mehr da. Die MOSFETs der PROFET-, OptiMOS-, CoolMOS- und CoolSiC-Produktfamilien und Trenchstop-IGBTs von Infineon decken beispielsweise einen Spannungs- und Leistungsbereich von <12 bis 1200 V bzw. <400 bis 20.000 W ab. Hinzu kommen diverse in einem Gehäuse vorintegrierte Inverter-Schaltungen der Produktfamilien CIPOS, EasyPIM und CoolSiC Easy1B, die das oben genannte Spannungs-/Leistungsspektrum ebenfalls abdecken. Alle erwähnten Leistungskomponenten zeichnen sich durch geringe Einschaltwiderstände, kompakte Bauweise und damit bestmögliche Leistungsdichte aus. Diese Eigenschaften ermöglichen eine zunehmende Integration der Antriebselektronik direkt am Motor.

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