Dezentrale Servosteuerung ermöglicht flexible, kompakte Roboterautomatisierung Murrelektronik und Danfoss setzen neue Maßstäbe in der Roboterautomatisierung
Murrelektronik ist ein globaler Anbieter von Automatisierungs- und Installationstechnik mit einem starken Fokus auf dezentrale Systemarchitekturen. Da Maschinenbauer nach flexibleren Alternativen zu herkömmlichen, schrankbasierten Roboterarchitekturen suchen, hat sich das Unternehmen zum Ziel gesetzt, einen anderen Ansatz zu verfolgen. Gemeinsam mit Danfoss entwickelte Murrelektronik ein Robotikkonzept, das zeigt, wie Robotik in eine dezentrale Automatisierungsarchitektur integriert werden kann. Das Unternehmen autonox Robotics leistete Unterstützung in den Bereichen Mechanik und Inbetriebnahme.
Autor: Danfoss, Bilder: Danfoss, Autonox
Die Herausforderung: Ausweitung der dezentralen Automatisierung auf die Robotik
Im Rahmen seiner Automatisierungsplattform Vario-X wollte Murrelektronik einen Anwendungsfall entwickeln, der veranschaulicht, wie sich die Prinzipien der dezentralen Automatisierung unter Einsatz von maschinenintegrierter Industrierobotik und Servoantrieben auf die Robotik ausweiten lassen. Vario-X wurde entwickelt, um Steuerung, Stromverteilung und E/A näher an die Maschine heranzubringen und bietet damit eine modulare Alternative auf Feldebene zu herkömmlichen, schrankbasierten Automatisierungsarchitekturen. Ziel war es, Maschinenbauern und Systemintegratoren eine praktische Referenz für zukünftige modulare Maschinenkonstruktionen an die Hand zu geben.
Herkömmliche Industrierobotersysteme basieren in der Regel auf zentralisierten Architekturen, bei denen die Robotersteuerung und die Servoantriebe in einem Schaltschrank untergebracht sind. Bei einer herkömmlichen zentralisierten Servolösung benötigt jeder Motor eigene Strom- und Rückmeldungsanschlüsse, was zu einer komplexen Verkabelung und langen Kabeln zwischen Servoantrieben und Motoren führt. Dies erhöht den Installationsaufwand, erfordert mehr Platz im Schaltschrank und kann die Flexibilität beim modularen Maschinenbau einschränken.
Um das Konzept in die Praxis umzusetzen, benötigte Murrelektronik eine Antriebslösung, die eine dezentrale Installation direkt am Roboter ermöglicht und gleichzeitig die für Roboteranwendungen erforderliche Präzision, Sicherheit und Kommunikationsfähigkeit bietet. Eine Plattform zu finden, die all diese Anforderungen in einer einzigen Lösung vereint, stellte sich als zentrale Herausforderung heraus.
6-Achsen-Industrieroboter, angetrieben durch den VLT® Integrated Servo Drive ISD® 520.
Die Lösung: Dezentrale Servoantriebe, die direkt am Roboter montiert sind
Murrelektronik wählte VLT® FlexMotion™ als Bewegungsplattform für das Projekt und arbeitete bei der Entwicklung des Konzepts mit Danfoss sowie bei der mechanischen Umsetzung mit autonox Robotics zusammen. Die Lösung wurde an einem 6-Achsen-Industrieroboter demonstriert, der für Anwendungen wie Materialhandhabung, Montage, Dosierung und Schweißen konzipiert ist.
Eine zentrale Anforderung war es, eine dezentrale Servoplattform zu finden, die direkt am Roboter montiert werden kann und gleichzeitig fortschrittliche Bewegungssteuerung, funktionale Sicherheit und offene Kommunikation bietet. Laut Murrelektronik zeichnete sich das Servoangebot von Danfoss dadurch aus, dass es diese Anforderungen in einer einzigen Lösung vereinte.
„Wir haben den Markt nach einer dezentralen Servolösung untersucht, und der VLT® Integrated Servo Drive ISD® 520 passte hervorragend zu unserem Konzept. Für moderne Roboteranwendungen reicht ‚Safe Torque Off‘ allein nicht aus. Wir benötigen fortschrittliche sichere Bewegungsfunktionen, die es uns ermöglichen, Flexibilität, Produktivität und Maschinensicherheit zu vereinen.“
Marco Bosch, Global Head of Solution Engineering, Murrelektronik
In den Roboterarm sind Varianten des VLT® Integrated Servo Drive ISD® 520 integriert.
Danfoss lieferte Antriebstechnik aus dem VLT® FlexMotion™-Portfolio, darunter den VLT® Integrated Servo Drive ISD® 520, das VLT® Power Supply Module PSM 520 sowie die integrierte Optionskarte „Decentral Access Module“ (DAM), die eine zentrale Stromversorgung für dezentrale Antriebe bereitstellt – zusammen mit Hybridkabeln. Zusammen ermöglichten diese Komponenten die für die Roboteranwendung erforderliche hochpräzise und dynamische Bewegungssteuerung und unterstützten gleichzeitig das Ziel von Murrelektronik, eine dezentrale Architektur und einen reduzierten Platzbedarf im Schaltschrank bei der Roboterautomatisierung zu demonstrieren.
Der VLT® Integrated Servo Drive ISD® 520 vereint Servoantrieb und Servomotor in einer kompakten Einheit. Durch die Anordnung der Servoantriebe direkt am Roboterarm macht die Lösung herkömmliche, schrankbasierte Servoinstallationen überflüssig und unterstützt eine vollständig dezentrale Maschinenarchitektur mit Daisy-Chain-Verkabelung. Die Bewegungssteuerung ist in den Antrieb integriert, und dank der einfachen Anbindung konnte Murrelektronik die Danfoss-Lösung problemlos in seine Entwicklungsumgebung integrieren.
Die nahtlose Integration in die SPS-Umgebung von Murrelektronik trug zur Vereinfachung der Systemintegration bei und ermöglichte eine schnellere Inbetriebnahme, wodurch sich das Konzept leichter validieren ließ.
„Obwohl die Konzeptstudie einen Gelenkarmmechanismus aufweist, kommt das Daisy-Chain-Prinzip erst bei der Delta-Kinematik wirklich zur Geltung. Aus Sicht von autonox unterstreicht die im Daisy-Chain-Prinzip inhärente Kombination aus Parallelmechanik und Antriebstechnik den klaren Trend hin zu dezentralen Architekturen: Integrierte Servoantriebe, reduzierte Hybridverkabelung und offene Schnittstellen ermöglichen eine überragende dynamische Leistung und senken gleichzeitig den Integrations- und Wartungsaufwand erheblich.“
Julien Schuhler, Leiter Forschung und Entwicklung bei autonox Robotics
Darstellung der im Roboterarm verwendeten VLT® FlexMotion-Systemarchitektur: Ein einzelnes VLT®-Stromversorgungsmodul PSM 520 mit einer integrierten Optionsplatine „Decentral Access Module“ (DAM) versorgt alle dezentralen Servoantriebe über eine Daisy-Chain-Verkabelung mit Strom.
Das VLT® FlexMotion™-Portfolio stach hervor und wurde aufgrund mehrerer entscheidender Vorteile ausgewählt:
- Dezentraler Servoantrieb, der den direkten Einbau der Servomotoren in die Maschine ermöglicht und somit den Platzbedarf für die Installation im Schaltschrank reduziert
- Hochpräzise und dynamische Bewegungssteuerung, wie sie für Roboteranwendungen erforderlich ist
- Übersichtliche und minimale Verkabelung durch das Daisy-Chain-Konzept
- Offene Kommunikation, die mehrere industrielle Protokolle unterstützt, sowie ein neuer Dezentralisierungsansatz
- Integrierte fortschrittliche Sicherheitsfunktionen und integrierte Sicherheitsbremsen, die die Sicherheit des Bedieners gewährleisten und gleichzeitig die Systemkomplexität reduzieren
- Kompakte Antriebe, die eine direkte Montage am Roboterarm ermöglichen
- Breites Portfolio mit einer großen Auswahl an Servoantriebsgrößen und Motordrehmomentvarianten für jede Roboterachse
- Starke Unterstützung für eine modulare und flexible Maschinenarchitektur
- Siliziumkarbid-Module (SiC) für optimierte thermische Effizienz und Leistung
Eine enge technische Zusammenarbeit
Es handelte sich hierbei nicht um eine gewöhnliche Roboterinstallation, sondern um ein strategisches Validierungsprojekt, dessen Ziel es war, einen neuen Ansatz für die Robotikarchitektur zu demonstrieren.
Über einen Zeitraum von sechs Monaten bündelten Murrelektronik, autonox Robotics und Danfoss ihr jeweiliges Fachwissen in den Bereichen dezentrale Automatisierung, Robotikmechanik und Bewegungssteuerung, um eine voll funktionsfähige Robotikplattform zu entwickeln. Die enge technische Zusammenarbeit zwischen den drei Partnern war entscheidend dafür, dass das Konzept in der Praxis funktionierte.
„Durch die Kombination unserer VLT® Integrated Servo Drive ISD® 520-Servoantriebe mit dem Know-how von Murrelektronik und autonox Robotics haben wir eine revolutionäre Robotiklösung geschaffen, die den Platzbedarf der Anlage auf ein Minimum reduziert. Es ist mir ein großes Anliegen, starke Partnerschaften aufzubauen, die Kundenprobleme lösen und die Grenzen des Möglichen in der Automatisierung neu definieren. Gemeinsam verkaufen wir nicht nur Komponenten, sondern liefern die Zukunft des Maschinenbaus.“
Christian Schröder, Global Business Development Manager, Motion Drives bei Danfoss
Die dezentrale Automatisierungsarchitektur kombiniert die Vario-X-Einheit von Murrelektronik mit Servoantrieben von Danfoss, die direkt am Roboterarm montiert sind.
Das Ergebnis: Ein skalierbares Konzept für eine Roboter-Automatisierungsarchitektur
Das Projekt führte zu einer erprobten und voll funktionsfähigen kompakten dezentralen Automatisierungsarchitektur, die eine praxistaugliche Referenzlösung für Maschinenbauer, OEMs und Systemintegratoren darstellt, die sich mit dezentralen Maschinenkonzepten befassen. Durch die Verlagerung der Servoantriebe direkt auf den Roboter und den Verzicht auf Servoantriebe im Schaltschrank reduzierte die Lösung den Platzbedarf im Schaltschrank um 60 %. Das Daisy-Chain-Verkabelungskonzept verkürzte die Kabellänge zusätzlich um bis zu 80 %, was zur Senkung der Verkabelungskosten beitrug und gleichzeitig eine übersichtlichere und kompaktere Maschinenarchitektur schuf.
Der ISD® 520 unterstützt die meisten gängigen industriellen Kommunikationsprotokolle, was die Integration in eine Vielzahl von Automatisierungsumgebungen erleichtert und eine schnelle, einfache Inbetriebnahme ermöglicht.
Zusammen zeigen diese Fähigkeiten, wie dezentrale Bewegungssteuerung Maschinenbauern dabei helfen kann, die Komplexität zu reduzieren, die Flexibilität zu erhöhen und dezentrale Maschinenarchitekturen auf die Robotik auszuweiten.
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