Energieverbräuche

[Mallo]

Hallo Roboterforum,

im Rahmen meiner Diplomarbeit habe ich ein Simulationsmodell für Fertigungsanlagen entwickelt, das neben anderen Aspekten auch Energieverbräuche (Lastprofile) von verschiedenen Verbrauchern berücksichtigt. Zu den Verbrauchern zählen auch Industrieroboter (IRB).
Leider habe ich nicht die Möglichkeit, einen IRB zu Vermessen um die Leistungsbedarfe für verschiedene Betriebszustände zu ermitteln. Daher würde ich gern hier drei Fragen an erfahrene Roboternutzer richten:

1) Nach telefonischer Aussage eines größeren Roboterherstellers verbraucht ein IRB im Stand keinen Strom. Lediglich die Steuerung läuft permanent und benötigt ca. 0,5kW. In einem Vortrag habe ich aber gehört, dass der Energiebedarf von IRB nie unter 4kW fällt, auch im Standby. Was genau stimmt denn jetzt?

2) Nach meinem Kenntnisstand wird die maximale Leistung, die ein IRB aus der Netz "ziehen" kann, durch die Robotersteuerung bestimmt (die die Energie an die einzelnen Motoren weitergibt). Bei Steuerungen von KUKA liegen die Werte für die Nenneingangsleistung bei 7,3-8 bzw. 13,5 kVA (abhängig vom Robotertyp). Eine höhere Leistung kann demnach eigentlich nicht "gezogen" werden. In der Literatur habe ich nun aber für einen IRB die maximale Leistungsaufnahme von 20,5 kW gefunden.
Mir ist klar, dass die installierte Motorleistung durchaus über 20 kW liegen kann. Aufgrund der geringeren Nennleistung der Steuerung kann doch aber nie mehr als eben diese verbraucht werden, oder? Was sit denn nun richtig?

3) In meinem Modell unterschiede ich die Betriebszustände Stillstand, Beschleunigung, Bewegung mit konstanter Geschwindkeit, Abbremsen. Meine Annahmen sind wie folgt: Beim Beschleunigen wird die meiste Energie verbrauch. Etwas weniger für Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit. Im Stillstand gehe ich zur Zeit davon aus, dass lediglich 0,5kW für die Steuerung benötigt werden. Etwas unsicher bin ich bzgl. Abbremsen. Grundsätzlich wird die Bewegungsenergie ja gewonnen. Selbst wenn diese Energie nicht wieder eingespeist wird, fällt dann zumindest für die eigentliche Bewegung keine Energie an. Die Leistungsaufnahme für die Bremsung ist entsprechend Null. Sind diese Annahmen korrekt?

Ich wäre sehr dankbar, wenn sich zu den Fragen ein paar Antworten oder Anregungen finden würden. Natürlich freue ich mich auch über Verweise auf Quellen, die für die Thematik hilfreich sein könnten.

Viele Grüße

[Urmel]

Hallo,

als Softwareentwickler kann ich dir zwar auch keine exakten Daten sagen, aber einige deiner Annahmen muss ich dann doch mal korrigieren.

Erstmal vorweg diese beiden Filme
<a href="http://www.youtube.com/v/1TiU1RyJVYw&rel=0" target="_blank">http://www.youtube.com/v/1TiU1RyJVYw&rel=0</a>
<a href="http://www.youtube.com/v/WlqJ2YpFUlE&rel=0" target="_blank">http://www.youtube.com/v/WlqJ2YpFUlE&rel=0</a>

Wie du siehst unterscheiden sich Industrieroboter in der Größe beträchtlich.
Eine Aussage wie "Ein Roboter verbraucht immer ..." ist also genauso Unsinn, wie "Ein Auto verbraucht immer ...".

1) Nach telefonischer Aussage eines größeren Roboterherstellers verbraucht ein IRB im Stand keinen Strom.

Jein. Ein Roboterarm kann auf zwei Arten "stehen". Entweder mit eingeschalteten Antrieben, dann müssen manche der Gelenke gegen die Schwerkraft arbeiten, oder mit ausgeschalteten Antrieben, das ist dann wie beim Auto mit angezogener Handbremse. Für letzteren Fall stimmt die Auskunft. (Bis auf die 500 W, siehe oben.)

Meine Annahmen sind wie folgt: Beim Beschleunigen wird die meiste Energie verbrauch. Etwas weniger für Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit. Im Stillstand gehe ich zur Zeit davon aus, dass lediglich 0,5kW für die Steuerung benötigt werden.

Das ist physikalisch falsch. Diese Aussagen gelten nur für Bewegungen in der Ebene, z.B. für eine Lokomotive oder ein Elektroauto.

Wenn man einen Gegenstand hochhebt und dann die Geschwindigkeit des Hochhebens verringert, hebt man ihn immer noch hoch und verbraucht Energie. Auch wenn man ihn mit dem Arm oben hält, verbraucht man Energie.

Lässt man den Gegenstand wieder runter, braucht man bei größerer Beschleunigung weniger Energie, da man die Schwerkraft ausnutzt. Lässt man ihn dagegen ganz langsam herunter, muss man viel mehr arbeiten.

Bei einem Roboter sind die einzelnen Armsegmente unterschiedlich im Raum orientiert, deshalb hat man immer eine Überlagerung solcher Effekte. Entweder muss man diese Betrachtung für jedes Gelenk einzeln machen, oder man kann nur statistisch argumentieren ...

Grüße

  Urmel

[Mallo]

Hallo und ganz vielen Dank für die Antwort!

Mir ist klar, das nicht alle Roboter gleich viel Energie verbrauchen. Da es bei KUKA für die unterschiedlichen Robotergrößen aber nur zwei Nenneingangsleistungen für die Steuerungen gibt, 7,3-8 oder 13kVA, bin ich davon ausgegangen, dass kein KUKA Roboter mehr als diesen Wert maximal verbrauchen kann. War die Annahme soweit richtig?

Ferner bekam ich die Aussage, dass ein Roboter im Stand, also auch wenn ein Werkstück hochgehoben und gehalten wird, "gebremst" wird bzw. "einrastet", und dadurch dann im Stand keine Energie verbraucht wird. Mir kam das auch etwas merkwürdig vor, da ich im Studium auch schon mit Robotern gearbeitet habe und mir keine solche Funktion begegnet war.

Bei den Verbräuchen in der Bewegung habe ich den Schwerkraftseffekt bisher aufgrund einer etwas höheren Abstraktion im Modell vernachlässigt. Wenn ich das aber so lese und noch mal drüber nachdenke, dass sind die Einwände aber doch sehr berechtigt. Da werde ich noch mal nachbessern und die Effekte besser berücksichtigen. Vielen Dank dafür!!

Grüße

[Urmel]

Da es bei KUKA für die unterschiedlichen Robotergrößen aber nur zwei Nenneingangsleistungen für die Steuerungen gibt, 7,3-8 oder 13kVA,

Da müsste man mal in einer Norm nachschlagen, wie Nennleistung eigentlich definiert ist. Eventuell dient die mehr zur Auslegung von Leitungen und Sicherungen.

Mit Kuka habe ich nichts zu tun, kann aber von den Kleinrobotern berichten, dass da oft Nennleistungen angegeben sind, die im realen Betrieb nicht annähernd erreicht werden, z.B. 3,5 kVA Nennleistung auf dem Typenschild und realer mittlerer Verbrauch (Steuerung und Arm) < 500 W.

Andererseits sind die Servomotoren bei manchen Kleinrobotern so ausgelegt, dass sie kurzzeitig bis zu 300 % ihrer Nennleistung bringen dürfen, z.B. wenn der Roboter aus einer sich schliessenden Presse zurückzucken muss.

Zumindest bei dieser Größenklasse ist der Stromverbrauch bei eingeschalteten Antrieben im Stand nicht sehr hoch. Selbst wenn die über Tage so stehen, ist keine nennenswerte Erwärmung feststellbar.

Grüße

  Urmel

[WolfHenk]

Frag doch einfach mal einen der großen Integratoren, ob Du mal nen Tag messen kommen dürftest.
Du brauchst ein Leistungsmessgerät zum zwischenstecken in eine 32-Ampere Drehstromleitung und los gehts...

Wolfram

[Mallo]

Vielen Dank für die Antworten.

Die Aussage, dass ein Roboter im Normalfall nicht mehr als die Nenneingangsleistung ziehen kann, kommt von einem Roboter-Hersteller. Allerdings mit der Ergänzung, dass die benötigte Leistung im Einzelfall auch kurzzeitig über dieser Leistung liegen kann.

Eine Messung ist natürlich der beste Weg. Bisher habe ich die Möglichkeit jedoch noch nicht bekommen. Ich arbeite aber dran.