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Die Erfindung betrifft ein Robotersystem, mit zumindest einem ersten und einem zweiten Roboter, wobei die beiden Roboter jeweils einen bewegbaren Arm aufweisen, der dazu eingerichtet und vorgesehen ist, zum Bewegen einer Last oder eines Werkzeuges eine Bewegung auszuführen, wobei den beiden bewegbaren Armen jeweils zumindest ein Antrieb zum Bewegen des jeweiligen Armes zugeordnet ist, und wobei jedem Roboter ein Zwischenkreis zum Versorgen des jeweiligen mindestens einen Antriebes mit Energie zugeordnet ist, wobei die beiden Antriebe jeweils dazu ausgebildet sind, beim Abbremsen der Bewegungen des zugeordneten Armes elektrische Energie zu erzeugen und in den jeweils zugeordneten Zwischenkreis des betreffenden Roboters einzuspeisen.
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Bei herkömmlichen Systemen der vorstehenden Art kann also Energie zwischen den einzelnen Achsen eines Armes eines Roboters des Systems ausgetauscht werden. Allerdings kommt der Fall, wonach die einzelnen Achsen des Roboters sich gegenläufig beschleunigen (eine Achse wird beschleunigt und eine wird abgebremst) und somit die Bremsenergie der einen Achse für die Beschleunigung der anderen Achsen genutzt werden kann, vergleichsweise selten vor. Häufig wird daher „zu viel” Energie in den Zwischenkreis beim Abbremsen zurückgespeist und mit Hilfe eines elektrischen Bremswiderstandes in Wärme umgewandelt und steht somit für den Roboter nicht mehr zur Verfügung.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Robotersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das hinsichtlich seiner Energieeffizienz verbessert ist.
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Dieses Problem wird durch ein Robotersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass die beiden Zwischenkreise miteinander gekoppelt sind, so dass beim Abbremsen einer Bewegung des Armes des einen Roboters durch den zugeordneten Antrieb erzeugte elektrische Energie auch im Zwischenkreis des anderen Roboters zur Bewegung des diesem Roboter zugeordneten Armes zur Verfügung steht. D. h., die solchermaßen erzeugte Energie steht allen Robotern des Systems zu Verfügung, da ihre Zwischenkreise miteinander gekoppelt bzw. verbunden sind.
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In einer Variante der Erfindung sind die beiden Zwischenkreise zur Kopplung der beiden Zwischenkreise über eine Leitungsverbindung miteinander verbunden. Andere Kopplungsarten sind ebenfalls denkbar. Bevorzugt handelt es sich bei den Zwischenkreisen um Gleichspannungszwischenkreise, wobei vorzugsweise die beiden Antriebe der beiden Roboter über je einen Wechselrichter mit dem jeweils zugeordneten Zwischenkreis verbunden sind. Es können natürlich auch mehr als zwei Roboter im System vorhanden sein, wobei jeder Roboter eine Vielzahl von Antrieben aufweisen kann, und zwar insbesondere sechs Antriebe für sechs Schwenkachsen des Roboters. Jede der angetriebenen Achse wird dann vorzugsweise über einen separaten Wechselgleichrichter gespeist, über den sie mit dem zugeordneten Zwischenkreis verbunden ist.
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Bevorzugt werden die miteinander gekoppelten Zwischenkreise der einzelnen Roboter des Systems über je einen Gleichrichter mit einer Gleichspannung versorgt. Alternativ hierzu ist es vorgesehen, dass die beiden gekoppelten Zwischenkreise über einen gemeinsamen (zentralen) Gleichrichter mit einer Gleichspannung versorgt werden, wobei bevorzugt die Zwischenkreise so gekoppelt sind, dass sie einen einheitlichen Zwischenkreis bilden, in den die einzelnen Roboter beim Abbremsen ihrer Arme Energie einspeisen können. Die einzelnen Zwischenkreise können ggf. Bauteile wie Widerstände und Kondensatoren aufweisen, insbesondere jeweils in Parallelschaltung.
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Um beim Abbremsen durch die einzelnen Antriebe (diese bilden in dieser Betriebsart Generatoren) im Zwischenkreis erzeugte Energie nicht zu verlieren, können weitere antriebsintegrierte Einrichtungen vorgesehen sein, insbesondere in Form von Clinch- und/oder Schweißzangen, die aus dem Zwischenkreis des erfindungsgemäßen Robotersystems gespeist werden können.
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Zusätzlich kann natürlich ein Bremswiderstand vorgesehen sein, der dazu ausgebildet ist, überschüssige Energie in den gekoppelten Zwischenkreisen bzw. in einem einheitlichen Zwischenkreis in Wärme umzuwandeln.
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Durch das erfindungsgemäße Robotersystem wird somit im Ergebnis die Energieeffizienz einer entsprechenden Produktionsanlage durch den Energieaustausch zwischen den einzelnen Robotern gesteigert. So kann die rückgespeiste Energie beim Abbremsen eines Roboters beispielsweise für die Beschleunigung eines anderen Roboters im Zwischenkreisverbund genützt werden. Somit wird es seltener nötig „neue” Energie aus dem Stromnetz zu entnehmen. Damit einhergehend entstehen auch weniger Stromkosten für den Betreiber der Anlage bzw. des Robotersystems.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend mittels Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines exemplarischen Roboters eines erfindungsgemäßen Robotersystems mit sechs angetriebenen Achsen;
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2 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Robotersystems;
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3 eine schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Robotersystems;
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Industrieroboter (Roboter) 10, 20 gemäß 1 werden in großen Stückzahlen beispielsweise im Karosseriebau eingesetzt und weisen in der Regel sechs angetriebene Achsen A1 bis A6 auf, um mit ihren Werkzeugen 11c alle möglichen Positionen im Arbeitsraum erreichen zu können. Hierbei können die Werkzeuge 11c insbesondere dazu ausgebildet sein, Lasten 2 von einem Ort zum anderen zu Transportieren oder mittels eines geeignet ausgebildeten Werkzeuges 11c Schweißnähte auszubilden etc.
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Hierzu kann ein solcher Roboter 10 bzw. 20 einen aus zwei aneinander angelenkten Teilen 11a, 11b aufgebauten Arm 11 bzw. 21 aufweisen, der um die Vertikale drehbar an einer Basis des Roboters 10 bzw. 20 gelagert ist, so dass der Arm 11 bzw. 21 um eine entsprechende (vertikale) Achse A1 drehbar ist. Der erste Teil 11a des Arms 11 bzw. 21 ist dabei um eine zur Achse A1 orthogonale Achse A2 verschwenkbar, und der zweite Teil 11b des Arms 11 bzw. 21 ist an den ersten Teil 11a angelenkt und dabei bezüglich des ersten Teiles 11a um eine Achse A3 verschwenkbar, die parallel zur Achse A2 verläuft. An diesem zweiten Teil 11b ist das Werkzeug 11c des Armes 11 bzw. 21 gelagert, und zwar so, dass das Werkzeug 11c um drei weitere, zueinander orthogonale Achsen A4 bis A6 verschwenkbar ist.
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Angetrieben werden diese Achsen A1 bis A6 von sehr leistungsfähigen Antrieben, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Antrieb 110 bzw. 210 in der 1 an der Achse A1 des Roboters 10 bzw. 20 schematisch gekennzeichnet ist. Diese Antriebe 110 bzw. 210 sind insbesondere als Synchron-Servomotoren ausgebildet, die in der Lage sind, die Massen der einzelnen Roboter 10, 20 bzw. deren Werkzeuge 11c zu beschleunigen und abzubremsen. Um die teilweise sehr großen Massen (z. B. mehrere hundert Kilogramm) sehr dynamisch beschleunigen und abbremsen zu können, ist eine große elektrische Leistung notwendig, welche sich in großen Motorströmen widerspiegelt. Die Motoren (Antriebe) 110, 210 werden dabei intelligent jeweils durch einen Wechselrichter 111, 211 angesteuert, der insbesondere eine Drehzahl, ein Drehmoment und eine Drehrichtung vorgibt. Die Position eines solchen Wechselrichters 111 bzw. 211 ist z. B. in den 2 und 3 schematisch für den Antrieb 110 bzw. 210 der Achse A1 des Roboters 10 bzw. 20 angedeutet.
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Jeder einzelne Motor 110, 210 hat einen solchen vorgelagerten Wechselrichter 111, 211, der die Ansteuerung für den jeweiligen Motor 110, 210 übernimmt. In bekannten Systemen werden diese Wechselrichter 111, 211 von einer zentralen Gleichspannung im jeweiligen Roboter (Zwischenkreis 100 bzw. 200), die über einen zentralen Gleichrichter 112, 212 in der Robotersteuerung bereitgestellt wird, gespeist. Während des Betriebes des Roboters 10 muss dieser regelmäßig auch abgebremst werden. In diesem Fall handeln die einzelnen Antriebe 110 nicht mehr als Motor sondern als Generator und wandeln die Bewegungsenergie des Roboters 10 zurück in elektrische Energie. Diese wird dann wieder dem Zwischenkreis 100 hinzugefügt. Wird eine der Achsen A1 bis A6 beschleunigt und eine andere zur gleichen Zeit abgebremst, hat dies den positiven Effekt, dass keine „neue” Energie aus dem Netz 3 entnommen werden muss, sondern die Energie zum Beschleunigen aus der Bremsenergie verwendet werden kann, da der Motor beim Abbremsen als Generator arbeitet. Somit fallen auch weniger Energiekosten für den Betreiber der Anlage 1 an.
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Für den Fall jedoch, dass der Roboter 10 gleichzeitig mehr abgebremst als beschleunigt wird, entsteht ein Überangebot an Energie im zugeordneten Zwischenkreis 100. Diese wird bei bekannten Systemen regelmäßig über einen Bremswiderstand in Wärmeenergie umgewandelt und steht somit für den Prozess nicht mehr zu Verfügung. Durch die herkömmliche Architektur einer Robotersteuerung mit einem Gleichrichter 112 und mehreren Wechselrichtern 111 in einem Zwischenkreis 100 wird dieser Austausch der Energie nur in einem alleinstehenden Roboter 10 (bzw. 20) vollzogen. Durch starkes Abbremsen wird hier also überschüssige Energie im Zwischenkreis 100 für den Betreiber nutzlos in Wärme umgewandelt.
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Diese Nachteile werden gemäß 2 durch eine energetische Kopplung der Roboter 10, 20 eines erfindungsgemäßen Robotersystems 1 behoben, die in der 2 durch das Bezugszeichen 300 schematisch angedeutet ist. In der 2 sind dabei exemplarisch lediglich zwei der drei Roboter 10, 20 bezeichnet. Natürlich können auch mehr als drei Roboter in dem System 1 verwendet werden.
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Durch diese Kopplung 300 wird der Energieaustausch auf alle Roboter 10, 20 im System 1 ausgeweitet. Zur Realisierung der Kopplung 300 können beispielsweise die einzelnen Zwischenkreise 100, 200 der Roboter 10, 20 mit einer Leitungsverbindung (Kabel) verbunden werden. Dies kann flexibel erweitert werden und ermöglicht somit eine hohe Anzahl von Teilnehmern (z. B. Roboter 10, 20). Je mehr Teilnehmer an diesem Gleichspannungsverbund 100, 200 angeschlossen sind, desto höher ist das mögliche Einsparungspotenzial. Somit ist es z. B. möglich, die Energie eines Roboters 10 der gerade abbremst, zur Beschleunigung eines anderen Roboters 20 zu verwenden. Gleichzeitig ist dieser Energieaustausch auf mehrere Roboter 10, 20 übertragbar. Somit wird der Energiebedarf einer ganzen Anlage 1 mit mehreren Robotern 10, 20 reduziert. Die Energieversorgung des Zwischenkreises 100, 200 wird durch alle Gleichrichter 112, 212 in den einzelnen Robotersteuerungen bereitgestellt.
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Vorzugsweise werden die Zwischenkreise 100, 200 mit einer Wechselspannung 3 von 400 V betrieben, wobei die einzelnen Gleichrichter 112, 212 hieraus vorzugsweise eine Gleichspannung von 600 V in den gekoppelten Zwischenkreisen 100, 200 generieren.
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3 zeigt eine Abwandlung des in der 2 gezeigten Robotersystems 1, wobei im Unterschied zur 2 die gekoppelten Zwischenkreise 100, 200, die einen einheitlichen Zwischenkreis des Systems 1 bilden können, über einen einzelnen zentralen Gleichrichter 113 mit einer Gleichspannung versorgt werden, wobei jener Gleichrichter 113 vorzugsweise eine Wechselspannung 3 von 400 V in eine Gleichspannung im Zwischenkreis 100, 200 von 600 V umsetzt. Hierbei kann eine solcher zentraler Gleichrichter 113, die Roboter 10, 20 einer ganzen Anlage bzw. eine gesamte Halle von Robotern 10, 20 mit einer Gleichspannung für den gemeinsamen Zwischenkreis 100, 200 versorgen, der wie in der 1 durch Verbinden sämtlicher einzelner Zwischenkreise 100, 200 entstehen kann.
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Die einzelnen Steuerungen der im System 1 vorhandenen Roboter 10, 20 werden hier also durch einen einzigen zentralen Gleichrichter 113 versorgt, der somit die gesamte elektrische Leistung für sämtliche Roboter 10, 20 im Zwischenkreis 100, 200 bereitstellt. Somit werden zusätzlich Verluste vermieden, die bei der Verwendung mehrerer Gleichrichter 112, 212 entstehen und der Wirkungsgrad der Anlage 1 (Robotersystem) wird nochmals gesteigert.
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Für den Fall, dass dennoch gelegentlich „zu viel” Energie in den Zwischenkreis 100, 200 zurückgespeist werden sollte, kann ein zentraler Bremswiderstand (nicht gezeigt) die durch einen oder mehrere Antriebe 110, 210 beim Abbremsen erzeugte Energie in Wärme umwandeln und z. B. einem Heizkreislauf einer Halle zuleiten, in der die Roboter 10, 20 des Systems 1 angeordnet sind.
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Ein weiterer positiver Effekt, der durch den Entfall der Gleichrichter 112, 212 in der Robotersteuerung auftritt, ist die Verminderung der Abwärme in den einzelnen Robotersteuerungen, so dass weniger Leistung zur Kühlung der Robotersteuerungen benötigt wird.
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Weiterhin können mit Vorteil bei einem zentralen Gleichspannungszwischenkreis 100, 200 für Antriebe 110, 210 von in einer Halle angeordneten Robotern 10, 20 weitere Technologien die besagten Antriebe 110, 210 als Generatoren nutzen (z. B. antriebsintegrierte Clinch- und Schweißzangen), indem sie ebenfalls an den Gleichspannungszwischenkreis 100, 200 angeschlossen werden.
