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Antriebstechnik

Energierückgewinnung in der Produktion

28. November 2014, 12:08 Uhr | Von Dr. Tamas Juhasz

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Der Demonstrator

Am Fraunhofer IFF wurde ein Demonstrator im Verbundprojekt „ERMA – Energierückgewinnung für Mehrachsmaschinen“ im Rahmen des BMBF-Programmes KMU-Innovativ „Ressourcen- und Energieeffizienz“ entwickelt. Damit wurde das hier beschriebene Konzept eines Energierückgewinnungssystems umgesetzt.

Als Handhabungsaufgabe für den Demonstrator wurde eine Pick&Place-Anwendung gewählt, bei der herkömmliche Pkw-Leichtmetallfelgen gegriffen und mit einem Dreiachsroboter bewegt werden. Anhand der Handhabungsaufgabe des Demonstrators sind die Anforderungen an den mechanischen Energiespeicher entstanden. Der Schwungmassen- speicher (Bild 5), der im Demonstrator zum Einsatz kommt, hat folgende technischen Daten:

Gewicht: 52 kg
Dimensionen: 410 × 190 mm²
Leistung: 10 kW
Energieinhalt: 22,8 kWs
Drehzahl: max. 25.000 U/min

Es wird ein Asynchronmotor mit 20 A Nennstrom benutzt, der ab 10.000 U/min in Feldschwächung gefahren wird. Es wurden geeignete Kugellager ausgewählt, die einen besonders geringen Rollwiderstand aufweisen. Die Schmierung dieser Lager erfolgt durch einen ölgetränkten Schmierfilz. Da das Schwungrad selbst für eine ausreichende Umwälzung der Luft intern sorgt, wird das System passiv gekühlt. Der Schwungmassenspeicher wird platzsparend im Schaltschrank des Demonstrators montiert. Er wird liegend auf Schwingungsdämpfern befestigt, so dass die Anregung von Körperschall reduziert wird.

Die erste Implementation des Energiemanagementkonzeptes wurde auf eine CNC-Steuerung Siemens 840D sl aufgesetzt. Als virtuelle Steuerung wurde dementsprechend der virtuelle NC-Kern (VNCK) von Siemens verwendet. Mit der Kopplung an das Modelica-Simulationsmodell wurde das Energiemanagementsystem komplettiert.

Der Demonstrator zum vorgestellten Konzept zur Energierückgewinnung für Mehrachsmaschinen wurde im Virtual Development and Training Centre VDTC des Fraunhofer IFF in Magdeburg aufgebaut und in Betrieb genommen (Bild 6). Durch die Integration eines Schwungmassenspeichers in das Beispielobjekt wurde eine Einsparung von 12 % Prozessenergie messtechnisch nachgewiesen. Die Stromspitzen während des Bearbeitungsprozesses wurden dabei um 10 % reduziert.

Steuerung mit virtuellem Gegenstück

Durch das hier vorgestellte Konzept lässt sich ein Schwungmassenspeicher durch industrielle Steuerungssysteme effektiv steuern. Voraussetzung dabei ist es, dass die reale Steuerung ein virtuelles Gegenstück hat, wodurch die komplette Information einer Maschinenbewegung im Voraus bestimmt werden kann. Für den Schwungmassenspeicher soll eine zusätzliche Drehachse in der Maschinensteuerung projektiert werden. Die Regelung dieser Achse erfolgt anhand der vorberechneten Verbrauchswerte, die in tabellarischer Form vor der jeweiligen Bewegung hinterlegt werden. Dank des verallgemeinerbaren Einsatzes kann das Konzept neben Robotern ebenso bei industriellen Werkzeugmaschinen und Sondermaschinen eingesetzt werden.

Der Autor

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Dr.-Ing. Tamas Juhasz
promovierte 2009 zum Thema „Angewandte Methoden in objektorientierten mechatronischen Simulationen“ und arbeitet als Informatiker seit 2006 im Geschäftsfeld Virtual Engineering des Fraunhofer IFF, Magdeburg. Er hat sich dort mit dem Thema „mechatronische Modellbildung und Simulation technischer Systeme“ befasst. Er besitzt sehr gute Kenntnisse in der Modellierungssprache Modelica, welche sich als mathematische Basis für die Beschreibung interdisziplinärer Zusammenhänge in technischen Systemen eta¬bliert hat. Des Weiteren ist er in der Entwicklung strategischer Software-Anwendungen involviert, die die virtuelle Inbetriebnahme und sichere Ablaufprogrammierung von Sondermaschinen unterstützen.

Dr.-Ing. Tamas Juhasz

promovierte 2009 zum Thema „Angewandte Methoden in objektorientierten mechatronischen Simulationen“ und arbeitet als Informatiker seit 2006 im Geschäftsfeld Virtual Engineering des Fraunhofer IFF, Magdeburg. Er hat sich dort mit dem Thema „mechatronische Modellbildung und Simulation technischer Systeme“ befasst. Er besitzt sehr gute Kenntnisse in der Modellierungssprache Modelica, welche sich als mathematische Basis für die Beschreibung interdisziplinärer Zusammenhänge in technischen Systemen eta¬bliert hat. Des Weiteren ist er in der Entwicklung strategischer Software-Anwendungen involviert, die die virtuelle Inbetriebnahme und sichere Ablaufprogrammierung von Sondermaschinen unterstützen.