Antriebsprinzipien für die Zukunft - Pneumatik oder Elektrik? Referent: Leonhard Ripplinger Produktion: IAI Marketing

Transkript

1 Antriebsprinzipien für die Zukunft - Pneumatik oder Elektrik? Referent: Leonhard Ripplinger Produktion: IAI Marketing IAI Industrieroboter GmbH Ver.2 Seminar-Reihe zur MOTEK 2006: Alternative Montagekonzepte für die flexible Montage

2 Vortragsübersicht 1. Trend in der Automatisierung zu Intelligenten Feldgeräten 2. Vor- und Nachteile von Pneumatischen Zylindern 3. Vergleich der Life Cycle Costs: Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 4. Praxisvergleich: Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder 5. RC RoboCylinder als elektrischer Ersatz zur Pneumatik 6. Vorstellung der IAI-Gruppe Antriebsprinzipien für die Zukunft Pneumatik oder Elektrik? 2

3 Trend in der Automatisierung zu Intelligenten Feldgeräten Trend in der Automatisierung zu Intelligenten Feldgeräten 3

4 Substitution der pneumatischen Antriebe in 5-10 Jahren Technische Zukunftsstudien sagen voraus:* In den nächsten Jahren werden verstärkt Pneumatische-/Hydraulische Aktoren durch Elektrische Aktoren ersetzt. Grund dieser Entwicklung sind verbesserte Produktionsanlagen und -methoden: => Senkung der Life Cycle Costs => Erhöhung der Flexibilität => Reduzierung des Energieverbrauchs * Quelle: Mercer-Studie Automatisierung 2010 Trend in der Automatisierung zu Intelligenten Feldgeräten 4

5 Roadmap der technischen Kundenanforderungen Quelle: Mercer-Studie Automatisierung 2010 Trend in der Automatisierung zu Intelligenten Feldgeräten 5

6 The trend is your friend Pneumatische oder Elektrische Aktoren? Trend in der Automatisierung zu Intelligenten Feldgeräten 6

7 Vor- und Nachteile von Pneumatischen Zylindern Vor- und Nachteile Pneumatische Zylinder 7

8 Vor- und Nachteile Pneumatische Zylinder / Demovideo Instandhaltungsaufwand (Dauer ca. 2 min) 8

9 Vorteile von Pneumatischen Zylindern Kompakte Bauweise Hohe Verfahrgeschwindigkeit Problemloser Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung Kostengünstig bei 2-Punkt-Betrieb (Anschlag/Anschlag) Vor- und Nachteile Pneumatische Zylinder 9

10 Nachteile von Pneumatischen Zylindern Schlag bei Erreichen der Zielposition (ohne Abbremssystem) Mechanischer Umbau bei neuer Zielposition Ruckeln bei niedrigen Geschwindigkeiten Geschwindigkeitsregulierung aufwendig Anfällig gegen Lastschwankungen Innere Lecks wg. überalterter Dichtungen Prozessfehler Unbenutzbar ohne Luftquelle Schlechter Wirkungsgrad hoher Enegieverbrauch Vor- und Nachteile Pneumatische Zylinder 10

11 Prozessbeherrschung mit Pneumatischen Zylindern Elektrische Zylinder sind schneller als Pneumatik-Zylinder und ohne Überschwingverhalten beim Beschleunigen und Abbremsen: Elektrischer Zylinder Vor- und Nachteile Pneumatische Zylinder PneumatikZylinder 11

12 Vergleich der Life Cycle Costs: Pneumatische vs. Elektrische Zylinder (RoboCylinder : eingetragenes Markenzeichen der IAI Corporation) Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 12

13 Kostenblöcke Lebenszykluskosten (VDMA 34160: ) Entstehung Betrieb Funktionserhaltung Schulungsaufwand Wartung/Inspektion Instandsetzung Ersatzteile Verwertung Anschaffung Inbetriebnahme Infrastruktur Material Rohstoffe Produktionsprozess Prozessparameter: Produktionsleistung, Verfügbarkeit, Qualitätsgrad, Betriebsstd./Jahr etc. Produkt Gutteile Ausschuss Abfall Verkauf Entsorgung Energie Werkzeuge Raum Betriebsstoffe Personal Lagerkosten Nutzung Kontext Lohnkosten etc. Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 13

14 Entstehungskosten Schlitten-Ausführung (1) Schlitten-Ausführung Pneumatik-Zylinder Elektrischer Zylinder Geschwindigkeitsregelung Geschwindigkeitsregelung Ventil SPS Stromversorgung Luft Pneumatischer Linearantrieb SPS Stromversorgung RoboCylinder ERC-Serie Linearführung Wo entstehen die geringeren Kosten? Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 14

15 Entstehungskosten Schlitten-Ausführung (2) Pneumatik-Zylinder Geschwindigkeitsregelung Geschwindigkeitsregelung Ventil SPS Stromversorgung Luft Pneumatischer Linearantrieb Linearführung Bauteil Menge Preis Summe Zylinder (Linearantrieb) Punkt-Druck- Regelventil fach Brems- Magnetventil Regel-Ventil (Geschwindigkeit) Schalldämpfer Filter & Regulator Berührungsschalter Kolben Ø6mm 0, Anschaffung 1294 insgesamt Euro Euro 104 Euro 167 Euro 42 Euro Anschaffung Infrastruktur-Anbindung Mechanische Installation IT-Installation Kalkulationsgrundlagen: Entwicklungskosten für die erste Zylinder-Einheit: 50 Euro/Std.; Montagekosten: 40 Euro/Std.; ohne Berücksichtigung indirekter Kosten (-> Total Costs of Ownership), die aber mit der Anzahl der Zylinder/Bauteile steigen Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 15

16 Entstehungskosten Schlitten-Ausführung (3) Elektrischer Zylinder SPS Stromversorgung RoboCylinder ERC-Serie Bauteil Menge Preis Summe RoboCylinder Strom- & E/A- Kabel (3m) Anschaffung 903 insgesamt Euro 903 Euro 63 Euro 133 Euro 42 Euro Anschaffung Infrastruktur-Anbindung Mechanische Installation IT-Installation Kalkulationsgrundlagen: Entwicklungskosten für die erste Zylinder-Einheit: 50 Euro/Std.; Montagekosten: 40 Euro/Std.; ohne Berücksichtigung indirekter Kosten (-> Total Costs of Ownership), die aber mit der Anzahl der Zylinder/Bauteile steigen Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 16

17 Saldo Entstehungsskosten Schlitten-Ausführung Schlitten-Ausführung Pneumatik- Zylinder insgesamt Euro Elektrischer Zylinder insgesamt Euro um 29 % geringere Entstehungskosten Der Elektrische Zylinder ist die preiswertere Lösung! Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 17

18 Entstehungskosten Schubstangen-Ausführung (1) Schubstangen-Ausführung Pneumatischer Zylinder Elektrischer Zylinder Wie sieht es aus beim Schubstangen-Typ? Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 18

19 Entstehungskosten Schubstangen-Ausführung (2) Pneumatik-Zylinder Magnetventil Pneumatik- Zylinder Ventile zur Geschwindigkeitsregelung Bauteil Menge Preis Summe Zylinder (Schubstange) mit 2 Sensoren fach Magnetventil Regel-Ventil (Geschwindigkeit) Schalldämpfer Filter & Regulator Berührungsschalter Kolben Ø6mm 0, Anschaffung 255 insgesamt 546 Euro 255 Euro 108 Euro 139 Euro 44 Euro Anschaffung Infrastruktur-Anbindung Mechanische Installation IT-Installation Kalkulationsgrundlagen: Entwicklungskosten für die erste Zylinder-Einheit: 50 Euro/Std.; Montagekosten: 40 Euro/Std.; ohne Berücksichtigung indirekter Kosten (-> Total Costs of Ownership), die aber mit der Anzahl der Zylinder/Bauteile steigen Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 19

20 Entstehungskosten Schubstangen-Ausführung (3) Elektrischer Zylinder Bauteil Menge Preis Summe RoboCylinder Strom- & E/A- Kabel (3m) Anschaffung 635 insgesamt 873 Euro 635 Euro 63 Euro 133 Euro 42 Euro Anschaffung Infrastruktur-Anbindung Mechanische Installation IT-Installation Kalkulationsgrundlagen: Entwicklungskosten für die erste Zylinder-Einheit: 50 Euro/Std.; Montagekosten: 40 Euro/Std.; ohne Berücksichtigung indirekter Kosten (-> Total Costs of Ownership), die aber mit der Anzahl der Zylinder/Bauteile steigen Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 20

21 Saldo Entstehungskosten Schubstangen-Ausführung Pneumatik- Zylinder Schubstangen-Ausführung insgesamt 546 Euro um 60 % höhere Entstehungskosten Elektrischer Zylinder insgesamt 873 Euro Entstehungskosten von Pneumatik-Zylindern mit Schubstange sind niedriger! Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 21

22 Druckluft-Energiekosten aus volkswirtschaftlicher Sicht (1) Kummulierte Energiekosten für Pneumatik-Anlagen am Beispiel Japan:* Elektrischer Energieverbrauch durch Pneumatik-Zylinder Landesweiter Elektrischer Enegieverbrauch in Fabrikanlagen ~ 10% - 20% Elektrische Verbrauchskosten aller Pneumatik-Zylinder in Japan: 12,5 Mrd. Euro pro Jahr * Quelle: Tokyo Institute of Technology Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 22

23 Druckluft-Energiekosten aus volkswirtschaftlicher Sicht (2) Der druckluft energy award 2007* Druckluft ist der teuerste Energieträger in der Industrie. Und: Mit den kontinuierlich steigenden Stromkosten wird sich die Druckluft auch in Zukunft weiter verteuern. Gewachsen ist jedoch auch der erzielbare Nutzen, wenn Unternehmen Maßnahmen für die Drucklufteffizienz jetzt umsetzen. So beträgt das Einsparpotential der deutschen Industrie 4,6 TWh pro Jahr. In Euro ausgedrückt sind das aktuell insgesamt etwa 276 Mio. In gleichem Umfang würden die Unternehmen ihre Ertragskraft steigern und zugleich die Verschmutzung der Umgebungsluft jährlich um 2,8 Mio Tonnen CO 2 senken. [ ] * Quelle: Anzeige in Der Betriebsleiter Sept Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 23

24 Energiekosten auf Betriebsebene (1) Der Energieverbrauch eines Elektrischen Zylinders beträgt rund 1/10tel eines Pneumatik-Zylinders und bedeutet ein hohes Einsparpotential: 83 Euro pro Jahr und pro Zylinder* Pneumatik- Zylinder Elektrischer Zylinder 120kWh 1080~1920kWh** Pneum.-Zylinder: Bohrung Ø25 (Druck 0,5 MPa) RoboCylinder: RCP2-SA6 (Schlitten-Ausführung) RCP2-RMA (Schubst.-Ausführung) (Einsatzbedingungen) Hub: 500/300 mm (Schlitten/Schubst.) Hubleistung: 25~30 Bewegungen/Minute kwh * Angenommene Energiekosten von 0,08 Euro / kwh bei täglichem Einsatz von 10 Stunden (2400 Std. / Jahr) ** Angaben beziehen sich auf einen 37 kw-kompressor, hochgerechnet auf Basis eines 0,75 KW-Kompressors RoboCylinder = energiesparende Antriebstechnik! Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 24

25 Energiekosten auf Betriebsebene (2) Wirkungsgrad eines Pneumatik-Systems: 14% Energieeffizienz eines Pneumatik-Systems im Überbilck*: Wirkungsgrad 5% 14% Kompressor-Verluste Zylinder-Verluste * Quelle: Tokyo Institute of Technology ** Energieverbrauch für die Lufttrocknung ist nicht berücksichtigt 15% 16% 50% Rohrdruck-Verluste Luftfilter(u.ä.)-Verluste** Im Gegensatz dazu liegt der Wirkungsgrad eines Elektrischen Zylinders bei 80% ~ 90%! Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 25

26 Leckage-Kosten Wenn eine Druckluftleitung ein Loch aufweist und die Druckluft bei 0,5 MPa liegt, entstehen durch die vergeudete Energie proportional zu den Leckverlusten weitere Kosten pro Jahr: Loch-Durchmesser Leckverlust (m 3 ) 1 mm 8, mm 890,000 Daten von Pneumatik-Herstellern Leckagekosten 204 Euro Euro Druckluft gibt s nicht zum Nulltarif! Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 26

27 Saldo Entstehungs- und energiebezogene Betriebsteilkosten (1) (1) Schlittenausführung Die Angaben beziehen sich bei gleicher Nutzlast auf einen 10 Stunden-Tag und eine 5 Tage-Woche über 3 Jahre unter Verwendung eines 37 kw-kompressors mit Zylinder-Bohrung ø20 Entstehungskosten in Euro Energiekosten (3 Jahre) in Euro Teilkosten (Direct Costs) über 3Jahre in Euro insgesamt 2531 insgesamt 1255 um gut 50 % geringere Teilkosten Pneumatik-Zylinder Elektrischer Zylinder Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 27

28 Saldo Entstehungs- und energiebezogene Betriebsteilkosten (2) (2) Schubstangen-Ausführung Die Angaben beziehen sich bei gleicher Nutzlast auf einen 10 Stunden-Tag und eine 5 Tage-Woche über 3 Jahre unter Verwendung eines 37 kw-kompressors mit Zylinder-Bohrung ø40 Entstehungskosten in Euro Energiekosten (3 Jahre) in Euro Teilkosten (Direct Costs) über 3Jahre in Euro um knapp 50 % geringere Teilkosten Pneumatik-Zylinder Elektrischer Zylinder Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 28

29 Meinung eines Hybrid-Anbieters von Elektrik und Pneumatik Prof. Dr.-Ing. Goedecke, Geschäftsführer GAS (St. Georgen):* Wir würden nicht nur wegen der mangelnden Positioniergenauigkeit keine pneumatische Achse verwenden, sondern auch weil der Energieverbrauch des erforderlichen Zylinders die pneumatische Lösung absolut unrentabel macht. [ ] Aus energetischen Gesichtspunkten sind nur pneumatische Antriebe bis zu einem Durchmesser von 32, maximal 40 mm sinnvoll. * Quelle: o+p-expertendiskussion Leistungsgrenzen der Pneumatik vom in Frankfurt Kostenvergleich Pneumatische vs. Elektrische Zylinder 29

30 Praxisvergleich: Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder (RoboCylinder : eingetragenes Markenzeichen der IAI Corporation) Praxisvergleich Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder 30

31 Anwendungsbeispiele (1a) (1) Einpressmaschine bei ABS-Produktion (Kanagawa, Japan) Hier Einpressung durch RoboCylinder ABS (Antiblockiersystem) Ergebniserhöhung von über Euro pro Jahr durch Umstellung auf Elektrische Zylinder! Praxivergleich Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder 31

32 Anwendungsbeispiele (1b) (1) Einpressmaschine bei ABS-Produktion (Kanagawa, Japan) Alter Pneumatik-Zylinder: 2x pro Woche Nachjustierung Ausschussrate der Bauteile 3 ~ 5 % Neuer RoboCylinder: Nachjustierungen nicht mehr erforderlich Ausschussrate der Bauteile -> 0 % Ergebnis: Kunde vermied Ausschussverluste bzw. direkte Fehlerkosten von über Euro pro Jahr. Elektrischer vs. Pneumatischer Zylinder lt. SPC-Bericht (Statistische Prozesskontrolle): Output Ausschuss pro Tag Fehler * ergibt Ausschussrate von 3% ~ 5% ** Materialkosten: 17 Euro / Bauteil Ausschuss pro Jahr (240 Tage/Jahr) Fehlerkosten Output Fehler Elektrischer Zylinder Euro Euro Fehlerkosten Pneumatik- Zylinder * 170 Euro** Euro Praxisvergleich Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder 32

33 Anwendungsbeispiele (2a) (2) Ionisierer in DVD-Produktionslinie (Tokyo, Japan) 1. Maschinenkosten Bei Einsatz von Pneumatik-Zylindern: 2 Pneumatik-Zylinder 2 Magnetventile Montagewinkel Kostenhalbierung bei Einsatz von ERC RoboCylindern 2. Montagezeit Doppelt gestellte Pneumatik-Zylinder -----> 30 min ERC RoboCylinder > 15 min Weitere Zeitvorteile des ERC RoboCylinders: Montagewinkel entfallen keine Justierung nötig Anti-Statik-Gebläse (Ionisierer) Euro pro Jahr Einsparung durch Elektr. Zylinder! Praxisvergleich Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder 33

34 Anwendungsbeispiele (2b) (2) Ionisierer in DVD-Produktionslinie (Tokyo, Japan) 3. Produktivität Einsatz von Pneumatik-Zylindern: Lebensdauer / Ionisierer: 1 Monat (wg. abrupten Abremsens des Pneum.-Zyl.) Neupreis / Ionisierer: ca. 500 ~ 600 Euro Produktionsstillstand wg. Ionisierer-Ersatz: 2 Stunden Produktionsausfall: DVDs pro Monat Produktionsverlust: Euro im Monat (bei Kosten von 1 Euro pro DVD) Jährlicher Produktionsverlust: Euro Nach der Umstellung auf ERC RoboCylinder: Keine Ionisierer-Beschädigung mehr wegen der nun kontrollierbaren Beschleunigung/Abbremsung Praxisvergleich Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder 34

35 Anwendungsbeispiele (3a) (3) Autoteile-Montage (Automotive-Unternehmen, Japan) Vorher Einsatz von Pneumatikund Hydraulik-Zylindern Verbindungsstift Hier Einpressung durch Zylinder Sprengring Nachher Ersatz durch RoboCylinder Teil A Teil B Einpressung des Sprengrings, der den Verbindungsstift fixiert Euro weniger Maschinenkosten mit Elektr. Zylindern! Praxisvergleich Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder 35

36 Anwendungsbeispiele (3b) (3) Autoteile-Montage (Automotive-Unternehmen, Japan) 1. Taktzeit um weniger als die Hälfte gedrückt Altes Pneumatik- und Hydraulik-System: keine Geschwindigkeits- und Schubkraftkontrolle aus jeder Position 2fach-Stoß notwendig, um den Ring sicher einzudrücken RoboCylinder: Stoß- und Geschwindigkeitskontrolle in jeder Position Verkürzung der Taktzeit von 10 auf 4 Sekunden (durch gezieltes Abbremsen vor dem Stoß) 2. Maschinenkosten um Euro gesenkt Altes Pneumatik- und Hydraulik-System: Zum Überprüfen der Sprengring-Einpressung viele Sensoren auf den Aktoren notwendig RoboCylinder: Funktionen "Schubkrafteinstellung" und "Signal-Ausgabe bei Erreichen vorgegebener Positionen" machte die meisten Sensoren überflüssig Senkung der Maschinenkosten von auf Euro (ein RoboCylinder ersetzte mehrere Pneumatik- und Hydraulik-Zylinder) Praxisvergleich Ersatz von Pneumatischen durch Elektrische Zylinder 36

37 RoboCylinder: Der elektrische Ersatz zur Pneumatik (RoboCylinder : eingetragenes Markenzeichen der IAI Corporation) RC RoboCylinder als elektrischer Ersatz zur Pneumatik 37

38 Aufbau eines RoboCylinders am Beispiel der ERC-Serie Schlitten-Typ Schubstangen-Typ Steuerung Steuerung Kupplung Kupplung Schlitten Enkoder Schrittmotor Enkoder Schrittmotor Kugelumlaufspindel Linearführung Schubstange Kugelumlaufspindel Seitkantführung RC RoboCylinder als elektrischer Ersatz zur Pneumatik 38

39 Übersicht IAI-Produktlinie RoboCylinder Module Abbildung Preis für kleinstes Modell (Zylinder + Steuerung) Wiederholgenauigkeit ab 532 Euro ab 721 Euro ab 1017 Euro Greifer ab 1644 Hub Hub Hub Euro Rotationsachsen ab 1284 Euro Programmierbare Positionen* 3/8/16/64 3/64/512/ /16/512/ 1500/4000 3/64/512/ 1500 Eigenschaften integrierte Steuerung Plug & Play - Prinzip einfache Anwendung hohe Schubkraft bis 1500 verschiedene Positionen mit 2-Achs- Steuerung anfahrbar hohe Geschwindigkeit Servomotor bis 4000 Positionen mit 4-Achs-Steuerung Miniatur-Bauweise geringes Gewicht hohe Präzision * je nach eingesetzter IAI-Steuerung RC RoboCylinder als elektrischer Ersatz zur Pneumatik 39

40 Vorstellung der IAI-Gruppe Vorstellung der IAI-Gruppe 40

41 Daten Kurzüberblick: und Fakten Daten von IAI und Fakten von IAI Unternehmensprofil Firmenname: Gründung: 1976 Präsident: Geschäft: IAI Corporation (nicht börsennotiert) Toru Ishida (auch Hauptinhaber) Entwicklung, Konstruktion, Herstellung und Verkauf von industriellen Kleinrobotern Umsatz: 90 Mio. Euro (2005) Marktanteil*: 61 % (Anteil am Gesamtabsatz von Ein- und Mehrachs-Lineareinheiten in Japan) Stammsitz Zentrale: Niederlassungen Europa: Amerika: Shimizu-Hirose Shizuoka City, Shizuoka Japan Produktion: Shimizu Shizuoka City, Shizuoka Japan IAI Industrieroboter GmbH, Schwalbach / Frankfurt a.m. IAI America Inc., Torrance, Kalifornien (USA) Produktlinien: El. Zylinder (RC), Linear-Roboter (IA), Scara (IX) Produktion: RC: 10 Tsd./Monat IA: 3-5 Tsd./Monat Mitarbeiter: ca. 413 (2005) Neues Produktionswerk in Shizuoka, Japan (2004) * Quelle: Fuji-Markstudie 2004 Vorstellung der IAI-Gruppe 41

42 Niederlassungen und Vertretungen USA Brasilien EU/D-Zentrale: IAI Industrieroboter GmbH Deutschland Vorstellung der IAI-Gruppe Österreich Schweiz Niederlande Belgien Frankreich Italien Israel Spanien Slowenien Japan Großbritannien Irland Dänemark Schweden Polen Tschechien Ungarn Kroatien Rumänien Türkei Korea China Taiwan Thailand Singapur Malaysia Phillipinen Indonesien Indien 42

43 Auf der Messe: Halle 1, Stand 1237 IAI Industrieroboter GmbH Ober der Röth 4 D Schwalbach am Taunus Tel.: Fax: info@iai-gmbh.de Internet: IAI America Inc W. 237th Street, Torrance, CA 90505, U.S.A Tel.: Fax: IAI CORPORATION Shimizu Hirose, Shizuoka , Japan Tel.: Fax: