Trendwende im Hausbau mit Steuerungstechnik der nächsten Generation
Bevor der Traum vom erschwinglichen, nachhaltigen Wohnungsbau wahr werden kann, gilt es, zwei Hürden zu überwinden: explodierende Kosten und Fachkräftemangel. Promise Robotics, ein kanadisches Startup, das den Fertighausbau nach eigener Aussage neu erfunden hat: Modernste Automatisierungstechnik von Beckhoff und künstliche Intelligenz (KI) steuern eine robotergestützte Lösung für die effiziente Vorfertigung. Die Montage vor Ort wird dadurch um bis zu 70 % schneller.
Promise Robotics aus Edmonton, Alberta, bietet die nach eigenen Angaben intelligentesten, flexibelsten und dabei kompaktesten Industrieroboter der Baubranche an. Unterstützt wird die industrielle Lösung von einer cloudbasierten Softwareplattform für die Verwaltung der gesamten Produktion – von der Planung über die Fertigung bis zu Terminierung und Logistik. Das Konzept Homebuilding Factory-as-a-ServiceTM verspricht Fertighausanbietern, den Zeitaufwand für die finale Vorortmontage der Häuser im Vergleich zu herkömmlichen Methoden um bis zu 70 % zu reduzieren. So könnte beispielsweise ein Einfamilienhaus in etwa fünf Stunden und ein dreistöckiges Mehrfamilienhaus mit 64 Wohneinheiten in zwei Wochen aufgebaut werden.
„Automatisierung ist im Bauwesen noch nicht verbreitet und darum ist es nach wie vor sehr arbeitsintensiv“, so Ramtin Attar, CEO und Mitbegründer von Promise Robotics. „Unser Ziel ist es, Grundlagentechnologien zu entwickeln – ein Automatisierungssystem mit einem spürbaren Return-on-Investment und ohne Einschränkungen für eine breite Annahme im Markt.“
Herausforderungen im robotergestützten Hausbau
Die Entwicklung der innovativen Bausysteme von Promise Robotics beinhaltete umfangreiche Herausforderungen. Die größte Schwierigkeit war die Notwendigkeit, ein robustes, leistungsstarkes Steuerungssystem zu finden. Insbesondere die Echtzeitdatenverarbeitung war für die präzise Robotersteuerung mit Positionsfeedback entscheidend.
„Eine der wichtigsten Lektionen, die wir gelernt haben, ist der Umgang mit Materialvariationen, die bei der Produktion auftreten können“, erklärt Farid Mobasser, Director of Software bei Promise Robotics. „Dafür müssen wir den Robotern Rückmeldung geben und uns auf verschiedenartigste Szenarien einstellen, die den Prozess stören könnten. Es handelt sich um eine kontinuierliche Lernkurve – wir testen und bauen verschiedene Strukturen, Formen und behandeln die Grenzfälle, um unsere Systeme zu verbessern.“
Eine weitere zentrale Herausforderung war die Implementierung eines kompakten, integrierten Systemaufbaus. Die Minimierung von Verkabelung und Komplexität war entscheidend, um die schnelle Bereitstellung in einer dynamischen Bauumgebung mit begrenztem Raumangebot zu ermöglichen.
Solides Fundament mit EtherCAT und PC-based Control
Um diese Anforderungen zu erfüllen, nutzte Promise Robotics verschiedene Beckhoff Produkte, darunter die Automatisierungssoftware TwinCAT 3 sowie EtherCAT für die Datenkommunikation zwischen Controllern, Antrieben und I/O-Komponenten. TwinCAT bietet eine durchgängige Engineering- und Laufzeitplattform für alle Automatisierungsfunktionen, von Maschinensteuerungslogik und Motion Control bis hin zu Safety und HMI. Die TwinCAT-Entwicklungsumgebung ermöglicht es den Ingenieuren von Promise, eine breite Palette von Programmiersprachen zu nutzen, darunter Strukturierter Text, Kontaktplan und C++, um schnell zur lauffähigen Anwendung zu kommen.
EtherCAT unterstützt Echtzeitkommunikation mit einer minimalen Latenz – eine wichtige Voraussetzung für die präzise Steuerung von Robotern. Der leistungsstarke Feldbus sorge mit hoher Datenübertragungsrate für die nahtlose Integration von Bewegungssteuerung, Sicherheitsfunktionen und anderen Maschinenkomponenten, sodass die komplexen Konstruktionssysteme im dynamischen Betrieb reibungslos funktionieren: „Die Flexibilität und Skalierbarkeit von EtherCAT war ein wichtiger Faktor. Es ist das schnellste industrielle Ethernet-Kommunikationsprotokoll und Beckhoff bietet eine breite Hardwarepalette dafür. Bei uns reicht sie vom Embedded-PC CX2043 über I/O-Komponenten bis hin zur gesamten Antriebstechnik, einschließlich der Motoren, Antriebe und Kabel“, sagt Darren Brix, Director of Hardware bei Promise Robotics. „Es ist ein schlüsselfertiges Paket, das die Prozess- und Systemarchitektur verbessert. Mit EtherCAT ist es einfach und effizient, eine optimal aufeinander abgestimmte Industrielösung auf höchstem Standard zu realisieren.“
Das leistungsfähige Rückgrat für die Steuerung und nahtlose Integration aller I/O-Komponenten bildet ein Embedded-PC CX2043 von Beckhoff mit einer Quadcore-CPU AMD Ryzen™ und einer Taktrate von 3,35 GHz. In Verbindung mit TwinCAT fungiert der Embedded-PC sowohl als Hochleistungs-SPS wie auch als Motion-Control-System. Der Rechner unterstützt den 32- sowie den 64-Bit-Modus und ermöglicht mit einer hohen Leistung die präzise, deterministische Steuerung mit den kurzen Zykluszeiten, die in diesem dynamischen Kontext erforderlich sind. Ein Multitouch-Control-Panel CP3924 ist über die Einkabeltechnologie CP-Link 4 an den Rechner angebunden und dient als Hauptschnittstelle zur Bedienung der Robotersysteme.
Dynamisch bewegt mit dezentralen Antrieben
Die präzise Steuerung der Roboterarme und -aktoren erfolgt über die kompakten, integrierten Servoantriebe AMI8122 von Beckhoff, welche Servomotor, Servoverstärker und Feldbusanschluss in einem platzsparenden Design vereinen. Promise Robotics nutzte den integrierten Antrieb für die Entwicklung eines mit einem KUKA-Roboter gekoppelten Endeffektors. Dieser ermöglicht die präzise Ausrichtung, die beim Bau verschiedener Strukturen, Formen und Größen erforderlich ist. Der AMI8122 ist Teil der dezentralen Antriebslösungen von Beckhoff, welche die Antriebstechnik aus dem Schaltschrank heraus und direkt an die Maschine bringen. Dieser Aufbau reduziert die Größe des Schaltschranks und den Platzbedarf der Anlage sowie die Kabellängen erheblich und ist damit ideal für dynamische Fertigungsumgebungen geeignet.
Das Highspeed-Kommunikationsprotokoll EtherCAT und TwinCAT 3 Drive Manager 2 vereinfachen zudem die Implementierung und Inbetriebnahme der Servotechnik in realen Bauszenarien. Da Sicherheit an erster Stelle steht, sorgt die TwinSAFE-Komponente EL6900 für den sicheren Maschinenbetrieb. Die systemintegrierte EtherCAT-Klemme mit TwinSAFE Logic beherrscht sicherheitsgerichtete Anwendungen auf der Basis boolescher Werte und Funktionsbausteinen zur Verarbeitung sicherer Eingangssignale und zur Erzeugung sicherer Ausgangssignale. Darüber hinaus unterstützt sie bis zu 128 sichere Verbindungen und trägt mit einer Backup- und Restore-Funktion für den einfachen Steuerungsaustausch zur Zuverlässigkeit und Sicherheit der Lösung bei.
Eine Blaupause für die Zukunft
Durch die Standardisierung auf Automatisierungstechnik von Beckhoff sowie das flexible und offene Feldbussystem EtherCAT konnte Promise Robotics die Forschungs- und Entwicklungszyklen erheblich beschleunigen und die Inbetriebnahmezeiten reduzieren. Die standardisierte Lösung vereinfacht die Wartung und sie ermöglicht einen einheitlichen Betrieb des Maschinenparks und die nahtlose Integration von Innovationen. Dadurch werden Ausfallzeiten reduziert und die Produktivität erhöht: „Im Moment konzentrieren wir uns auf den Holzrahmenbau, der etwa 80 % des Wohnungsbaus in den USA und Kanada ausmacht. Und im Grunde genommen bauen wir die größte KI-Bibliothek für robotergestützte Montagearbeiten auf, die auf alle Arten von Fertigbauelementen ausgeweitet werden kann“, erklärt Ramtin Attar die Herausforderungen, die mit dem Versuch verbunden sind, eine ganze Branche zu verändern. „Es gibt einen Grund, warum sich die Automatisierung in dieser riesigen, mehrere Billionen Dollar schweren Branche noch nicht durchgesetzt hat. Es gibt zwar erfolgreiche kundenspezifische Implementierungen, aber die Skalierbarkeit und schnelle Verfügbarkeit der Lösungen waren bisher eher begrenzt. Unser Ziel ist es, diese Systeme sehr schnell zum Einsatz zu bringen, damit unsere Kunden künftig eine beliebige Lagerhalle übernehmen, das Licht einschalten und zügig in die Phase der Rentabilität eintreten können.“
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