Door: Eltrex Motion Disruptieve mobiele robots aangestuurd door Elmo-servoaandrijvingen hebben een revolutie teweeggebracht in magazijnbeheer
Zo’n twee decennia geleden wachtten klanten die online iets kochten vijf tot tien dagen op hun bestellingen, tenzij ze een buitensporig hoge vergoeding betaalden voor spoedlevering. Tegenwoordig rekenen consumenten op onmiddellijke behoeftebevrediging dankzij de e-commercemodellen. Ze kunnen boeken, muziek, films en podcasts downloaden door te tikken op een beeldscherm. Zelfs als ze online fysieke producten bestellen, verwachten ze hun pakketten te ontvangen binnen een fractie van de tijd die ooit gebruikelijk was. Om betrouwbaar een snelle levering te kunnen bieden tegen minimale kosten, introduceerde een Aziatische e-commercereus een initiatief om conventionele verzendcentra te vervangen door volledig geautomatiseerde, onbemande afhandelingscentra. Aan de basis van het succes van de onderneming stond een laagprofiel wagenpark aangedreven door compacte, efficiënte, krachtige servoaandrijvingen van Elmo Motion Control.
Compacte mobiele robots
Deze detailhandel verkoopt een breed assortiment goederen, variërend van zeevruchten tot shampoo, T-shirts tot tablets, en nog veel meer. Om aan de vraag van klanten te voldoen, moeten de sorteercentra 9.000 pakketten per uur kunnen verwerken. De oplossing was om de voorraad in houders te plaatsen die via mobiele robots door het magazijn worden getransporteerd. De houders staan op metalen poten. De robots rollen eronder en gaan recht omhoog totdat de poten vrijkomen van de vloer (zie afbeelding). Nu kan de robot de houder naar een beoogd inpakstation rijden, navigerend via barcodes die op de vloer van het logistieke centrum zijn aangebracht.
Dit type magazijnbeheer stelt ons voor een aantal uitdagingen. De robots moeten een laag profiel hebben zodat ze onder de houders passen. Ze moeten ook zo compact mogelijk zijn, zodat honderden of zelfs duizenden ervan zonder botsingen door het complex kunnen rijden. Tegelijkertijd moeten ze in staat zijn om zware ladingen te tillen, waarbij de ene houder papieren zakdoekjes kan bevatten en de volgende zakken met 300 kg hondenvoer. Tot slot moeten de robots een zo lang mogelijke batterijduur hebben. Het magazijn kan immers niet reageren op klantbestellingen als alle robots aan de lader hangen.
Hoge vermogensdichtheid
De robots worden door twee wielen aangedreven. Ze hebben ook verticaal hefvermogen om de houders op te tillen. Om de twee wielen aan te drijven, hebben de ontwerpers twee 750 W borstelloze servomotoren ingebouwd. Gezien de ruimtebeperkingen in de robots had het team aandrijvingen nodig met de hoogstmogelijke vermogensdichtheid. Ze vonden de systeemoplossing in Elmo’s Solo Guitar drives. Solo Guitar-aandrijvingen leveren 4,8 kW continuvermogen of max. 5,4 kW piekvermogen, bij een afmeting van slechts 46,7 mm x 61 mm x 80 mm.
De derde as in het systeem is de rotatielift die tot 300 kg kan tillen en die wordt aangedreven door een 100 W-borstelmotor. Voor deze as koos het team voor een Elmo Solo Whistle-aandrijving, die zowel een continuvermogen als piekvermogen van 2 kW heeft, bij een afmeting van 58,25 mm x 46,5 mm x 28,5 mm. De Solo Whistle-aandrijvingen ontvangen puls-/navigatiesignalen rechtstreeks vanuit het regelsysteem van de klant.
Hoogrendementsaandrijvingen
De batterijduur van een mobiele robot is sterk afhankelijk van de efficiëntie van zijn elektrische componenten. Hoe efficiënter de servoaandrijvingen, des te langer robots kunnen werken tussen oplaadbeurten. De Solo Guitar-aandrijvingen hebben meer dan 97% rendement, terwijl de Solo Whistle-aandrijvingen meer dan 99% rendement hebben. Hierdoor zijn ze ideaal voor het werken met een beperkte stroomvoorziening en verlengen ze de totale arbeidscyclus van de robot.
De vermogenskarakteristiek van accu’s varieert per ontladingscyclus, maar ook gedurende de totale levensduur van de accu. Solo Guitar-aandrijvingen zijn ontworpen om spanningsschommelingen tussen 46 en 195 VDC te kunnen verdragen, terwijl Solo Whistle-aandrijvingen spanningsschommelingen aankunnen tussen 12 en 95 VDC voor de 100 V-unit en tussen 24 en 195 VDC voor de 200 V-unit. Als gevolg daarvan minimaliseren ze onnodige storingen en kunnen ze continubedrijf garanderen.
Minimaliseren van timingfouten en vertragingen
Om robots te besturen moeten de aandrijfassen exact gesynchroniseerd zijn. Het ontwerp is gebaseerd op een master-slave architectuur waarbij de primaire as de commando’s ontvangt van een door de klant ontworpen regelsysteem via een analoog ±10 V-commando. Voor de terugkoppeling maken de assen gebruik van een combinatie van Hall-effectsensoren en een incrementele optische encoder met 1000 lijnen. Het ontwerpteam was in eerste instantie van plan om de synchronisatie analoog aan te sturen. De Elmo-aandrijvingen boden echter een effectiever alternatief.
Elmo-aandrijvingen kunnen een grote verscheidenheid aan referentiecommando’s ontvangen of genereren: analoge ±10 V, pulsbreedtemodulatie (PWM), puls/richting, encodervolger, ECAM, gebruikersprogramma en directe communicatie. In het geval van de magazijnrobots werden de aandrijvingen in PCM-modus aangestuurd. Met Elmo-aandrijvingen kunnen PCM-commando’s worden gebruikt als stroomreferentiecommando’s of als snelheidsreferentiecommando’s, die allemaal eenvoudig kunnen worden toegepast met de gemakkelijk verkrijgbare Elmo-hulpprogramma’s. Daarmee kan het robot-aandrijfsysteem een hogesnelheids-PCM-commando sturen van de primaire naar de secundaire aandrijfas. PCM-synchronisatie naar een slaaf is een ideale manier om met minimale timingfouten of vertraging een asvolger te realiseren. De PCM-synchronisatie bleek veel succesvoller te zijn dan het oorspronkelijke analoge aansturingsconcept.
Tot dusver werkt het project goed. Na twee maanden testen voldoen de prestaties en de algehele functionaliteit van de aandrijvingen aan de eisen. In de volgende generatie robots zal de communicatie over een CANopen-signaal worden geleid in plaats van over een analoog ±10 V-signaal. Met de toevoeging van Elmo’s volledige CANopen-ondersteuning, flexibiliteit in programmering van de aandrijving en een breed spanningsbereik, heeft deze verkoper het ideale servoaandrijfsysteem voor zijn groeiende bestand magazijnrobots in huis gehaald.
Het initiatief gaat nu over naar de productiefase, met een verwachte 1.000 robots in de komende drie tot vier jaar voor de geplande 10 onbemande sorteercentra. De e-commercereus wil blijven investeren in innovatieve technologieën voor zeer efficiënte, goedkope en intelligente systeemoplossingen in de toeleveringsketen.
