Für die grosse Power der DC-Kleinstmotoren sorgen eine Graphitkommutierung mit grosser Stabilität und geringem Verschleiss, sehr leistungsstarke Neodym-Magnete und ein besonders hoher Kupferanteil in der Wicklung des Rotors.

Ausgabe 05 | 2022

Zuverlässige Kleinstantriebe mit hoher Leistungsdichte

FAULHABER MINIMOTOR SA

Im Zeitalter von Internet of Things (IoT) und Industrie 4.0 spielt die Intralogistik eine wichtige Rolle. Für eine vollautomatisierte Produktion ab Losgrösse eins müssen die richtigen Teile zur rechten Zeit zu den Fertigungsstationen transportiert werden.

Mobile Roboterplattformen (autonomous mobile robots, AMR) sind in den Lager- und Produktionshallen weltweit auf dem Vormarsch. Mittlerweile gibt es Lösungen, die sich ohne vorinstalliertes Leitsystem völlig autonom in den Industriehallen bewegen. Treibende Kraft sind robuste Kleinstantriebe in den Radmodulen, die vor allem durch ihre hohe Leistungsdichte überzeugen.
Das Nürnberger Start-up Evocortex wurde im Jahre 2016 gegründet und hat ein innovatives AMR-Konzept entwickelt, das für die Intralogistik neue Ansätze liefert. Geschäftsführer Hubert Bauer erklärt: «Herkömmliche AMR brauchen meist definierte Fahrwege und technische Veränderungen in den Prozessen. Zur Orientierung sind oft optische Markierungen nötig und Wege oder Kreuzungen müssen vorgegebenen Abmessungen und Kurvenradien entsprechen. Wir dagegen haben Transportroboter entwickelt, die sich den Bedürfnissen der Anwendung anpassen und nicht umgekehrt.»

Der Hallenboden als Landkarte
Die autonomen mobilen Roboter von Evocortex benötigen kein vorinstalliertes Leitsystem, sondern orientieren sich stattdessen an Unregelmässigkeiten im Hallenboden. Diese sind selbst auf den glattesten Betonflächen zu finden und werden von der hochauflösenden Kamera an der Unterseite des Roboters registriert. Das von Evocortex entwickelte Localization Module (ELM) fertigt aus den Bilddaten dann quasi einen Fingerabdruck des Hallenbodens an.
Dazu fährt der Roboter beim Einlernen den Hallenboden rasterförmig ab. Mithilfe komplexer Algorithmen entsteht aus einzelnen Punkten dann eine hochpräzise Landkarte. Die Steuerung erfasst zudem die Eigenbewegung des Fahrzeugs. Durch die Kombination der Daten kann sie es – auf einer theoretischen Fläche von einem Quadratkilometer – auf 1 mm genau positionieren. Dafür genügen bereits drei identifizierte Punkte. Selbst wenn also 50 Prozent des Bodens mit Sägespänen abgedeckt wären, sorgt das ELM für eine präzise und genaue Navigation. Dauerhafte neue Kratzer im Boden werden in die Karte aufgenommen, verschwundene Merkmale nach einiger Zeit entfernt. Optional können die Transportroboter mit LIDAR-Sensoren ausgestattet sein, um Hindernisse zu erkennen und Kollisionen zu vermeiden.

Mecanum-Räder für freie Beweglichkeit
Beim Fahren müssen die Transportroboter nicht wie ein Auto rangieren, sondern sie können aus dem Stand in jede beliebige Richtung fahren oder auf der Stelle drehen. Dafür sorgen ihre Mecanum-Räder. Anstelle einer geschlossenen Lauffläche sind hier auf der Felge tonnenförmige Rollen im Winkel von 45° zur Radachse befestigt. Sie können sich um ihre eigene schräge Lagerachse drehen. Form, Grösse und Abstände der Rollen sind so gewählt, dass das Rad eine durchgehende Abrollfläche hat. Wenn sich das Mecanum-Rad dreht, entstehen zwei Kraftkomponenten, eine in Drehrichtung des gesamten Rades und eine im rechten Winkel dazu. Die resultierende Bewegungsrichtung liegt folglich dazwischen.
Bei einem Fahrzeug mit vier Mecanum-Rädern sind die 45°-Winkel jeweils um 90° versetzt angeordnet. Jedes Rad strebt also in eine andere Richtung. Indem man Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der einzelnen Räder variiert, kann das Fahrzeug sich auf der horizontalen Ebene dann so frei und omnidirektional bewegen, als würde es schweben.

Skalierbarkeit durch Radantriebsmodule
An unterschiedliche Anwendungen lassen sich die AMR gut anpassen, denn die Grössenauswahl ist nahezu unbegrenzt. «Zwischen 400x480 und 800x1200 mm Kantenmass lässt sich jede Aussenabmessung realisieren», betont Hubert Bauer. Das Radantriebsmodul ist ein entscheidendes Element für diese Skalierbarkeit. Es befindet sich direkt über dem Rad und bildet mit diesem zusammen eine standardisierte, unabhängige Funktionseinheit. Die Räder können also in beliebigen Abständen voneinander montiert werden. Die entscheidende Voraussetzung für diese Anordnung ist ein leistungsstarker Motor mit sehr kleinen Abmessungen. «Wir haben uns genau angeschaut, welche Motoren auf dem Markt dafür in Frage kommen», erinnert sich Hubert Bauer. «Die Leistungsdichte, die wir brauchten, haben wir ausschliesslich bei FAULHABER gefunden. Alle anderen Motoren hätten für das geforderte Drehmoment mehr Platz benötigt.»

Kleine Kraftpakete
Treibende Kraft des EvoRobot sind DC-Kleinstmotoren der Serie 3257… CR oder 3272 … CR, die jeweils mit einem Stirnrad-Getriebe kombiniert sind. Bei Ø 32 mm und 57 beziehungsweise 72 mm Länge liefern die kleinen Motoren Dreh-momente von 73 beziehungsweise 120 mNm. Für die präzise Positionserfassung sorgt jeweils ein IEF3-Encoder mit 4096 Impulse pro Umdrehung. Zum schnellen Stoppen und sicheren Halten einer Position sind die Radantriebe zusätzlich mit einer Bremse ausgestattet. «Dank der enormen Kraft dieser Klein-motoren und der robusten Untersetzung kann der EvoRobot bis zu 200 kg befördern. Höhere Lasten sind in Vorbereitung.», erklärt Hubert Bauer. «Der Transport funktioniert sogar auf einer Rampe mit 5° Steigung mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s, also etwa mit Schrittgeschwindigkeit.»
Die kleinere Produktlinie EvoCarrier ist für den Transport von Kleinladungsträgern konzipiert. In ihren Radmodulen geht noch enger zu als beim Evo-Robot. Die Unterfahrhöhe liegt bei weniger als 100 mm, die AMR können also in extrem niedrige Aussparungen unter einem Transportgut hineinfahren. Zwei oder vier EvoCarrier können auch zusammenarbeiten und gemeinsam Paletten oder eine ganze Regaleinheit befördern. Die Entwickler haben hier einen sogenannten «Flachläufer» als Antrieb gewählt, einen bürstenlosen Motor der Serie 4221… BXT, der mit einer Länge von 21 mm auskommt, dabei aber ein Dauerdrehmoment von 134 mNm liefert. Damit schafft der EvoCarrier zusammen mit Getriebeuntersetzung den Transport von Rollstapeln mit Klein-ladungsträgern (KLT) von bis zu 120 kg Gewicht. Auf längere Sicht, meint der Geschäftsführer, werde man wohl auch beim EvoRobot zu den bürstenlosen Antrieben übergehen und die Module noch weiter vereinheitlichen.

Zuverlässig im Dauerbetrieb
Neben der hohen Leistungsdichte spielen beim Betrieb der autonomen Transportroboter auch Wartungsfreiheit und die Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb eine wichtige Rolle. «Unsere Anforderungen im Hinblick auf die Lebensdauer werden von den FAULHABER-Motoren mehr als erfüllt», freut sich Hubert Bauer. «Ausserdem funktionieren die Antriebe mit allen gebräuchlichen Industriesteuerungen. Die Experten von FAULHABER haben uns zudem sehr geholfen, die optimale Einstellung der Parameter für die Serienreife zu finden.»

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