Razendsnelle cobot door actief energiemanagement 

Het Duitse Gerhard Schubert GmbH toonde op de Interpack 2023 een pick&place cobot die tot 90 picks per minuut wist te maken. Traditionele aandrijf- en besturingstechniek bood geen uitkomst omdat de zeer korte start- en stopcycli leidden tot zeer hoge vermogensverliezen en bijbehorende warmteontwikkeling. De oplossing werd gevonden in het actieve energiemanagementsysteem PxtFX van het Duitse Koch, in de Benelux vertegenwoordigd door Elincom Electronics. Een eenvoudige oplossing voor servo- en frequentieregelaars die in staat is remenergie razendsnel op te slaan en even snel weer beschikbaar te stellen.

Automatisering in onder meer de verpakkingsindustrie is van groot belang om de gewenste snelheden te halen, zónder de noodzaak van veel menskracht. Cobots vormen hierin een dankbare oplossing. 

De huidige generatie cobots is eenvoudig en flexibel te programmeren, maar de ontwikkelingen zijn nog (lang) niet ten einde. Gerhard Schubert richtte zich bijvoorbeeld op een razendsnelle cobot genaamd tog.519. De naamgeving is een combinatie van het Engelse ‘together’ (samen), een verwijzing naar de vijf assen, en het bouwjaar van het eerste prototype: 2019. De eisen die het bedrijf aan de cobot stelde, logen er niet om: 90 picks per minuut, een product van 700 gram en plaatsen met een hoge nauwkeurigheid. 

Deze eisen hadden gevolgen voor zowel de mechanica als de aandrijf- en besturingselektronica. In het eindresultaat is de veerkrachtige mechanica bestand tegen versnellingen tot 7G en maakt zij een bewegingsradius tot ongeveer 760 mm mogelijk. De cobot blijf daarbij stabiel. Ook de rekensnelheid bij de beeldverwerking is hoog om de processnelheid van het hele systeem op niveau te houden. 

Bij de aandrijf- en besturingstechniek liep het bedrijf tegen de grenzen aan van de geselecteerde aandrijvingen: twee 400 V aandrijvingen voor de twee hoofdassen en drie 48 V aandrijvingen voor de drie secundaire assen. De bottleneck zit in de extreem hoge versnellingen en vertragingen die de aandrijvingen moeten opbrengen om de snelle cyclustijden te halen. In eerste instantie is geprobeerd om een servoversterker met een uitstekende warmteafvoer te combineren met remweerstanden. Deze laatste leidden echter tot zeer hoge vermogensverliezen als gevolg van de enorme warmteontwikkeling en daardoor een bijzonder korte levensduur van de aandrijvingen. 

De oplossing werd gevonden in de toepassing van het actieve energiemanagementsysteem PxtFX van Koch. Kort gezegd is deze compacte module in staat om de remenergie die vrijkomt bij vertragingen actief en snel over te brengen naar een condensator. Deze kan op zijn beurt deze energie weer razendsnel teruggeven wanneer het systeem moet versnellen. Dit gaat volledig autonoom en dermate snel dat de tussenkringspanning pas daalt, wanneer de condensator leeg is en het systeem energie uit de voeding (accu of lichtnet) moet halen. In concrete cijfers komt er ruim 1 kJ aan kinetische energie vrij bij één pick & place cyclus; dus twee versnellingen en twee vertragingen. Bij snelheden tot 90 cycli per minuut levert dit aanzienlijke energiebesparingen op.

Met de keuze voor de PxtFX profiteert het bedrijf tevens van enkele bijkomende voordelen. De lage warmteontwikkeling maakt de cobot bijvoorbeeld ook inzetbaar in de voedingsmiddelen-, cosmetische en farmaceutische industrie. Ook zijn er geen hete componenten zoals remweerstanden. Verder is de belasting op de aandrijfelektronica lager door een gecontroleerd en beheerst spanningsprofiel, wat de levensduur ten goede komt. En niet te vergeten kan de condensator kortstondig fungeren als UPS wanneer zich kleine netstoringen voordoen. De cobot valt dan niet uit, maar kan gewoon – razendsnel – doorgaan met zijn werkzaamheden.

Tot slot: het energiemanagementsysteem is compact en betrouwbaar en hiermee geschikt voor industriële toepassingen waaraan hoge eisen worden gesteld. Om de betrouwbaarheid verder te verhogen, zijn de Pxt oplossingen uit te rusten met permanente capaciteitsbewaking van opslagcondensatoren. Deze ‘predictive maintenance’ functie waarschuwt wanneer een vooraf gedefinieerde minimale capaciteitswaarde wordt bereikt. Er is dan voldoende tijd om onderhoud uit te voeren en de applicatie op volle sterkte te blijven benutten.