Beim Bau von Flugzeugen, Windkraftanlagen oder Schienenfahrzeugen können Bauteile und Fertigungswerkzeuge bis zu 100 Tonnen wiegen. Trotz des hohen Gewichts und der bisweilen großen Ausmaße müssen diese Traglasten etwa innerhalb einer Produktionshalle flexibel transportiert und präzise manövriert werden können. Für den innerbetrieblichen Transport setzen Herstellerfirmen neben Krantechnologien mobile Plattformen ein, die zu den Schwerlastfahrzeugen zählen. Diese ermöglichen die Beförderung der kaum transportablen Lasten in der Ebene, ohne dass die Fertigungshallen baulich angepasst werden müssen, wie es bei Krananlagen der Fall wäre. Die mobilen Plattformen lassen sich zudem zwischen den verschiedenen Arbeitspositionen und Arbeitsplätzen genau und flexibel in jede Richtung bewegen. Auf diese Weise reduziert sich der Flächenbedarf für logistische Prozesse und es wird mehr Platz für die Produktionsfläche gewonnen.
Das Plattform-Konzept OmniMove von Kuka zeichnet sich durch die ideale Manövrierbarkeit von Schwerlasten in jede Richtung sowie durch die Rotation um sich selbst aus. „Mit dem OmniMove können schwere Teile auf kleinstem Raum sehr genau bewegt werden – mit einer Flexibilität von 360° und einer Positioniergenauigkeit von ±2 Millimeter“, erläutert Paul Wyszynski, Entwickler bei der Kuka Roboter GmbH. „In der Variante einer Hebeplattform bewegt sich der OmniMove selbst im gehobenen Zustand im Millimeterbereich und wird beispielsweise beim Lackieren von Flugzeugen benutzt.“ Für den Transport von Gasturbinen in der Größe eines Einfamilienhauses ist die mobile Plattform ebenso im Einsatz und befördert die Turbine zwischen den einzelnen Produktionsbereichen oder in den Testbereich. Das frei skalierbare, modulare Plattform-System lässt sich in Größe, Breite und Länge variieren und mit weiteren Fahrzeugen zur Tandem- oder Tridem-Konfiguration zusammenstellen. So können auch Lasten wie die eines kompletten Flugzeugrumpfes transportiert werden. Die Bedienung erfolgt über Fernbedienung, optische Spurführung oder komplett autonom mit Laserscannern.
Präzise messen, hoher Nutzungsgrad
Das elektrische Antriebskonzept des OmniMove verfügt über einen hohen Wirkungsgrad bei leisem und langem Betrieb. So erreicht das Modell KoM UTV-2 E375 beispielsweise eine Mindest- Betriebsdauer von vier Stunden. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ist es von Bedeutung, dass die vorhandene Energie eines Schwerlastfahrzeugs permanent effizient genutzt werden kann. Daher sind die serienmäßig eingesetzten Blei-Gel-Batterien mit Strom- und Spannungssensoren auf Basis von Sensormodulen der Isabellenhütte ausgestattet, die als führend im Bereich der shuntbasierten Strom-Messtechnik gelten.
Fundierte Aussagen über die Funktionalität einer Batterie wie Ladezustand (state of charge), Gesundheitszustand (state of health) oder die Fähigkeit der Batterie, eine bestimmte Anforderung wie die Startfähigkeit zu erfüllen (state of function), sind nur mit einer möglichst genauen Bestimmung von Strom und Spannung möglich. „Auf Basis dieser Messwerte kann der Energiefluss in der Batterie kontrolliert erfolgen, können Ladezeiten und Ladezyklen optimiert werden und sich schließlich die Lebensdauer der Batterie verlängern“, bestätigt Jens Hartmann, Sales Director ISAscale bei Isabellenhütte. Der hohe Nutzungsgrad der OmniMove-Batterien wird über eine präzise Messung der Batteriekapazität erreicht.
Für die Messung von Strom- und Spannungswerten in den OmniMove-Fahrzeugen nutzt Kuka „IVT Modular“. Dieses praxiserprobte IVT-Sensormodul hat die Isabellenhütte für die Möglichkeit der individuellen Konfiguration mit frei wählbaren Modulen weiterentwickelt. So kann es nach Kundenanforderung kurzfristig angepasst werden. „Die Standardisierung der modularen Funktionalitäten spart Zeit bei der Herstellung der vom Kunden individuell gewählten Sensormodule“, erläutert Jens Hartmann. „Dies wirkt sich günstig auf die Entwicklungskosten aus.“
CAN-Schnittstelle hat überzeugt
Wählbar sind die Komponenten Isolation, Überstromerkennung, Hardware- und Software-Trigger, Strommessbereich, Spannungsmesskanäle, Schnittstellen sowie Eingangsspannung. Hinsichtlich der Eingangsspannung ist das IVT Modular bei geregelter Versorgung mit 5 V oder bei ungeregelter Versorgung mit 5 bis 16 V oder 9 bis 40 V zu konfigurieren. Für hohe Spannungen von bis zu 800 V ist eine galvanisch getrennte Isolation möglich. Ebenso wählbar ist ein Hardware-Trigger – ein extra Pin, der einen Start der Messreihen durch einen externen Auslöser ermöglicht. Ein zusätzlicher Software-Trigger ist Bestandteil der internen Software und in jedem Modul implementiert. Es gibt fünf abgestufte Strommessbereiche ausgehend von ±100 A bei einer Auflösung von 3 mA und bis ± 2.500 A bei 186 mA Auflösung. Das IVT Modular verfügt über drei Spannungsmesskanäle für einen Messbereich bis 800 V. Die drei Spannungseingänge können so konfiguriert werden, dass sie drei weitere Potentiale im System überwachen können.
Ausschlaggebend für den Einsatz des IVT Modular im Batteriesystem der mobilen Kuka-Plattformen war vorwiegend die Konfigurationsmöglichkeit mit CAN-Schnittstelle. „Vor den Isabellenhütte-Sensormodulen setzten wir Sensoren ein, die nur über eine serielle Schnittstelle verfügten. Das machte die Auswertung der Daten aufwändiger, da die Auswertegeräte hierfür sehr stark angepasst werden mussten“, so Paul Wyszynski. Eine weitere Funktionalität des IVT ist die Überspannungserkennung für positive als auch negative Ströme, die z. B. beim Laden oder Entladen der Batterien fließen. Der Schwellenwert und eine Hysterese sind über die Software einstellbar.
„Bei der Entscheidung für die Isabellenhütte war uns außerdem wichtig, einen Sensor zu bekommen, der überaus exakt misst“, ergänzt der Entwickler. Vor dem Einsatz des IVT Modular erfolgte die Strommessung auf Basis von Hall-Sensoren mit einer Genauigkeit von nicht mehr als 1 Ampere. Die Messwerterfassung mithilfe des Sensormoduls basiert dagegen auf Shunt-Technologie und hat den Vorteil, dass die Genauigkeit für die Strom- und Spannungsmessung über den gesamten potentiell auftretenden Temperaturbereich und unter allen umwelttechnischen Bedingungen sehr hoch ist. Die initiale Messgenauigkeit des IVT liegt bei 0,1 Prozent bzw. bei 0,5 Prozent über den gesamten Temperaturbereich. Bedingt durch extrem niedrige Widerstandswerte von 5 bis 285 μOhm fällt die Verlustleistung entsprechend gering aus. Die Shunts der Isabellenhütte sind im Temperaturbereichen von -40 bis
85 °C nahezu driftfrei und damit von Temperatureinflüssen annähernd unabhängig.
Zusätzlich zu den wählbaren Modulen verfügt das IVT über weitere Features. Mit Hilfe eines Bootloaders kann eine neue Firmware aufgespielt werden, um z. B. neue Funktionalitäten zu erhalten. Die Diagnose gibt Auskunft über den Einsatzbereich des Sensors: Der Sensor speichert während seines Einsatzes z. B. Werte wie maximale Spannung, Strom, Temperatur sowie die Betriebsstunden, die für statistische Auswertungen genutzt werden können.
Alarm bei geringer Kapazität
Die Kuka OmniMove-Fahrzeuge sind seit Implementierung des IVT Modular serienmäßig mit dem Sensormodul ausgestattet. Das Sensormodul sendet zyklisch Strom- und Spannungsdaten zum Hauptrechner über die CAN-Schnittstelle. Der Rechner im OmniMove berechnet alle 100 Millisekunden anhand dieser Daten und der spezifischen Kurven für die Batterien jeweils die Kapazität. Es kann ermittelt werden, ob für die bestehende Aufgabe genug Energie vorhanden ist. „Falls nicht, wird entsprechend reagiert: Ein Alarm am Fahrzeug wird ausgelöst und der Bediener sowie die übergeordnete Steuerung werden informiert“, erläutert Paul Wyszynski.
Dabei werden die ermittelten Daten mit einer eigenen Logik passend für die im OmniMove verwendeten Batterien ausgewertet, da die chemischen Reaktionen innerhalb einer Batterie nie linear, sondern von Variablen wie Umgebungstemperatur, Höhe der Stromentnahme oder Alter der Batterie abhängig sind. Dazu Paul Wyszynski: „Bei unseren OmniMove-Plattformen gibt es pro Antrieb eine Batterieeinheit, die aus acht großen Batterietrögen mit hohen Kapazitäten besteht. Würden in diesen ungenutzte Kapazitäten entstehen, fällt das bei unseren Fahrzeugen stark ins Gewicht. Die exakte Bestimmung des Energieflusses in den Batterien ist für unserer Fahrzeuge demnach essentiell wichtig.“
