Uso de vehículos autoguiados inalámbricos, sin batería para fabricación

Los vehículos autoguiados no son solo para usar en envíos y logística. Cada vez participan más en el transporte principal de las líneas de ensamblaje.  Una tecnología clave que permite a los vehículos autoguiados actuar en el mundo de la fabricación de líneas de producción de servicio pesado es Inductive Power Transfer (IPT®), también denominada energía inalámbrica. Permite a los vehículos autoguiados abandonar la batería y operar constantemente sin necesidad de recarga ni de riesgo de tiempo de inactividad debido a baterías agotadas.

Vehículos autoguiados

Los vehículos autoguiados hace tiempo se usan para entregas y para manipular materiales en aplicaciones de logística y depósitos, donde los vehículos autoguiados clásicos con batería son ideales para operar. Una carga nocturna, por lo general, es suficiente para permitir las operaciones de todo un día de trabajo y, con frecuencia, existen suficientes puntos (y posibilidades) de paradas que brindan oportunidades de cargar. Sin embargo, las exigencias de los ciclos más pesados de producción y las operaciones de la líneas de ensamblaje continuas no brindan fácilmente oportunidades de carga. Los vehículos autoguiados con baterías no han rendido en especial en operaciones de 2 y 3 turnos. El factor principal que limita es la capacidad de almacenar energía de la batería de estos vehículos.

Eliminar la batería

Seguramente, los vehículos autoguiados tienen baterías más grandes, pero eso encarece el costo y aumenta el peso de cada uno y, además, hace falta cargarlas. Eso requiere "tiempo muerto" disponible para cada vehículo que tiene que estar estacionado durante la carga. Otra solución es incorporar otros vehículos autoguiados al sistema y siempre tener uno fuera de línea en una estación de carga, pero eso también implica un costo adicional. Los vehículos autoguiados de las líneas de ensamblaje suelen ser más grandes y más costosos que los de entrega con algunas funciones adicionales como placas de mecanización, elevadores y accesorios. Lograr que los vehículos autoguiados con batería funcionen en un ciclo de producción de dos turnos puede ser un inconveniente. Lograr que funcionen continuamente 3 turnos no es práctico. Pero, si se elimina la batería, el vehículo autoguiado se libera de su limitación energética. El suministro de energía inalámbrica permite a los vehículos autoguiados operar continuamente, sin la necesidad de detenerse a cargar, como si estuvieran "enchufados", pero sin el enchufe.

La comunicación de datos inalámbrica para el control de las máquinas demostró ser sólida y estable incluso en los entornos de fabricación más exigentes, como el automotor. Los datos inalámbricos no solo se usan para controlar y para adquirir datos, sino para controlar las máquinas y la seguridad con varios dispositivos que se evalúan para transmitir señales de seguridad de manera inalámbrica y cumplir con las normas de seguridad. No obstante, el suministro eléctrico inalámbrico permite cortar completamente el cordón para que el vehículo autoguiado opere de manera automática e indefinida.

Funcionamiento de la línea de ensamblaje

Una ventaja de los vehículos autoguiados de logística es la capacidad de trasladarse libremente largas distancias en un depósito o un piso de fábrica. Sus recorridos son flexibles. Por lo general, una pequeña cantidad de vehículos autoguiados cubren distancias relativamente grandes para entregar materiales de un lugar a otro. El almacenamiento de energía incorporado en forma de batería es ideal para esta aplicación. Los vehículos autoguiados de producción o de línea de ensamblaje, por otra parte, suelen tener recorridos más definidos debido a que necesitan conectarse con estaciones de trabajo de mecanización o definidas y, además, con frecuencia se conectan con otras cintas transportadoras como sistemas monorriel electrificados y power-and-free.

Asimismo, existe una cantidad mayor de vehículos autoguiados en las líneas de ensamblaje y las rutas suelen ser más cortas. Por eso existe mayor densidad de vehículos autoguiados en las líneas e ensamblaje y siempre están yendo y viniendo. Estas características distintivas de los vehículos autoguiados de líneas de ensamblaje establecen exigencias únicas al sistema de suministro eléctrico para las cintas transportadoras, que la energía inalámbrica puede satisfacer.

Los vehículos autoguiados ofrecen muchas ventajas como una cinta transportadora para líneas de ensamblaje en comparación con las más tradicionales como las cintas transportadoras de cadena. Algunas de las funciones clave son:

1. Operativas Los vehículos autoguiados ofrecen las ventajas de ser más ecológicos, producir menos ruido, más sostenibilidad, un entorno de trabajo más seguro, mejor acceso para los operadores al producto y mayor capacidad de carga. La cinta transportadora no se interpone con el recorrido del producto. 
2. La instalación de los vehículos autoguiados sin batería es más rápida, menos costosa y menos riesgosa que la instalación de los sistemas de cintas transportadoras de cadena. La instalación no requiere fosos, zanjas, rieles ni acero estructural. La instalación consiste en cortar dos ranuras profundas en el piso de hormigón e insertar cable. Las ranuras se rellenan con epoxi y el suelo queda plano y parejo.
3. El riesgo de la instalación se reduce debido a que todos los vehículos autoguiados se pueden probar y corregir fuera del lugar con anterioridad. Una cinta transportadora tradicional Power and Free o de sistema monorriel electrificado se debe probar y corregir en el lugar (por lo general, durante julio o en un cierre a fin de año) bajo gran presión y con un cronograma ajustado.
4. Los vehículos autoguiados pueden operan en una cantidad de modos distintos, como línea con movimientos regulares o con movimientos constantes. Incluso brindan la flexibilidad para operar de manera diferente en distintas zonas, cambiar velocidades, espacios de movimientos regulares y lugares de paradas que se basan en los vehículos autoguiados y el producto que transportan. Todo esto se puede configurar con un software sin ningún cambio de elemento físico.
5. Entre las ventajas financieras de los vehículos autoguiados se encuentra el hecho de que la inversión es portátil. En comparación con una cinta transportadora tradicional en la que el transporte es en un 75% a 80% por infraestructura, en los vehículos autoguiados sin batería solo los cables con suministro eléctrico inalámbrico en el piso están conectados al edificio. Alrededor del 90% de la inversión de capital se puede reubicar fácilmente. La inversión se puede ampliar. Es fácil introducir más vehículos autoguiados a medida que el crecimiento de la capacidad lo requiere, sin la necesidad de una inversión con capacidad a gran escala desde el comienzo. La inversión es flexible. Ampliar o modificar el transporte para adaptar distintas configuraciones y productos se logra fácilmente al cambiar la cantidad de vehículos autoguiados, sus recorridos y las herramientas. Por el contrario, una cinta transportadora típica de cadena se debería reemplazar casi por completo.
6. El mantenimiento y el tiempo de inactividad relacionado con los vehículos autoguiados sin batería es significativamente menor, lo que ocasiona un aprovechamiento mejor de los equipos, y la reducción de la mano de obra de mantenimiento y los costos de los materiales.
7. Se logra una mayor sostenibilidad con los vehículos autoguiados inalámbricos debido a que no requieren baterías y necesitan menos materias primas que las cintas transportadoras de cadena. Además, no requiere productos químicos tóxicos para el mantenimiento más que la lubricación ocasional de las ruedas.

Energía y potencia

La energía eléctrica se basa en el consumo energético por el tiempo de la unidad (E=P*t). El consumo de potencia es de 1 kilovatio por hora, que es equivalente al consumo energético de 1 kilovatio-hora (kWh). El inconveniente principal de las baterías de los vehículos autoguiados es la energía, no la potencia. ¿Hay suficiente energía en las baterías para mantener al vehículo autoguiado funcionando todo el día? En lugar de si la batería es lo suficientemente potente para manejar la carga más pesada. Cuando las baterías se eliminan de los vehículos autoguiados y se alimenta de manera inalámbrica del piso, entonces la atención pasa a ser la potencia. Por ejemplo, ¿cuál es la potencia máxima que se requiere para acelerar el vehículo autoguiado completamente cargado? y ¿los captores de energía inductiva tienen el tamaño adecuado? Para los vehículos autoguiados que funcionan con baterías, la atención es dotar al vehículo autoguiado con la energía suficiente para mantener el consumo de potencia promedio durante la cantidad requerida de horas operativas. Cuando se diseñan vehículos autoguiados sin baterías, la atención está en suministrar a los vehículos autoguiados la suficiente capacidad de potencia máxima para manejar la carga más pesada a la mayor velocidad.

Por lo tanto, cuando se dimensionan sistemas de energía inalámbrica, se presta mucha atención a los requisitos de energía eléctrica, no solo de cada vehículo autoguiado, sino del sistema en general. Existe una gran diferencia entre una línea de ensamblaje de detención-inicio asíncronica (estación de trabajo), una de movimiento continuo y una de movimiento regular asíncronica. La línea de ensamblaje de movimiento regular sincronizado, por lo general, tiene el mayor requisito de potencia debido a que todos los vehículos autoguiados aceleran simultáneamente, mientras que la detención-inicio asincrónico por lo general tiene un menor requisito de potencia del sistema debido a que solo pocos vehículos autoguiados se desplazan.

De manera que cuando se dimensiona un sistema de IPT®, se deben considerar los requisitos de potencia máxima y promedio de los vehículos autoguiados individuales y también los requisitos de potencia máxima y promedio del sistema combinado, a la vez que se tiene en cuenta el factor del ciclo de servicio y simultáneo del vehículo autoguiado.

Inductive Power Transfer (IPT®)

La tecnología Inductive Power Transfer (IPT®) está disponible comercialmente desde la década de 1990. Puede transmitir energía en el rango de kW. El principio básico es la misma forma de inducción electromagnética que usan los transformadores convencionales. Sin embargo, en este caso en lugar de bobinas bobinadas de manera ajustada (y conectadas estrechamente) en un núcleo magnético compartido, los bobinados principal y secundario están separados y se pueden mover entre sí. Sin embargo, una corriente alterna del conductor principal induce una corriente alterna del secundario con el que está (no obstante suelto) conectado por un campo magnético. Para hacer práctico este proceso, se aumenta la frecuencia operativa a 20 kHz. Esto reduce el tamaño de los componentes ya que aumenta la densidad energética en relación con la frecuencia, de la misma manera que un avión usa una frecuencia de 400 Hz para poder reducir el tamaño (y el peso) de los equipos eléctricos. Además, IPT utiliza bobinas resonantes modificadas para mejorar la conexión.

A diferencia de las creencias populares, los sistemas energéticos inductivos conectados de manera ligera son más eficientes que los sistemas alimentados por baterías. La eficiencia de las conexiones inductivas entre el primario y el secundario de un sistema IPT®está dentro del orden del 96%. Eso es mucho mejor que las baterías que, por lo general, solo pueden devolver el 80% de la carga de energía aplicada.

Resumen/Conclusiones

Las cintas transportadoras de cadena ya están presentes hace más de un siglo. Los primeros sistemas que se utilizaban en la producción masiva de automóviles eran cintas transportadoras de cadena. Es muy difícil que las cintas transportadoras de cadena desaparezcan por completo de la fabricación automotriz a corto plazo.

Los vehículos autoguiados con batería se usan hace muchos años, sin embargo, principalmente en el manejo de materiales en lugar del transporte de líneas de ensamblaje. Las limitaciones inducidas por las baterías (vida útil de las baterías, carga, desecho, infraestructura necesaria) las hace menos atractivas para las aplicaciones de líneas de ensamblaje.

Los vehículos autoguiados sin baterías, que se alimentan y controlan completamente de manera inalámbrica funcionan indefinida y sostenidamente con un mantenimiento mínimo y menor riesgo de tiempo de inactividad. Esto, sumado a la flexibilidad inherente del sistema, el costo y el riesgo reducido de instalación significan que lograron la aceptación para el transporte de líneas de ensamblaje, incluso en la aplicación automotriz más crítica: la línea de unión (del chasis con la carrocería). 

Los vehículos autoguiados sin batería se ganaron su lugar en el transporte de líneas de ensamblaje ya que ofrecen un buen retorno de la inversión con un costo total de propiedad bajo.

Conductix-Wampfler desea agradecer a RedViking por brindar una gran parte de la información de fondo y las fotografías de las aplicaciones de este artículo.