Celluveyor ‒ Omnidirektionale zellulare Fördertechnik

Die grundlegende Aufgabe von fördertechnischen Systemen in der Intralogistik ist der Transport von Waren. Bei komplexeren Aufgaben, wie Drehen, Sortieren oder Lagenbildung, werden häufig zusätzliche mechanische Komponenten benötigt. Diese reichen von einfachen pneumatischen Zylindern bis hin zu Industrierobotern. Dadurch entstehen hochspezialisierte Anlagen, die konkrete Aufgaben sehr effizient realisieren, jedoch an Flexibilität verlieren und damit zukünftigen Anforderungen, wie bspw. Wandlungsfähigkeit und Skalierbarkeit, nicht mehr gerecht werden. Vor diesem Hintergrund stellt der folgende Beitrag das neuartige und hochflexible Fördersystem Celluveyor vor. Durch eine modulare Bauweise und Systemarchitektur können beliebige Anlagenlayouts generiert und nahezu jede fördertechnische Aufgabe durch ein einfaches Software- update mit einem einzigen Fördersystem realisiert werden.

Neue Herausforderungen in der Intralogistik

Heutzutage müssen sich Logistikunternehmen neuen Herausforderungen stellen. Die Veränderung des Kaufverhaltens der Verbraucher führt zu einem stetig zunehmenden Wachstum des E-Commerce. Die verfügbare Produktvielfalt sowie die Möglichkeit, Waren kostenlos zurücksenden zu können, führen zu einem stark ansteigenden Paketaufkommen. Auf dieses müssen Logistikunternehmen, insbesondere Kurier-, Express- und Paketdienstleister (KEP-Dienstleister), flexibel reagieren können, um den Anforderungen der Kunden gerecht zu werden, die Ware möglichst schnell zu erhalten. Auch Kontraktlogistiker, die die Koordination und Ausführung von logistischen Prozessen für andere Unternehmen übernehmen, stehen diesen Anforderungen gegenüber. Der Trend zur Produktindividualisierung und die immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen erzwingen kurzfristige Änderungen der Produktion und dementsprechend der damit verbundenen logistischen Prozesse.

Eine Änderung dieser Prozesse ist allerdings mit einem erheblichen Aufwand verbunden, da häufig auch eine Änderung des Layouts der Anlagen notwendig ist. Dies reicht von der Verlegung von mehreren hundert bis tausend Meter Fördertechnik, über die Integration neuer Komponenten bis hin zu einer kompletten Neugestaltung und Programmierung der Fördertechnik für den Transport der Waren. Gewöhnliche Fördertechnik zeichnet sich dadurch aus, dass sie grundsätzlich nur einfache intralogistische Aufgaben erfüllen kann, nämlich Objekte auf einer geraden Linie zu bewegen. Bei komplexeren Aufgaben (z. B. Rotieren, Vereinzeln, Sortieren usw.) muss die Fördertechnik um zusätzliche mechanische Komponenten erweitert werden. Nicht selten müssen ganze Industrieroboter integriert werden, um die im Grunde einfachen Aufgaben zu realisieren (Rotation, Translation der Pakete).

Dadurch wird die Fördertechnik für spezifische Aufgaben hoch effizient, aber auch starrer, unflexibler [1], wartungsunfreundlicher und kostenintensiver. Allerdings sind insbesondere die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit zwei der wichtigsten Eigenschaften zukünftiger Produktions- und Logistiksysteme im Kontext von Industrie 4.0 [2]. Bei Materialflusssystemen stellen sie neben Wartungsfreundlichkeit und Robustheit ein entscheidendes Kaufkriterium dar [3]. Neben technologischen bestehen auch wirtschaftliche Anforderungen an den Erwerb von neuer Fördertechnik. Häufig fordern kurze Vertragslaufzeiten zwischen dem Logistiker und seinen Kunden sowie kurzfristige Änderungen der Auftragslage eine kurze Amortisationszeit für neue Automatisierungs- und Materialflusssysteme.

Es besteht daher ein dringender Bedarf an robuster und hochflexibler Fördertechnik, die in der Lage ist, möglichst viele fördertechnische Funktionalitäten zuverlässig zu erfüllen (sog. Prozessflexibilität [4]) und zusätzlich nach einem modularen Ansatz konzipiert ist [5], sodass ohne großen Aufwand neue Anlagenlayouts konfiguriert werden können (sog. Layoutflexibilität [6]). Zudem sollten möglichst viele unterschiedliche Arten von Gütern transportiert werden können (sog. Fördergutflexibilität [6]) und die Anlage auf eine veränderte Anzahl von zu transportierenden Fördergütern anpassbar sein (sog. Durchsatzflexibilität [6]). Auch sollte der Ausfall einzelner Komponenten bzw. Module der Anlage keinen kompletten Systemausfall verursachen und möglichst durch firmeneigenes Personal reparierbar sein (Wartungsfreundlichkeit). Weitere zu erfüllende Kriterien liegen in der einfachen Integrierbarkeit der Fördertechnik in bestehende Systeme durch Verwendung standardisierter Schnittstellen sowie der Erweiterungsfähigkeit der Förderanlage [7].

Die Entwicklung von flexiblen und anpassbaren Materialflusssystemen ist aktueller Gegenstand der Forschung. So fokussieren viele Arbeiten die Entwicklung dezentraler Materialflusssysteme, um hochflexible fördertechnische Systeme zu gestalten. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung von zellularen, modularen und kleinskaligen fördertechnischen Systemen zum effizienten und flexiblen Fördern von Objekten oder zur Ausführung mehrerer fördertechnischer Aufgaben [8-11].

Der Cellular Conveyor

Der Cellular Conveyor, abgekürzt Celluveyor, ist ein modulares Förder- und Positioniersystem und stellt ein neuartiges Fördertechnikkonzept basierend auf dem Grundkonzept der zellularen Fördertechnik [12] dar. Dieses bietet eine hohe Flexibilität bezogen auf das Layout, die möglichen Anwendungsfelder, das Fördergutspektrum sowie Anpassungen an Durchsatzänderungen. Das vom Bremer Institut für Produktion und Logistik (BIBA) patentierte System besteht aus mehreren kleinen sechseckigen Fördermodulen. Diese sind ihrerseits mit omnidirektionalen Rädern ausgestattet, welche jeweils von einem elektrischen Motor angetrieben werden. Durch die spezielle Anordnung der Räder sowie durch eine gezielte Ansteuerung der einzelnen Antriebe und die Kooperation der Module untereinander können die Objekte unabhängig voneinander auf beliebigen Bahnen bewegt werden.

Bild 1 zeigt ein Modul sowie die Kombination mehrerer Module zu einer Förderanlage.

So wie einzelne Zellen komplette biologische Organismen bilden können, so können die Module des Celluveyor zu beliebigen Layouts zusammengefügt werden. Ohne großen Aufwand entstehen dadurch Förderflächen mit beliebigen Ausmaßen und Geometrien, die universell einsetzbar sind, was in einer hervorragenden Layoutflexibilität resultiert. Durch die Kooperation der einzelnen Module können Objekte über größere Entfernungen frei und unabhängig voneinander bewegt und somit die komplexesten Aufgaben der Materialflusstechnik realisiert werden. Die Gesamtfunktionalität der Anlage kann auf Knopfdruck schnell angepasst werden, z. B. bei Änderung der Auftragslage. Mittels eines einfachen Softwareupdates und ohne mechanische Modifikationen kann der Celluveyor bspw. von einem einfachen Förderer mit Ein- und Ausschleuser zu einem Sorter oder sogar zu einem Infeeder zur Erstellung von Paketlagen mit beliebigen Packmustern für automatische Palettiersysteme umfunktioniert werden. Das einfache Wechseln zwischen Anlagenfunktionalitäten bestätigt die hohe Prozessflexibilität des Celluveyor.

Bild 2 stellt beispielhaft dar, welche Bewegungsmöglichkeiten das System bietet. Zudem können gleichzeitig mehrere Objekte unabhängig voneinander bewegt werden, sodass Materialflüsse parallelisiert werden können.

Die modulare Bauweise bietet zudem den Vorteil einer einfachen Anpassung der Anlage an Veränderungen des Fördergutstroms. Bisher wird eine Anlage, die an ihre Grenzen stößt, durch eine größere oder leistungsfähigere ersetzt oder um eine zweite Anlage erweitert. Ein bestehendes Celluveyor System kann dagegen durch einfaches Hinzufügen (oder Entfernen) von Modulen an den neuen Durchsatz schnell und effizient angepasst werden. Durch die kleinschrittige Anpassungsfähigkeit wird eine hohe Durchsatzflexibilität ermöglicht. Zudem weist das System eine hohe Fördergutflexibilität auf, da Objekte unabhängig von Form und Größe transportiert werden können. Diese müssten beim aktuellen System lediglich mindestens die Größe eines Moduls aufweisen und eine ebene Kontaktfläche besitzen.

Der einfache mechanische Aufbau sowie die Verwendung von Standardkomponenten wirken sich dabei positiv auf die Robustheit aus. Sollte dennoch ein Modul während des Betriebs ausfallen, wird es von der Steuerung erkannt, deaktiviert und von den zu fördernden Objekten umfahren. Dadurch verringert sich zwar der Durchsatz, ein kompletter Ausfall der Anlage wird aber verhindert. Das Ersetzen des defekten Moduls kann in wenigen Minuten durch firmeneigenes Personal durchgeführt und anschließend zur Reparatur versendet werden. Somit wird die Wartungsfreundlichkeit der Anlage verbessert und die Abhängigkeit von der Reaktionsgeschwindigkeit eines Anlagenherstellers im Falle einer Störung minimiert. Weiterhin wird durch das gezielte Aktivieren der Antriebe, die im Kontakt mit dem Fördergut sind, und die geringe Eigenreibung der mechanischen Komponenten eine sehr hohe Energieeffizienz erreicht.

Ein Demonstrator mit einer Förderfläche von 1,4 x 1,6 m bestehend aus 60 Modulen wurde mit der Unterstützung des BMWi SIGNO Programms gebaut. Der Demonstrator verfügt über eine zentrale Industriesteuerung (SPS), die mit jedem einzelnen Modul verkabelt ist. Als Anwendung wurde ein Eckumsetzer mit zusätzlicher Paketrotation realisiert. Bild 3 zeigt den derzeitigen Celluveyor Demonstrator.

Die bestehende Systemkonfiguration ist in der Lage, eine Fördergeschwindigkeit bis zu 0,8 m/s bei gewöhnlichen Paketen (max. 31,5 kg) zu erzielen. Das maximale Paketgewicht ist jedoch von der Anzahl der Räder abhängig, die mit dem Objekt in Kontakt sind. Mit einer maximalen Traglast von 18 kg pro Rad darf z. B. ein 20 cm x 30 cm großes Objekt ein Maximalgewicht von ca. 90 kg aufweisen. Ein 40 cm x 50 cm Objekt dürfte dementsprechend theoretisch maximal 270 kg wiegen. Durch die Verwendung leistungsfähigerer Motoren sowie anderer Räder kann der Celluveyor noch höhere Geschwindigkeiten realisieren und schwerere Lasten transportieren.

Das Steuerungskonzept

Die momentane Steuerungssoftware besteht aus je einem Modul für die fördertechnische Anwendung, die Bahnplanung und die Berechnung der Antriebsparameter. Die Steuerungsarchitektur ist schematisch in Bild 4 dargestellt. Das Anwendungsmodul beinhaltet die Logik der durchzuführenden fördertechnischen Aufgabe. Innerhalb des Bahnplanungsmoduls können manuell eine Start- und Endposition sowie -orientierung eines Pakets auf dem Fördertisch bestimmt und eventuelle Hindernisse festlegt werden. Anschließend wird eine Trajektorie zum Erreichen der Zielposition und -orientierung durch das Bahnplanungsmodul berechnet. Zudem ist es möglich, manuell vorprogrammierte und gespeicherte Trajektorien auszuführen.

Das Modul zur Berechnung der Antriebsparameter bestimmt anhand der errechneten Trajektorie die Geschwindigkeiten der einzelnen Motoren. Weiterhin wurde ein Übertragungsprotokoll für die Kommunikation zwischen dem PC, auf dem die drei Softwaremodule ausgeführt werden, und der Industriesteuerung implementiert.

Aufgrund der zentralen Architektur der Steuerung kommuniziert jedes einzelne Fördermodul kabelgebunden mit der Steuerung. Es stellte sich jedoch heraus, dass mit einer ausschließlich zentralen SPS-basierten Steuerungslösung die Skalierbarkeit der Anlage und somit die potenziell verfügbare Gesamtflexibilität nicht erreicht werden kann. Trotzdem konnte anhand des Demonstrators das Potenzial und die technische Realisierbarkeit der omnidirektionalen zellularen Fördertechnik nachgewiesen werden. Für eine erfolgreiche Markteinführung des Systems muss die bestehende Anlage jedoch noch weiterentwickelt werden, sowohl auf der mechanischen und Software- als auch auf der Steuerungsebene. Hierbei wird die Entwicklung eines dezentralen Steuerungsansatzes fokussiert.

Fazit

Die Fähigkeit, mehrere Objekte zeitgleich und unabhängig voneinander omnidirektional bewegen zu können, sowie der modulare Aufbau, die hohe Anpassungsfähigkeit des Systems an neue Aufgaben und der geringe Platzbedarf erfüllen zentrale Anforderungen an zukünftige Materialflusssysteme. Der Celluveyor ist aufgrund seiner Eigenschaften und der hohen Flexibilität hervorragend für den Einsatz in der Intralogistik für nahezu alle denkbaren Aufgaben der Fördertechnik geeignet. Die zentrale Steuerungsstrategie war für die Erbringung des Nachweises der grundlegenden technischen Realisierbarkeit des Förderkonzepts ausreichend, wies jedoch einige Limitierungen auf, die in zukünftigen Arbeiten durch die Implementierung einer dezentralen Steuerung umgangen werden sollen. Aktuelle Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten fokussieren neben der Umsetzung eines dezentralen Steuerungsansatzes die Entwicklung eines Feedbacksystems zur Kontrolle der Bewegungen der Objekte auf dem Celluveyor für Positionieraufgaben sowie die Implementierung weiterer fördertechnischer Aufgaben auf dem bestehenden Demonstratorsystem.

Schlüsselwörter:

Zellulare Fördertechnik, Flexibilität, Materialflusssysteme, Omnidirektionalität, Intralogistik

Literatur:

[1] Ten Hompel, M.; Nagel, L.: Zellulare Transportsysteme – Den Dingen Beine machen. In: it – Information Technology 50 (2008) 1, S. 59-65.
[2] Menschen und Güter bewegen – Integrative Entwicklung von Mobilität und Logistik für mehr Lebensqualität und Wohlstand, acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, 2012.
[3] Modern Material Handling: Conveyor and Sortation Survey, 2014.
[4] Chisu, R.: Kommunikations- und Steuerungsstrategien für das Internet der Dinge. Dissertation, Technische Universität München 2010.
[5] Günthner, W.; Tenerowicz-Wirth, P.: Modularisierung und Dezentralisierung in der Intralogistik. In: Industrie Management 27 (2011) 1, S. 25-29.
[6] Handrich, W.: Flurfreie flexible Materialflusstechnik für dynamische Produktionsstrukturen. München 2002.
[7] Wilke, M.: Wandelbare automatisierte Materialflusssysteme für dynamische Produktionsstrukturen. Dissertation, Technische Universität München 2006.
[8] Kirks, T.; Stenzel, J.; Kamagaew, A.; Ten Hompel, M.: Zellulare Transportfahrzeuge für flexible und wandelbare Intralogistiksysteme. In: 8. Fachkolloquium der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik 2012, S. 161-168.
[9] Seibold, Z.; Furmans, K.: Grid-Sorter – Logische Zeit in dezentral gesteuerten Materialflusssystemen. In: Logistics Journal, Proceedings 2014.
[10] Ventz, K.; Hachicha, M. B.; Radosavac, M.; Krühn, T.; Overmeyer, L.: Aufbau hochfunktionaler Intralogistik-Knoten mittels kleinskaliger Module als Cognitive Conveyor. In: Logistics Journal 2012.
[11] Furmans, K.; Mayer, S.; Berbig, D.; Stryja, C.: Entwicklung eines flexiblen Fördersystems auf Basis baugleicher Einzelmodule. In: Abschlussbericht IGF-Forschungsprojekt Nr. 15732.
[12] Ten Hompel, M.: Zellulare Fördertechnik. In: eLogistics Journal 2006, DOI 10.2195/LJ_Not_Ref_d_tenHompel_082006, 2006.

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