Forschung Die flexible Intralogistik von morgen ist intelligent

Autor / Redakteur: Heiko Stichweh und Matthias Theßeling / M. A. Benedikt Hofmann

Dass Produktionsmaschinen im Zuge von Industrie 4.0 immer flexibler werden, ist bekannt. Auch der horizontale Materialfluss wird jetzt neu gedacht. In Niedersachsen arbeiten eine Hochschule und die Wirtschaft an einer Lösung, die die kognitiven Fähigkeiten von Menschen auf Produktionssysteme überträgt und die Intralogistik verändert.

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Die Fördermatrix besteht aus vielen kleinskaligen Fördermodulen, die in der Lage sind, miteinander zu interagieren und unabhängig voneinander Förder- und Schwenkbewegungen durchführen können.
Die Fördermatrix besteht aus vielen kleinskaligen Fördermodulen, die in der Lage sind, miteinander zu interagieren und unabhängig voneinander Förder- und Schwenkbewegungen durchführen können.
(Bild: Transnorm)

In der Industrie ist es gang und gäbe, dass Produktionssysteme miteinander verkettet werden. Das gewährleistet der Produktion eine hohe Effizienz und Produktivität. Der Haken an diesen Systemen ist aber: Fällt nur eine Komponente des Gesamtsystems aus, steht die komplette Anlage still und es kommt zu teuren Stillstandszeiten in der Produktion. Zudem können nachträgliche Veränderungen des Materialflusslayouts nur mit teuren und langwierigen Aufwänden umgesetzt werden. Vor diesem Hintergrund müssen zukünftige Materialflusssysteme flexibel auf Änderungen und Ausfälle reagieren können und durchgängig vernetzt sein, um wettbewerbsfähig produzieren zu können.

Durch neue technische Möglichkeiten, die im Zuge der 4. industriellen Revolution entstehen, werden sich in den nächsten Jahrzehnten die Produktions- und Logistikprozesse verändern. Vernetzte Maschinen, Lagersysteme, Produkte und Betriebsmittel verschmelzen zu Cyber-Physical Systems (CPS), was zu einer völlig neuen Produktionslogik führt.

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Durchgängige Vernetzung der Förder- und Produktionsmittel

Gerade im horizontalen Materialfluss können zentral gesteuerte, unflexible Lösungen bald der Vergangenheit angehören, weil in der Zukunft Fördergüter selbstständig ihren Weg durch die Produktion finden. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt „vernetzte, kognitive Produktionssysteme“ (Netkops) wird ein solches neuartiges, dezentral gesteuertes Materialflusssystem für die Produktion und Intralogistik entwickelt. An diesem Ziel arbeiten das Institut für Integrierte Produktion in Hannover (IPH) und das Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Uni Hannover gemeinsam mit den Projektpartnern Continental, Dream Chip, Gigatronik, ITA, Transnorm und Lenze als Spezialisten für Motion Centric Automation.

Grundlage des Materialflusssystems, das im Rahmen des Netkops-Projekts entsteht, ist die durchgängige Vernetzung der Förder- und Produktionsmittel, die einen parallelen Fluss von Material und Informationen ermöglicht. Die Aufgabe der Materialflusssteuerung wird durch ein neuartiges Produktrouting realisiert, das dezentral in jedem Förderelement als integrierte Steuerung vorhanden ist und – im Austausch mit seinen jeweiligen Nachbarn – die Routenplanung der einzelnen Fördergüter durchführt. Eine übergeordnete, zentrale Materialflusssteuerung ist nicht notwendig.

Flexibler Materialtransport durch die Fördermatrix

Gemeinsam mit der Routenplanung und der Vernetzung beziehungsweise Datenkommunikation ist die entscheidungsfähige Fördermatrix ein Kernelement der cyberphysischen Fördertechnik. Die Fördermatrix besteht aus vielen kleinskaligen Fördermodulen, die in der Lage sind, miteinander zu interagieren, und unabhängig voneinander Förder- und Schwenkbewegungen durchführen können. Die Fördermodule bestehen jeweils aus einem Förderantrieb und einem Schwenkantrieb. Durch das Zusammenspiel mehrerer Fördermodule in einem Matrixverbund ist es möglich, eine lokale Entscheidungsfindung und ein situationsabhängiges Routing für den reibungslosen Materialfluss zu realisieren. Dadurch ergeben sich neue intralogistische Freiheitsgrade auf der Fördermatrix, die neben einem Transportieren, Ein- und Ausschleusen auch ein Drehen, Ausrichten, Stauen, Vereinzeln, Zusammenführen, Sequenzieren oder Speichern von Fördergütern ermöglicht. Im Forschungsprojekt werden sowohl Routenplanung als auch die Vernetzung beziehungsweise Datenkommunikation sowie die Entwicklung eines neuartigen Antriebssystems und die Realisierung und Validierung umgesetzt.

Aus der Umsetzung der intralogistischen Funktionen und der wirtschaftlichen Verwert- oder Realisierbarkeit der Fördermatrix resultieren hohe Anforderungen an die Aktoren beziehungsweise Antriebs- und Steuerungstechnik der einzelnen Fördermodule. Der begrenzte Platz führt dazu, dass hoch integrierte Antriebskonzepte mit hoher Leistungsdichte und hoher Effizienz zur Begrenzung des Verlustwärmeeintrags (Motoren und Umrichter) notwendig sind. Selbstverständlich müssen die Antriebe zudem auch die technischen Voraussetzungen erfüllen, um die intralogistischen Funktionen präzise ausführen zu können. Dazu gehören sowohl ein dynamischer, drehzahlsynchroner Betrieb mehrerer Förderantriebe (zum Beispiel beim Fördern oder Sequenzieren) als auch ein exaktes Ausrichten/Positionieren der Schwenkantriebe (zum Beispiel beim Drehen). Aufgrund der vielen einzelnen Fördermodule dürfen diese zudem nicht zu kostenintensiv sein, um das System wirtschaftlich betreiben zu können.

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Kompakter Direktantrieb mit sehr hoher Leistungsdichte

Angelehnt an das Basisprinzip eines Verniermotors wurde beim Prototypen des neu entwickelten Förderantriebs der Motor des Förderkonzepts weiterentwickelt. Die Technologie ermöglicht ein hohes Drehmoment auch bei niedrigen Drehzahlen und erfüllt somit ideal die Anforderungen der Fördertechnik. Auf ein Getriebe kann gänzlich verzichtet werden. Der Motor ist darüber hinaus als Außenläufer ausgeführt, bei dem die mittlere Achse steht und die rotatorische Energie direkt über die drehende Außenhülle des Motors auf das Transportgut übertragen werden kann. Diese und weitere konstruktive Besonderheiten, wie zum Beispiel ein spezielles Design für eine gute geberlose Regel- und Beobachtbarkeit, führen zu einem kompakten Direktantrieb mit sehr hoher Leistungsdichte, hoher Überlastfähigkeit und einer guten Energieeffizienz.

Gespeist wird der Motor durch einen ebenfalls neuen Umrichter beziehungsweise Wechselrichter, der ins untere Teil des Fördermoduls integriert ist. Eine spezielle geberlose Regelung des Motors ersetzt den Einsatz eines Dreh- und Lagesensors, der durch seinen Preis nicht nur die Wirtschaftlichkeit aufs Spiel setzen würde, sondern darüber hinaus noch zu viel Platz einnimmt und besonders störempfindlich ist. Weiterer Vorteil: Die geberlose Regelung des Motors erfüllt die Anforderungen einer hohen Drehzahlgenauigkeit, Positionierfähigkeit und Dynamik, wodurch die drehzahl- und lagesynchronen Bewegungen mehrerer Module im Verbund ermöglicht werden. Für den Austausch von Informationen sowie für das dezentrale Produktrouting sind die einzelnen Förderantriebe untereinander und mit den an der Fördermatrix angeschlossenen Förderelementen vernetzt. Neben dem Datenaustausch findet auch ein optimierter Energieaustausch statt: Hier kann die Bremsenergie von Transportgütern zur Beschleunigung eines anderen direkt weiterverwendet werden. Durch den Verzicht auf Getriebe und Geber und durch das neuartige Design des Motors und des Wechselrichters können die Systemkosten signifikant reduziert werden, sodass die Vision eines wirtschaftlichen Betriebs einer Fördermatrix in greifbare Nähe rückt. ■

* Heiko Stichweh, disziplinarischer Leiter des Bereichs Innovation und Matthias Theßeling Doktorand bei der Lenze SE in 31763 Hameln, Tel. (0 51 54) 82-0, sales.de@lenze.com

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