Prototyp eines Seilroboter-basierten Hochregallagers an der Universität Duisburg-Essen (Foto: Beckhoff) 
Hochregallager neu erfunden

Bei Hochregallagern mit automatischen Regalbediengeräten ist der Nutzlastanteil im Verhältnis zur bewegten Gesamtmasse sehr gering. Im Rahmen des Projekts „Effizienz Cluster Logistik Ruhr” haben Forscher der Universität Duisburg-Essen dieses Missverhältnis mithilfe paralleler Seilroboter beseitigt. 

Im Bereich der Intralogistik ist es heutzutage üblich, automatische Regalbediengeräte (RBG) einzusetzen. Sie positionieren mittels einer Fahreinheit auf einer Schiene sowie einer Hubeinheit eine Ein-/ Auslagervorrichtung vor dem Hochregal, um gezielt Güter ein- und auszulagern.

 

Aktuelle RBG bewegen dabei zur Beförderung von Kleinteilen mit nur 20 bis 50 Kilogramm Nutzlast die Masse von 1 bis 2 Tonnen für Fahrwerk, Mast und Hubeinheit. Um dies zu vermeiden, ersetzt nun eine Leichtbauplattform mit integrierter Ein-/Auslagereinrichtung die komplette Fahr- und Hubeinheit. Diese Plattform wird als sogenannter paralleler Seilroboter mit acht verspannten Seilen vor dem Hochregal bewegt. Ergebnis ist ein mechanisch einfaches und extrem leichtes System, das überdies in verschiedensten Größen und ohne die bei traditionellen Hochregallagern zu beachtende massebedingte Höhenbegrenzung aufgebaut werden kann.

 

Hohes Energieeinspar- und Leistungspotenzial


Die signifikante Massereduktion der Seilrobotertechnik gegenüber der konventionellen Technik von über 90 Prozent führt zu enormen Leistungssteigerungen bei gleichzeitig sehr guter Energiebilanz. Umgesetzt wurde dies bereits im Jahr 2012 an der Universität Duisburg-Essen und zwar mit einem 6 Meter hohen, 12 Meter breiten und 1 Meter tiefen Prototyp. Realisiert haben ihn die beiden Lehrstühle für Mechatronik beziehungsweise für Transportsysteme und -logistik sowie der Lehrstuhl für Rechnereinsatz in der Konstruktion. Das Ergebnis fasst Dr. Tobias Bruckmann vom Lehrstuhl für Mechatronik folgendermaßen zusammen: „Wir haben ein extrem verbessertes Masseverhältnis erreicht. Denn der nur rund 80 Kilogramm schwere zu bewegende Endeffektor – die Leichtbauplattform mit der Ein-/Auslagereinrichtung – kann bis zu 20 Kilogramm Nutzlast aufnehmen. Eine Modellrechnung, basierend auf einem einfachen Modell und idealisierten Annahmen, hat einen um 70 Prozent reduzierten Energieverbrauch gegenüber einem konventionellen Regalbediengerät ergeben.“


Hinsichtlich der erreichbaren Umschlagleistung besteht ebenfalls ein großes Optimierungspotenzial. Als Auslegungsgrundlage bei Projektstart dienten typische RBG-Werte, das heißt eine Plattform-Geschwindigkeit von 6 m/s und 5 m/s2 Plattform-Beschleunigung. Dazu ergänzt Christian Sturm, ebenfalls vom Lehrstuhl für Mechatronik: „Um diese Werte zu erreichen, sind Windenantriebe mit 7 Kilowatt Leistung erforderlich. Bei unserem Prototyp setzen wir sogar 14-Kilowatt-Antriebe ein, sodass deutlich höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen möglich sind. Zumal die stärkeren und damit schwereren Antriebe nicht wie beim klassischen Regalbediengerät mitbewegt werden müssen, ihre höhere Masse also keinen negativen Einfluss hat.“

 

Leistungsfähige Steuerungstechnik


Um das System sicher betreiben zu können, müssen an das Steuerungssystem höchste Ansprüche gestellt werden. Dazu sind acht Servoantriebe synchron anzusteuern sowie zeitgleich Kraftsensoren und Winkelencoder für alle acht Seile auszulesen. Diese Messwerte liefern die Daten für eine modellbasierte Regelung, die nach einer leistungsfähigen Echtzeitplattform verlangt. Hierzu ergänzt Dr. Tobias Bruckmann: „Da diese Regelung in Matlab/Simulink implementiert wurde, stellte die Automatisierungssuite TwinCAT 3 von Beckhoff für unsere Forschungsgruppe eine ideale leistungsfähige und erschwingliche Lösung dar. Statt prototypischer Regelsysteme für den akademischen Einsatz konnte so auf breiter Front auf bewährte Standardkomponenten zurückgegriffen werden.“ Ein entscheidender Vorteil des Steuerungssystems ist zudem seine Industrietauglichkeit. Damit stellt sie die ideale Basis dar, um weiter am eigentlichen Forschungsschwerpunkt – den Regelalgorithmen – arbeiten zu können. Dies bestätigt auch Dr. Tobias Bruckmann: „Anstatt dezentraler Regler für Antriebe und Plattform benötigen wir nur einen zentralen Echtzeit- PC mit breitem Datenbus. Und es spielt keine Rolle, ob wir Messwerte nur einen Meter weit oder zwanzig Meter bis zur Plattform übertragen müssen. Bei früheren Prototypen waren gerade die Datenerfassung und die Motoransteuerung über große Distanzen ziemlich aufwändig. Wir waren überrascht, wie einfach die Inbetriebnahme nun bei unserem neuen, großen Prototyp war.“ Und ein weiterer Faktor komme hinzu: „Die Beckhoff-Technik spielt auch im Hinblick auf die praktische Anwendung, also die Serienfertigung, eine große Rolle. Denn einerseits können wir die gewohnte Matlab/ Simulink-Welt nutzen, andererseits stehen dem Anwender uneingeschränkt seine IEC- 61131-3-Sprachen zur Verfügung. Dank dieser Durchgängigkeit muss im späteren Praxisbetrieb beispielsweise für das Ergänzen der Sicherheitsfunktionalität kein zweites Steuerungssystem eingebunden werden.“

 

Pluspunkt – Offenheit von TwinCAT 3


Als großer Meilenstein sehen die Forscher die einfache Kopplung von Matlab/Simulink mit TwinCAT 3, denn erst damit konnten sie aus ihrem wissenschaftlichen Arbeitsfeld heraus ganz einfach auf ein industrietaugliches System zugreifen. Zudem ließ sich mit TwinCAT 3 und EtherCAT die ganze Hardware-Ebene sehr einfach strukturiert und modular aufbauen. Christian Sturm erklärt: „Alle am EtherCAT-System hängenden Komponenten werden als Hardware-Abbild unter TwinCAT 3 dargestellt, sodass sich sämtliche Teilnehmer ohne großen Aufwand über die Kommunikation mit unserem Softwaremodul zur Steuerung koppeln lassen. Außerdem kann das System dank der EtherCAT-Basis einfach und vor allen Dingen kostengünstig z. B. mit weiteren I/OModulen ausgebaut werden – verglichen mit unseren herkömmlichen Systemen zu einem Bruchteil der Kosten.“


Potenzial für zukünftige Weiterentwicklungen bietet TwinCAT 3 ebenfalls. So ist die Unterstützung der Multicore-Technologie insbesondere im Hinblick auf die industrielle Anwendung von Bedeutung, da sich hierfür notwendige Aufgaben, wie Lagerverwaltung und Sicherheitskonzeption, bei Bedarf einfach auf eigene Prozessorkerne auslagern lassen. Hinzu kommt die Offenheit durch die Einbindung in Visual Studio, was aus Sicht von Dr. Tobias Bruckmann sehr reizvoll ist. Die akademischen Anwender würden bereitwillig diese neue Programmiertechnik nutzen, um ein komplettes Projekt von der Echtzeitprogrammierung bis hin zur Visualisierung in Visual Studio zu erstellen. Der nächste Schritt für das Projekt Seilroboter sei es, auch in C/C++ geschriebene Softwareblöcke zu integrieren und so auf andere Hardwareschnittstellen, beispielsweise die eines Kamerasystems, zugreifen zu können.

www.beckhoff.de

 

Beitrag aus dhf 12.2014

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