Elastokinetische Modellierung und mechatronische Optimierung von Antriebssystemen linear bewegter Fördergeräte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein effizienter und wirtschaftlicher Betrieb linear bewegter Fördergeräte lässt sich auf administrativer Ebene, wie etwa am Beispiel automatisiertes Hochregallager, durch die Verwendung einer geeigneten Lagerorganisation mit den zugehörigen Betriebsstrategien und auf operativer Ebene durch eine an die jeweiligen Systemzustände (Hubhöhe, Beladungszustand etc.) angepasste, optimierte Antriebssteuerung erreichen. Zur technischen Steigerung des Durchsatzes derartiger Geräte, z.B. bei Regalbediengeräten (RBG), gilt es den Zielkonflikt zwischen dem Wunsch nach höherer Dynamik bei gleichzeitiger Reduktion der durch die Dynamik hervorgerufenen Schwingungen der Gerätestruktur zu lösen. Um einen sicheren Lastwechselvorgang zwischen Fördergerät und angrenzenden Lagerstrukturen gewährleisten zu können, werden hierzu bislang neben Geräteberuhigungszeiten konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung der Steifigkeit der Maststruktur eingesetzt. Letzteres wirkt sich aufgrund des damit verbundenen Gewichtszuwachses jedoch wieder negativ auf die Leistung der Geräte aus. Eine Reduzierung der auftretenden Schwingungen ist durch den Einsatz zusätzlicher Aktoren, z.B. an der Mastspitze von Regalbediengeräten, welche synchron mit dem Hauptfahrantrieb arbeiten, möglich. Dies führt jedoch zu zusätzlichem Steuerungs- und Investitionsaufwand. Um bereits im Vorfeld den Einfluss der Gerätedynamik möglichst gering zu halten, werden unter Verwendung von Ruckzeiten (linearer Aufbau der positiven bzw. negativen Beschleunigung) S-förmige-Geschwindigkeitsrampen eingesetzt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, schwingungsoptimale Anfahr- und Bremszeiten in Abhängigkeit des aktuellen Systemzustandes zu ermitteln ([ArSc93], [Schu94], [ArSc96], [OsRe95], [Reis98]). Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden zunächst numerische Trajektorienoptimierungsverfahren für die Antriebskraft unter Verwendung von zeitdiskreten Zeitschaltpunkten sowie eine Parametrierung der Antriebskraft mittels Fourierreihen durchgeführt. Damit lassen sich zeit- und energieoptimale Positioniermanöver mit Nachschwingungsamplituden von wenigen Millimetern erzielen. Festzuhalten ist, dass unter Verwendung von zeitdiskreten Zeitschaltpunkten bereits mit einer Diskretisierungsstufe von lediglich 4 Zeitintervallen Verfahrmanöver mit Nachschwingungsamplituden kleiner als 1 mm erzielt werden können. Die Ergebnisse der numerischen Trajektorienplanung sind zwar überzeugend, haben aber, den Nachteil hoher benötigter Rechenzeiten. Wollte man darauf aufbauend ein Vorsteuerndes Regelungskonzept betreiben, müsste eine umfangreiche Datenbank erstellt werden. Im Hinblick auf einen allgemeingültigen adaptiven Steuerungs- und Regelungsansatz stellen diese Verfahren daher nur eine suboptimale Lösung dar. Dem Problem der langen Rechenzeiten kann durch Verwendung eines analytischen Ansatzes begegnet werden. Hierzu wurde ein Vorsteuergesetz auf Basis des flachheitsbasierten Steuerungsansatzes entwickelt, welches auf die verteilt-parametrische Systemdynamik abgestimmt ist. Mit Hilfe des entworfenen vorsteuernden Regelungskonzeptes ist es möglich bei spielbehafteten Antriebssystemen die verfügbare Antriebsleistung uneingeschränkt nutzen zu können. Damit lassen sich zeitoptimale Trajektorien nahezu in Echtzeit generieren, mit deren Hilfe sowohl nachschwingungsfrei positioniert als auch nachschwingungsfrei auf eine definierte Geschwindigkeit beschleunigt sowie ausgehend von einer definierten Geschwindigkeit nachschwingungsfrei abgebremst werden kann. Durch Abstraktion ist das vorsteuernde Regelungsverfahren allgemein auf einseitig linear aktuierte Systeme übertrag- und anwendbar. Die theoretisch erzielbaren Optimierungsmöglichkeiten werden durch praktische Versuchsergebnisse, gewonnen an realen Versuchsanlagen, gestützt. Das entworfene Steuerungs- und Regelungskonzept wurde sowohl an einem Miniatur-Prüfstand des Lehrstuhls für Angewandte Mechanik (AM) als auch an einer realen Versuchsanlage eines automatischen Kleinteilelagers des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) umgesetzt. In den hierbei durchgeführten praktischen Versuchsdurchführungen wurde eine deutliche Reduzierung der Nachschwingungsamplituden bei gleichzeitiger Reduzierung der Positionierzeiten erzielt. Folgende Anwendungsmöglichkeiten lassen sich daraus ableiten: Durch Implementierung des vorsteuernden Regelungskonzeptes auf einem Embedded System lässt sich eine Addon – Nachrüstlösung für bereits bestehende Anlagen realisieren, mit deren Hilfe der Durchsatz derartiger Geräte deutlich gesteigert werden kann. Eine zusätzliche Leistungssteigerung lässt sich bei der Entwicklung zukünftiger Geräte realisieren. Mit Hilfe des zugrundeliegenden vorsteuernden Regelungskonzeptes ist die konsequente Umsetzung von Leichtbau möglich. Bedingt durch eine Reduzierung der bewegten Massen können dadurch evtl. kleinere Antriebsmotoren bei der gleichen Systemleistung eingesetzt werden. Der Durchsatz einer Anlage, beim Beispiel Regalbediengerät der Durchsatz eines Hochregallagers, hängt neben den technischen Parametern darüber hinaus von organisatorischen Parametern wie etwa der verwendeten Lagerbetriebsstrategie ab. Mit dem entwickelten vorsteuernden Regelungsansatz zeichnet sich das Zeiteinsparpotential, prozentual auf die Fahrtdauer gesehen, im Vergleich zum standardmäßig implementierten S- Rampengenerator besonders im Bereich kurzer Verfahrwege deutlich ab. Darauf aufbauend können neue Lagerbetriebsstrategien entwickelt werden, welche, in Abhängigkeit lagerorganisatorischer Faktoren, z.B. Lagerfüllungsgrad, Belegungs- und Bewegungsstrategien, optimale Auftragsreihenfolgen generieren und somit die Gesamtleistung der Anlage weiter erhöhen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical approaches for residual vibration free positioning of elastic robots. International Conference on Advanced Computational Engineering (ACE 2008), Barcelona, 2008
Bachmayer, M.; Zander, R.; Ulbrich, H.
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FEM, DEM und MKS – unerlässlich bei Entwicklung und Konstruktion. Fachzeitschrift Hebezeuge Fördermittel, Huss-Verlag, Berlin, Ausgabe 9/2007, Seiten 436-437
Blomeyer, N.; Hübner, K.-T.; Schipplick, M.; Günthner, W. A.
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Leistungssteigerung von Regalbediengeräten. VDMA-Informationstag 2007 – Lagertechnik, Perspektiven, Sicherheit; Frankfurt am Main, 2007
Günthner, W. A.; Schipplick, M.; Bachmayer, M.
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Acceleration of linearly actuated elastic robots avoiding residual vibrations. International Conference on Motion and Vibration Control (MOVIC), München, 2008
Bachmayer, M.; Rudolph, J.; Ulbrich, H.
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Digitale Technologien in der Intralogistik. 6th International fair of Logistics and Transport – Intralogistic, Novi Sad, 2008
Schipplick, M.; Kleeberger, M.; Günthner, W. A.
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Flatness based feed forward control for a horizontally moving beam with a point mass. European Conference on Structural Control (ECSC 2008), St. Petersburg, 2008
Bachmayer, M.; Rudolph, J.; Ulbrich, H.
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Increasing rack feeder performance. International Material Handling Research Colloquium 2008 (IMHRC 2008), Dortmund, 2008
Bachmayer, M.; Schipplick, M.; Ulbrich, H.; Günthner, W. A.
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Nachschwingungsfreie Positionierung elastischer Roboter durch numerische und analytische Trajektorienplanung am Beispiel Regalbediengerät. VDE/VDI-Tagung: Elektrisch-mechanische Antriebssysteme – Innovationen – Trends – Mechatronik, Böblingen, 2008
Bachmayer, M.; Schipplick, M.; Thümmel, T.; Kessler, S.; Ulbrich, H.; Günthner, W. A.
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Trajectory planning for linearly actuated elastic Robots using flatness based control theory. 22nd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM2008), Adelaide, 2008
Bachmayer, M.; Ulbrich, H.
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Numerical Approaches for residual vibration free positioning of elastic robot. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Wiley-VCH, Ausgabe 3/2009, Seiten 161-168
Bachmayer, M.; Zander, R.; Ulbrich, H.
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Numerical Study of Flatness Based Motion Planning for a horizontally moving beam with a point mass. International Conference on Mathematical Modelling (Mathmod), Wien, 2009
Bachmayer, M.; Berger, B.; Rudolph, J; Ulbrich, H.
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Schneller ans Ziel - Leistungssteigerung von Regalbediengeräten durch aktive Schwingungsreduktion. Schweizer Logistik Katalog 2009, Binkert Medien AG, Laufenburg, Ausgabe 2009, 34. Jahrgang, Seiten 92-94
Günthner, W. A.; Schipplick, M.
