Antriebstechnik für neue Transferstrukturen im Produktionsprozess

Taxi statt Fließband

In der Intralogistik gelten fahrerlose Transportsysteme (FTS, engl. Automated Guided Vehicle/AGV) als Mittel der Wahl, um in Zeiten von Industrie 4.0 einen flexiblen Transport im Produktionsprozess zu gewährleisten. Die Herausforderungen sind die Fertigung von Produkten mit großer Variantenvielfalt in kleinen Stückzahlen, sich ständig ändernde Produktionsbedingungen oder die Just-In-Time-Bereitstellung unterschiedlicher Einzelteile in der Fertigung. Dank neuer Transferstrukturen können Fertigungsmaschinen und Montagestationen jetzt frei miteinander kombiniert werden. Kleine AGV fahren die Komponenten flexibel durch die Produktion. Zuverlässige Antriebstechnik ist für sie essenziell, denn die fahrerlosen Transportsysteme sind das Kernstück dieser neuen Produktionsprozesse.

Industrie 4.0 ermöglicht es der Fertigungstechnik, individualisierte Produkte bis hin zu Losgröße 1 automatisch herzustellen. Allerdings hat das Fließband-Prinzip hier ausgedient. Für eine individualisierte, aber dennoch automatisierte Fertigung braucht es andere Strukturen, die hohe Flexibilität bei den Abläufen ermöglichen. Das Unternehmen Prolynk mit Sitz im westfranzösischen Avrilleé (Maine-et-Loire) hat deshalb eine adaptive Maschinenplattform entwickelt, in der Fertigungsmaschinen und Montagestationen variabel konfiguriert und die „Fertigungsstraßen“ beliebig verändert bzw. an wechselnde Bedingungen angepasst werden können.

Der Weg ist das Ziel

In einer Produktion, die mit der Prolynk-Technologie ausgestattet ist, absolvieren die Komponenten und Bauteile nicht mehr unterschiedslos eine festgelegte Strecke, stattdessen werden sie „per Taxi“ also mit einem kleinen AGV (Bild 1) durch den Produktionsprozess gefahren. „Das zu bearbeitende Teil wird damit zielsicher zu allen benötigten Stationen transportiert“, erklärt Antonio Sanchez, Chief Commercial Officer von Prolynk. „Die Bearbeitung ist manuell oder durch Roboter dann ganz individuell möglich und der Ablauf trotzdem automatisiert.“

Die AGV gibt es in zwei Größen mit einer Grundfläche von 325 auf 230 und 450 auf 350 Millimeter; die maximale Beladung beträgt je nach Modell zwischen 5 und 35 Kilogramm. Tischförmige Module bilden die physische Grundlage der Fahrzeuge (Bild 2). Sie werden aus standardisierten Platten zusammengesetzt und können in Größe und Form beliebig gestaltet werden. Als Bewegungsfläche dienen einfache Metallplatten. Sie können an bestimmten Stellen mit Fixiereinheiten ausgestattet sein. Bei Fertigungsschritten, die eine hohe Präzision erfordern oder bei denen eine größere Krafteinwirkung ausgeglichen werden muss, halten sie dann Fahrzeug und Komponente in Position. Das Plattenelement kann – ebenso wie das AGV – eine mittige Aussparung haben, sodass eine Bearbeitung auch von unten möglich ist.

Beliebige Reihenfolge der Montagestationen

Über der mittigen Aussparung ist während des Transports zu den einzelnen Montagestationen die zu bearbeitende Komponente befestigt. Dort werden dann manuell oder maschinell zum Beispiel Teile angelötet, Schrauben befestigt, Lasermarkierungen aufgebracht oder Prüfroutinen durchgeführt. Gibt es ein Qualitätsproblem, kann das Fahrzeug gezielt zur Fehlerbehebung geschickt werden. Antonio Sanches ergänzt: „Die zentrale Steuerung kennt jedes AGV und seine Ladung. Sie weiß, welche Bearbeitungsschritte an einem bestimmten Teil und in welcher Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Während sie über WLAN mit dem Prolynk-System kommuniziert, behält die SPS immer die vollständige Kontrolle über die Prozesse.“

Wenn die Bearbeitungsschritte nicht in einer bestimmten Reihenfolge benötigt werden, entsteht ein zusätzlicher Effizienzgewinn: In diesem Fall fährt das AGV zu einer Station, die gerade frei ist. Wartezeiten entfallen, die Auslastung steigt. Ein weiterer Vorteil des Systems kann die Entlastung der Mitarbeiter sein. Komponenten müssen nicht mehr mit Muskelkraft befördert werden. Ständiges Anheben und Absetzen, also Bewegungen mit besonders hohem Potenzial für gesundheitliche Schäden, sind nicht mehr notwendig.

Treibende Kraft der Teile-Taxis

Jedes AGV wird von zwei Rädern angetrieben, die jeweils längsseitig in der Mitte platziert sind. Passive Rollen stützen die Ecken des Fahrzeugs (Bild 2). Wenn sich die Antriebsräder gegenläufig bewegen, dreht das Fahrzeug auf der Stelle, in der Regel im 90-Grad-Winkel. So kann es mit einer Vierteldrehung zu einer Station abbiegen oder mit zwei Drehbewegungen zwischen virtuellen „Fahrbahnen“ auf dem Metallplatten-Tisch hin und her wechseln. Das AGV hält dabei auch ohne Markierungen die Spur. Wo es vor- oder rückwärts fahren und zu welcher Station es abbiegen soll, gibt die zentrale Steuerung vor. Sie entscheidet auch, welches Gefährt bei kreuzenden Bahnen die Vorfahrt bekommt. Die Teile-Taxis müssen dazu nur ihre genaue Position rückmelden.

Bei dieser Verkehrsregelung spielt Antriebstechnik von FAULHABER (vgl. Firmenkasten) eine wichtige Rolle: Treibende Kraft der Räder sind bürstenlose DC-Servomotoren der Serie BX4, die Motorkraft wird über Planetengetriebe und Antriebsriemen auf die Räder übertragen (Bild 3). Für die präzise Positionserfassung sind direkt an den Servomotoren Encoder der Serie IE3-1024 angebracht. Die magnetischen Inkremental-Encoder, die es mit verschiedenen Auflösungen gibt, haben einen Indexkanal zur Referenzierung einer Umdrehung der Antriebswelle und eine standardisierte elektronische Encoderschnittstelle. Auflösung, Drehrichtung, Indexbreite und Indexposition lassen sich flexibel an die Anwendung anpassen. Die Ansteuerung der Servomotoren und Kommunikation mit Steuerung übernimmt der Motion Controller vom Typ MC 5004 P (Bild 4). Der 4-Quadranten-PWM-Controller steuert die Antriebe mit einer internen Taktrate von 100 µs an, ist als offene Steckkarte für den Einbau in vorhandene Gehäuse ausgelegt und lässt sich dadurch gut in die Anwendung integrieren. Mithilfe seiner Daten berechnet die Steuerung dann Wege und Positionen der AGV und gibt die entsprechenden Fahrbefehle vor.

„Wenn sich ein Unternehmen für unsere Transferlösung entscheidet, werden die kleinen Fahrzeuge zum Kernstück des Produktionsprozesses. Sie müssen also unbedingt zuverlässig, über lange Zeit und mit minimalem Wartungsbedarf funktionieren, und das bei niedrigen Betriebskosten“, erläutert Antonio Sanchez die Prioritäten für die Auswahl der AGV-Komponenten. „Bei der Antriebseinheit stand für uns deshalb die Qualität der Produkte an erster Stelle. FAULHABER kann uns aber nicht nur die geforderte Qualität gewährleisten, sondern die Motoren bieten noch weitere Vorteile, die für unsere Anwendung unverzichtbar sind. In dem Fahrzeug ist nur sehr wenig Platz, es braucht dennoch viel Motorkraft, um auch schwere Teile mit der geforderten Geschwindigkeit zu bewegen. Beim Verhältnis zwischen Volumen und Drehmoment hält die Serie BX4 auf dem Weltmarkt eine Spitzenstellung. Diese Leistungsdichte trägt entscheidend dazu bei, dass wir unseren Kunden eine ebenso verlässliche wie flexible Lösung anbieten können.“ Die bürstenlosen DC-Servomotoren in 4-Pol-Technologie liefern bei geringem Bauvolumen ungewöhnlich hohe Drehmomente bei niedrigem Geräuschpegel. Der dynamisch gewuchtete Rotor sorgt für einen ruhigen, rastmomentfreien Lauf.

Verlässlichkeit und Flexibilität

Die Kombination aus Verlässlichkeit und Flexibilität gibt den Anwendern der Prolynk-Lösung größtmögliche Freiheit bei der Gestaltung ihrer Produktionsprozesse. Sie können theoretisch mit einer kleinen Plattform aus wenigen Platten und einem einzigen Mini-AGV anfangen. Das System lässt sich beliebig erweitern oder umorganisieren und hochgradig flexibel an die benötigten Maschinen anpassen. Neue Produkte, neue Abläufe und Technologien kann man ebenfalls problemlos integrieren; die vorhandenen Module lassen sich je nach den Gegebenheiten immer wieder anders zusammenstellen. Die Produktionskapazität kann so unmittelbar der Auftragslage folgen.