Hakahaka! Dieser polynesische Begriff steht für Freiraum. Viele Fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) benötigen viel Freiraum, weil sie durch ihre eingeschränkte Flächenbeweglichkeit und aufgrund der Bauhöhe eben viel Platz beanspruchen. Der limitierende Faktor sind hier meist die Antriebssysteme, weil das Manövrieren in engen Verhältnissen schwierig bis unmöglich wird, niedrige Ladekanten durch hoch bauende Antriebseinheiten schwer realisierbar sind.
Doch der Begriff Hakahaka steht eigentlich für Freiraum im positiven Sinn. Und das richtige Antriebssystem für Fahrerlose Transportfahrzeuge bietet genau diesen Freiraum: hohe Flächenbeweglichkeit in beliebigen und engsten Umgebungen, kompakte Abmessungen und flexible Konfigurationen erlauben viel Freiraum beim Design des FTF. Außerdem muss die Konnektivität und Safety-Funktionalität des Antriebssystems den Freiraum bieten, damit es sich smart in das System des FTF einbinden lässt.
Nachfolgend werden die wichtigsten Anforderungen an das Antriebssystem eines FTF für typische Anwendungsfelder näher beleuchtet.
Freies Manövrieren
Eine elementare Anforderung an jegliche Fahrerlose Transportfahrzeuge ist eine möglichst uneingeschränkte Manövrierfähigkeit. Kann sich das FTF im Stand drehen, engste Radien fahren, schräg parallele Fahrmanöver durchführen, so steht der Navigation selbst in engsten Umgebungen nichts im Wege. Viele aktuelle Antriebslösungen für FTF erlauben nur die Manövrierfähigkeit vergleichbar mit dem Prinzip eines Panzers – von spurgeführten Lösungen ganz zu schweigen, die keinerlei Flexibilität erlauben. Gerade in engen Lagerhallen oder flexiblen Produktionsumgebungen mit vielen Arbeitsstationen und Maschinen muss ein FTF frei in jede Richtung beweglich sein. Materialübergabestellen lassen sich dann ohne großen Platzbedarf schnell und präzise anfahren. Auch temporäre Hindernisse muss das Transportsystem problemlos umfahren können.
Um die omnidirektionale Beweglichkeit in einem FTF zu realisieren, bietet Ebm-papst die neue Antriebslösung
ArgoDrive an. Dieses Fahr-Lenk-System vereint die Funktionen Vortrieb und Lenkung in einer Baugruppe. Diese Einheit besteht aus Motor, Getriebe, omnidirektionaler Lenkung, Sensorik und allen erforderlichen Anschlüssen. Seine zwei integrierten Motoren tragen durch ein Überlagerungsgetriebe je nach Anforderung zum Lenken, Beschleunigen, Fahren oder Bremsen bei. Der unendliche Lenkwinkel ermöglicht die platzsparende Flächenbeweglichkeit des Fahrzeugs – auch aus dem Stand.
So garantieren bereits zwei Fahr-Lenk-Systeme an der linken und rechten Seite des Fahrerlosen Transportsystem die volle Omnidirektionalität. Zwei zusätzliche frei bewegliche Stützräder an Vorder- und Rückseite sorgen für Stabilität. Je nach Anforderung an die Größe des FTF sowie dem Gewicht der zu bewegenden Ware lassen sich auch drei oder vier ArgoDrives verbauen.
Ein sehr wichtiger Punkt – unabhängig von der zu bewegenden Last – ist die „Geschmeidigkeit“ der Bewegung. Je nach verbautem Antriebssystem, wie beispielsweise einer Panzerlenkung (Differenzialantrieb), gibt es oft „ruppige“ Bewegungsabläufe beim Kurvenfahren und Manövrieren. Konstruktionsbedingt kann hier das ArgoDrive punkten, denn durch flüssige und gleichzeitige Fahr- und Lenkbewegungen entfallen ruckartige Bewegungen. Gerade bei empfindlichen zu transportierenden Waren oder bei der Feinpositionierung des FTF bei Warenübergabestationen sind sanfte und geschmeidige Bewegungsabläufe sehr wichtig.
Fit für unterschiedliche Lasten
Die Einsatzszenarien von Fahrerlosen Transportfahrzeugen sind sehr vielschichtig. Das kann der Transport leichter und zerbrechlicher Ware ebenso sein wie schwere Rohkarosserien in Fahrzeugproduktionen. Entsprechend muss ein Anbieter von Fahrerlosen Transportfahrzeugen bei seinen verschiedenen dafür ausgelegten Lösungen meist auf komplett unterschiedliche Antriebssysteme zurückgreifen. Das erhöht nicht nur den Aufwand beim Engineering und Service, auch die Kosten für die einzelnen Lösungen steigen. Idealerweise sollte somit eine Antriebslösung für Fahrerlose Transportfahrzeuge in mehreren Dimensionen skalierbar ausgelegt sein, um unterschiedliche Anforderungen aus einem Baukasten heraus bedienen zu können.
Dieser Problematik hat sich Ebm-papst bei der Entwicklung seines Fahr-Lenk-Systems ArgoDrive angenommen. Entsprechend bietet der Hersteller seine Lösung in den Varianten Light, Standard und Heavy an. Alle ArgoDrive sind konzeptionell identisch und weisen somit die gleiche Omnidirektionalität auf. Allerdings unterscheiden sie sich darin, welche Gewichtsklassen bewegt werden können. Die Variante Light kann bis zu 100 kg pro Antriebseinheit bewegen. Sind vier ArgoDrive Light verbaut, darf das FTF ein Gesamtgewicht von bis zu 400 kg erreichen.
Das Modell Standard kann bis zu 300 kg pro Fahr-Lenk-Einheit mit voller Manövrierfähigkeit befördern. Mit zwei ArgoDrive kann ein FTF somit maximal 600 kg, mit vier Systemen bereits bis zu 1,2 t bewegen. Wird auf das Modell Heavy gesetzt, so spezifiziert Ebm-papst ein Gewicht von maximal 500 kg pro Antriebseinheit. In der maximalen Ausbaustufe mit vier ArgoDrive Heavy ist somit eine Traglast von 2 t problemlos möglich. Der Transport schwerer Rohkarosserien oder Europaletten, die auf ein Gewicht von bis zu 2 t ausgelegt sind, sind dann prädestiniert für FTF mit der Heavy-Variante.
Speed und Bodenfreiheit
Durch dieses Baukastensystem kann ein Hersteller von FTF somit genau wählen, welche Variante für seine Anforderungen ideal ist. Denn neben den Gewichtsklassen bieten die Modelle Light, Standard und Heavy auch unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten. Light-Antriebe erlauben bis zu 3 m/s, das Standardmodell ist mit 2 m/s unterwegs und das ArgoDrive Heavy ermöglicht eine Geschwindigkeit von 1,5 m/s. Damit bieten sich feine Skalierungsmöglichkeiten bezüglich erforderliches Transportgewicht und präferierter Geschwindigkeit. Das ArgoDrive sorgt mit einer Beschleunigung von bis zu 2,5 m/s2 für ein flottes Anfahren der Fahrzeuge. Ein weiterer großer Vorteil für den FTF-Hersteller: alle drei Varianten des ArgoDrive verfügen über identische Einbaumaße und eine standardisierte Befestigung, nur der Raddurchmesser ist unterschiedlich.
Die Light-Variante besitzt einen Raddurchmesser von 80 mm und ermöglicht dem Fahrerlosen Transportfahrzeug eine Bodenfreiheit von 26 mm. Dem ArgoDrive Standard spendiert Ebm-papst ein Rad mit 100 mm Durchmesser – die Bodenfreiheit beträgt dann 45,5 mm. Für schwere Lasten sind größere Räder besser geeignet, entsprechend verfügt das Modell Heavy über einen Raddurchmesser von 145 mm. Je größer das Rad, desto unempfindlicher ist das Fahrerlose Transportsystem natürlich auch gegenüber Unebenheiten im Boden. Verschmutzungen am Boden wie Späne beeinträchtigen die Funktion nicht. Hier sind dann besonders Antriebskonzepte mit Mecanum-Rad durch ihre mechanische Anfälligkeit deutlich im Nachteil.
Fahrerlose Transportsysteme mit größeren Rädern und hoher Bodenfreiheit sind insbesondere auch dann gefragt, wenn Übergänge zwischen Hallen überwunden werden müssen. Im Boden eingelassene Rinnen, Dichtungen oder ein Belagwechsel verlangen unempfindliche Systeme. Wichtig ist auch die Bewältigung von Steigungen, die vor allem oft bei Hallenübergängen mit Niveauausgleich oder Einfahrten zu Hallen vorkommen. Hier darf das FTF bei voller Zuladung nicht schlapp machen. Mit dem ArgoDrive ausgestattete Transportlösungen können Steigungen von bis zu 10 Prozent bei voller Funktionalität bewältigen.
Kompakt trotz hoher Leistung
Neben der Flächenbeweglichkeit mit Feinpositionierung für alle Transportaufgaben sind entscheidende Kriterien für Fahrerlose Transportfahrzeuge ebenso geringe Abmessungen und eine geringe Bauhöhe. Besonders die Ladefläche eines FTF muss sehr niedrig sein, um den Anforderungen in der Intralogistik, bei Warenübergabestationen oder für Aufbauten mit mobiler Robotik gerecht zu werden. Die Antriebstechnik bei FTF sollte deshalb sehr kompakt sein und eine möglichst flache Bauweise bieten. Hier liegt dann die Krux bei vielen Lösungen, weil dann die Leistungsfähigkeit darunter leidet.
Beim ArgoDrive von Ebm-papst wird dieses Dilemma durch eine bauraumoptimierte Integration von zwei Motoren in einer Einheit gelöst. Die Leistung beider Motoren kann voll für die Antriebs- und Bremsfunktion verwendet werden. Gleichzeitig sorgt ein Überlagerungsgetriebe für die notwendige Aufteilung der Antriebsleistung beider Motoren bei Lenkmanövern. Damit ermöglicht Ebm-papst die Realisierung von Fahrerlosen Transportfahrzeugen mit äußerst niedriger Ladefläche. Bei der Variante Light beträgt die komplette Höhe des Fahr-Lenk-Systems ab der Auflagefläche Rad auf dem Boden nur 103 mm, die Standard-Variante benötigt 123 mm und das Modell Heavy begnügt sich mit 205 mm.
Durch die kompakten horizontalen Abmessungen von 250 x 170 mm des ArgoDrive (alle Varianten) steht dem Hersteller von Fahrerlosen Transportfahrzeugen genügend Bauraum in einer Ebene für die Unterbringung von Komponenten, wie Steuerung, Safety-Module und vor allem auch Akkus und deren zugehörige Elektronik, zur Verfügung. Je weniger Platz somit die Antriebslösung benötigt, desto einfacher fällt es den FTF-Herstellern eine geringe Bauhöhe zu
realisieren.
Wartungsarm und ausfallsicher
Ein wichtiger Aspekt bei Fahrerlosen Transportfahrzeugen ist der zuverlässige Betrieb. Außerplanmäßige Stillstandzeiten reduzieren die Verfügbarkeit ebenso wie häufig notwendige Wartungsintervalle. Das Antriebssystem spielt beim FTF hier durch bewegte Komponenten natürliche eine große Rolle in Bezug auf die Verlässlichkeit. Das beginnt bei der Empfindlichkeit gegenüber rauen Umgebungsbedingungen wie Verschmutzungen am Boden oder staubhaltiger Luft.
Hier ist insbesondere das Mecanum-Antriebskonzept konstruktionsbedingt im Nachteil, weil sich die komplexere Mechanik empfindlicher gegenüber Verschmutzungen zeigt und somit eine regelmäßige Wartung erfordert. Beim ArgoDrive von Ebm-papst ist das System mit einer auf die komplette Lebensdauer ausgelegten Ölschmierung versehen. Ein Nachschmieren ist hier nicht notwendig. Sollte nach langer Betriebsdauer naturgemäß der Radbelag abgefahren sein, so lässt sich dieses ohne Ausbau der Antriebseinheit einfach wechseln. Im Falle eines Defekts kann die komplette Einheit mit wenigen Handgriffen schnell ausgetauscht werden.
Ein häufiger Ausfallgrund bei Fahrerlosen Transportfahrzeugen sind Kontaktfehler an den elektrischen Schnittstellen der Antriebssysteme. Beispielsweise drehen sich beim Drehschemel ständig die Anschlusskabel samt Stecker mit. Hier punktet der ArgoDrive ebenfalls, weil die notwendigen Kabel und Stecker des Fahr-Lenk-Systems fest im Fahrzeug verbaut sind und konstruktionsbedingt auf bewegte Kabel verzichtet werden kann. Außerdem sorgen bewährte Industriestecker für eine sichere Verbindung zur Steuerung.
Safety first – sprachengewandt
Noch wichtiger als der zuverlässige Betrieb ist bei Fahrerlosen Transportfahrzeugen die Sicherheit zum Schutz von Personen. Das FTF muss in der Lage sein, bei Gefahr sofort eine Notbremsung einleiten können, um den Kontakt mit Personen, die im Fahrweg auftauchen, zu vermeiden. Hierfür sorgt das kontinuierliche Scannen der Umgebung über entsprechende Sicherheitssensoren am Fahrzeug. Bei Gefahr muss das Antriebssystem den Befehl eines sicheren Stopps der Sicherheitssteuerung zuverlässig ausführen. Hier ist dann vor allem eine hohe Bremsleistung erforderlich. Das ArgoDrive kann hier unter Nutzung einer integrierten Bremsmechanik eine sofortige Notbremsung ebenso einleiten wie eine kontrollierte motorische Verzögerung mit bis zu 2,5 m/s2.
Bei einer Notbremsung zeigt ein Fahrerloses Transportfahrzeug mit vier verbauten ArgoDrive natürlich einen noch schnelleren Stillstand als mit zwei Einheiten plus Stützräder – weil alle vier Räder dann gleichzeitig bremsen. Auch beim Versagen der Stromversorgung auf dem Transportsystem geht das ArgoDrive in einen sicheren Halt, um unkontrollierte Bewegungen zu vermeiden. Alle typischen und notwendigen Safety-Anforderungen werden mit dem Fahr-Lenk-System von Ebm-papst somit unterstützt.
Kommunikativ sollte ein Antriebssystem für Fahrerlose Transportfahrzeuge ebenfalls sein, um mit den anderen Systemen im FTF zusammen zu arbeiten. Die wichtigsten marktüblichen Kommunikationsstandards unterstützt Ebm-papst bereits. Beim ArgoDrive bietet Ebm-papst unter Einbeziehung abgesetzter Regler mehrerer Hersteller die Möglichkeit der Einbindung in CANopen Netzwerke, ebenso wie für EtherCAT Netzwerke oder die Integration in Steuerungsumgebungen von Siemens mit Profinet.
Alle Vorteile vereint
Mit dem ArgoDrive bietet Ebm-papst für Hersteller von Fahrerlosen Transportfahrzeugen eine neue Antriebslösung an, die in Bezug auf Flächenbeweglichkeit und Kompaktheit keine Kompromisse im Vergleich zu bekannten Lösungen erfordert.
Geht man von der reinen Manövrierfähigkeit aus, so kann zwar beispielsweise eine Mecanum-Lösung mithalten, aber nicht hinsichtlich Geschwindigkeit, Steigfähigkeit und Ausfallsicherheit.
