Empirische Entwicklung eines applikationsadaptiven Antriebskonzeptes am Beispiel eines intralogistischen Fördersystems

Abstract

Variable volumes of order and the trend towards decreasing batch sizes, individual production and short times of delivery lead to variable capacity utilization of intralogistic systems. Because of this fact characteristics which are needed during the dimensioning process of such systems can hardly be predicted. That is why they can only be roughly estimated. Intralogistic systems are designed on a modular basis which allows to adapt these systems in an application-specific manner. There is nearly no way to react to changing requirements during the regular utilization period. Over-sizing is the common method to already consider changing requirements during the designing process of a product. In future systems became necessary which will be able to react to changing requirements. Even a change in capacity utilization already means a change in a specific requirement. One solution in meeting this problem is the development of an application-adaptive drive concept. By adapting certain system degrees of freedom depending on the actual system load the individual load on some components can be reduced. This leads to a utilization of the system which is more requirement-oriented. Thus the durability of certain components can be enhanced as well as the risk of unnecessary over-sizing can be avoided. Within this thesis an approach is developed by using a selected intralogistic system as an example. Applying this approach enables one to realize an application-adaptive drive concept. The selected roller conveyor was chosen as the exemplary application. Its belt tension acts as a system degree of freedom which has an influence on both the durability of the belt and on further components like the bearings of the belt pulleys and the electric drive. To determine requirement-based values for this degree of freedom it became necessary to analyze the mode of the conveyor system in dependency of several characteristic factors. For this purpose an experimental roller conveyor has been equipped with various stationary and mobile sensor units. In addition it has been supplemented by a newly developed tensioner unit which can be used to arbitrarily adjust the belt tension. Appropriate experiments have been planned, performed and analyzed by using the methods of Design of Experiments. Based on that, four mathematical models have been developed which describe the influences of the factors on the various response variables in a quantitative manner. The quality of each model has been computed and formally evaluated by the help of appropriate statistical parameters and analysis methods. Additional validation experiments have been performed to prove the models' validity. During the connecting optimization phase these models have been applied to determine optimized belt tension values. The optimization was based on varying utilization profiles for both the stationary conveying process and for the starting period of the system. The optimized values have in common that the pre-defined optimization criteria are matched at their best which reveals the potential in the enhancement of the durability of several components as well as a reduction of breakdowns. The developed approach can be applied as a tool to develop an application-adaptive drive concept, which can also be transferred to different applications.

Zusammenfassung: Unterschiedliche Auftragsvolumen und der Trend hin zu kleinen Sendungsgrößen, individueller Fertigung und kurzen Lieferzeiten führen bei intralogistischen Systemen zu unterschiedlich starken Auslastungen. Aufgrund dieser Tatsache können Kenngrößen für die Auslegung solcher Systeme nur schwer prognostiziert werden, was dazu führt, dass diese lediglich grob abgeschätzt werden. Das bei intralogistischen Systemen eingesetzte Baukastenprinzip erlaubt, diese flexibel und applikationsspezifisch anzupassen. Auf sich ändernde Anforderungen im Verlauf der Produktnutzung kann hingegen nur schwer reagiert werden. Um diese bereits in der Produktentwicklung berücksichtigen zu können, werden intralogistische Systeme oftmals überdimensioniert. Zukünftig werden jedoch Systeme benötigt, die auf sich ändernde Anforderungen reagieren können, wobei bereits eine Änderung der augenblicklichen Systemauslastung solch eine Anforderungsänderung darstellt. Die Entwicklung eines applikationsadaptiven Antriebskonzeptes stellt eine Möglichkeit dar, dieser Problematik entgegenzuwirken. Durch die Adaption eines Systemfreiheitsgrades an die tatsächliche Systemauslastung können lokale Belastungen reduziert werden, woraus sich ein anforderungsgerechter Betrieb des Systems ergibt. Dies kann dazu beitragen, die Lebensdauer einzelner Komponenten zu verlängern und unnötige Überdimensionierungen zu verhindern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird am Beispiel eines ausgewählten intralogistischen Fördersystems eine Vorgehensweise entwickelt, mit deren Hilfe solch ein applikationsadaptives Antriebskonzept realisiert werden kann. Die Antriebsriemenvorspannkraft des als Demonstrator verwendeten Rollenförderers stellt einen Systemfreiheitsgrad dar, der sowohl einen Einfluss auf die Lebensdauer des Antriebsriemens als auch auf die weiterer Komponenten besitzt, wie Wälzlager der Umlenkrollen und des elektrischen Antriebs. Um für diesen Systemfreiheitsgrad anforderungsgerechte Werte ermitteln zu können, war es zunächst notwendig, das Fördersystemverhalten in Abhängigkeit charakteristischer Einflussfaktoren zu analysieren. Eine Versuchsanlage ist dazu mit verschiedenen stationären und mobilen Sensoren ausgestattet worden und durch eine neu entwickelte Spanneinheit ergänzt worden, mit der der Systemfreiheitsgrad Vorspannkraft beliebig variiert werden kann. Entsprechende Versuchsreihen sind geplant, durchgeführt und ausgewertet worden, bei denen Methoden der statistischen Versuchsplanung zum Einsatz gekommen sind. Im Rahmen der Auswertung sind dabei vier mathematische Modelle entwickelt worden, die den Einfluss der definierten Einflussfaktoren auf die Zielgrößen quantitativ beschreiben. Die jeweilige Modellgüte ist durch die Berechnung und Beurteilung entsprechender statistischer Kenngrößen und Analyseverfahren zunächst formal geprüft und durch weiterführende Validierungsversuche letztendlich bestätigt worden. In einer angeschlossenen Optimierungsphase sind unter Verwendung der entwickelten Modelle für verschiedene Nutzungsprofile, jeweils für den stationären Betrieb und den Anfahrvorgang, optimale Parameterwerte bestimmt worden. Die ermittelten Werte des Systemfreiheitsgrades Vorspannkraft führen dazu, dass die definierten Optimierungskriterien bestmöglich erfüllt werden, woraus sich ein Potenzial in Bezug auf eine längere Lebensdauer der Komponenten sowie eine geringere Anzahl an Systemausfällen erkennen lässt. Das entwickelte Vorgehen stellt somit ein Hilfsmittel für die Entwicklung eines applikationsadaptiven Antriebskonzeptes dar, welches sich auch auf andere Anwendungen übertragen lässt.