Fahrerlose Transportsysteme Aus reinen Transporteuren werden Betriebsmittel

Autor / Redakteur: Bernd Maienschein / Dipl.-Betriebswirt (FH) Bernd Maienschein

In vielen Unternehmen sind fahrerlose Transportsysteme (FTS) als zentrales Produktionselement eingebunden. Zahlreiche technische und arbeitsrechtliche Neuerungen verlangen von den Betreibern, dass sie sich professionell mit den Möglichkeiten und Anforderungen dieses „mannlosen“ Transports auseinandersetzen. Hinzu kommt, dass fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF) vermehrt zusätzliche logistische Aufgaben übernehmen.

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Berührungslose Energieübertragung oder On-Board-Elektroeinheit zur Versorgung des Antriebs? Spurgeführte Navigation oder Wegerkennung per Infrarot für das fahrerlose Transportfahrzeug (FTF)? Fragen, die Anwender von fahrerlosen Transportsystemen (FTS) beantworten sollten, bevor sie in die konkrete Investitionsplanung einsteigen.

Fahrerlose Transportsysteme übernehmen neue Aufgaben

Für welche Antriebsart und für welches Navigationsprinzip man sich entscheidet, hängt neben dem Investitionsvolumen hauptsächlich davon ab, ob die Betreiber auf lange Zeit gleichbleibende Produktionsschritte und damit Transportdurchläufe zählen können oder ob es das Geschäft erfordert, das Anlagenlayout innerhalb weniger Stunden oder Tage umzubauen.

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Ein hervorragendes Beispiel, wie heutige fahrerlose Transportsysteme klassische produktionslogistische Aufgaben mit montagetechnischen verknüpfen, ist im Jungheinrich-Werk in Landsberg bei Halle zu finden. Der weltweit drittgrößte Anbieter von Flurförderzeugen hat dort 2008 sein jüngstes Produktionswerk von Grund auf neu errichtet, Mitte 2009 war der Produktionsstart der ersten Niederhubfahrzeuge — Mitnehmergeräte, Mitfahrgeräte mit Standplattform und Geräte zur ergonomischen Kommissionierung. Bei nur fünf Baureihen kommt Werkleiter Dr. Marc Ehrmann auf immerhin 300 verschiedene Varianten.

Fahrerloses Transportsystem gehört zur Prozessautomatisierung für Montagelinie

„Wir haben das Werk komplett neu auf der grünen Wiese geplant, streng materialflussorientiert“, erklärt Ehrmann. Für das Jahr 2010 plant er mit rund 17 000 Fahrzeugen, die das Landsberger Werk verlassen werden. Klares Ziel beim Neubau war die „Montage im Fluss“ mit verbesserten Montagetakten und weitgehender Automatisierung.

Mit dem Neubau verfolgte Ehrmann ein weiteres Ziel. „Wir wollten darüber hinaus auch aus den Vormontagen sequenzgenau Baugruppen zeitnah vorproduzieren, diese dann auf das fahrerlose Transportsystem aufgeben und es als klares logistisches Hilfsmittel nutzen.“ Und das nicht nur aus einer Vormontage, sondern aus verschiedenen Bereichen. Daraus ergab sich, dass Jungheinrich eine Prozessautomatisierung für die Montagelinie entwickelte, um notwendige Verknüpfungen zu erreichen.

„Systemimmanenten Druck“ nennt der Werkleiter den Zwang, ein zu produzierendes Fahrzeug von Takt 1 in den Takt 2 zu schieben, und meint damit die gewonnene Prozesssicherheit. Im Unterschied zu manuellen Systemen müssten bei festen Taktzeiten schnelle Problemlösungen gefunden werden, bevor die ganze Linie steht.

Fahrerloses Transportsystem nimmt Korb auf Kommissionier- und Sequenzierteilen mit

„Ich würde den systemimmanenten Druck aber auch nach einem Jahr Produktionserfahrung nicht zu gering einschätzen“, so Ehrmann. „Es ist ein wahnsinniger Vorteil, wenn man ein entsprechendes Team hat, das mit Problemen umgehen kann.“ In Landsberg wurden ganz unterschiedliche logistische Aufgaben auf das fahrerlose Transportsystem der Firma Bleichert übertragen: Beispielsweise wird aus Kommissionier- und Sequenzierteilen ein Warenkorb gebildet, den das fahrerlose Transportsystem mitnehmen soll.

Überhaupt stehen bei den relativ einfachen Fahrzeugen in Landsberg die Montagezeiten im Fokus, denn man sieht sich immer stärkeren Konkurrenten aus dem Osten gegenüber. Zugänglichkeit und Ergonomie seien dabei das Mittel der Wahl, um die Montagezeiten und damit die Kosten nach unten zu bekommen.

20% höhere Produktivität und 30% kürzere Durchlaufzeiten als Ziele

Die Erhöhung der Produktivität um circa 20%, um 30% verkürzte Durchlaufzeiten und weniger Bestände waren die Ziele der MAN Nutzfahrzeuge AG vor der Reorganisation ihrer Achsmontage. Die zentrale Frage für Dr. Ingo Essel, Leiter Produktvorbereitung im MAN-Werk im Nordwesten Münchens, war die nach der Anzahl der künftigen Montagebänder.

Im Unterschied zum Jungheinrich-Werk auf der grünen Wiese war Essel durch den Unternehmensstandort am Autobahnring A93 räumlich limitiert: Es galt, die Reorganisation durch die Restrukturierung der Montage in der vorhandenen Hallenstruktur zu bewältigen. Essel musste sich zwischen zwei oder drei Bändern entscheiden, auf denen Hinterachsen, angetriebene Vorderachsen, Durchtriebe und Verteilergetriebe montiert werden.

Fahrerlose Transportfahrzeuge fahren mit 3 m/min durch die Montagelinie

Bei rund 170000 produzierten Achsen im Jahr muss MAN unabhängig davon sein, ob ein Sattelzug oder ein Baustellenfahrzeug bestellt wird und dies im Modellmix abbilden können, dem der Nutzfahrzeughersteller ständig unterlegen ist. Für die Entscheidung, zwei Montagebänder zu installieren mit einfacheren Strukturanpassungen und einem günstigeren Belieferungskonzept spricht natürlich auch der Umstand des weitaus geringeren Investitionsbedarfs.

Auf dem Hauptmontageband für Hypoid- und Außenplanetenachsen fahren die fahrerlosen Transportfahrzeuge mit konstant 3 m/min über maximal 27 Montagestationen durch die Linie. Dabei wird beispielsweise für die Achsgetriebe- oder die Radnabenmontage just in sequence an das Band angeliefert. Am Ende kommt alle 1,2 min eine fertige Achse am Bandende an.

„Das fahrerlose Transportsystem der Firma DS Automotion ist für uns kein reines Transportmittel, sondern durch die Art des Aufbaus eine Art Betriebsmittel“, erklärt Essel. Dabei muss das fahrerlose Transportfahrzeug sehr unterschiedliche Achstypen aufnehmen: Hybridachsen, Achsen für leichte und schwere Lkw, Achsen für Busse und für Militärfahrzeuge. Dem Spannen der Achse kommt hier eine wesentliche Bedeutung zu.

„Das fahrerlose Transportsystem muss verdammt viel mitmachen“

Durch die Montagetätigkeit treten stellenweise hohe mechanische Beanspruchungen auf. Beispiel Schrauber: Es werden einfache Impulsschrauber eingesetzt, aber auch Mehrfachschrauber, wie beispielsweise Achtfachschrauber, mit denen man die Deckel für die Radnabe anzieht. Dabei treten Drehmomente von bis zu 1100 Nm auf — das muss die Spanneinheit dann verkraften können.

Nicht selten kommt es vor, dass sich ein Montagemitarbeiter schon einmal auf den Wagen stellt und bei 3 m/min mitfährt. „Das heißt, das fahrerlose Transportsystem muss verdammt viel mitmachen“, erklärt Essel.

Das fahrerlose Transportsystem bei MAN Nutzfahrzeuge ist auf einen Einminutentakt ausgelegt. Das erreicht man entweder dadurch, dass man die fahrerlosen Transportfahrzeuge etwas schneller fahren lässt, was aber problematisch ist, denn je schneller das Fahrzeug fährt, desto schwieriger wird die Montage.

Abstandssensor in den fahrerlosen Transportfahrzeugen regelt Taktzeit

Bei MAN wird die Taktzeit letztendlich über einen Abstandssensor geregelt, der den Abstand der 64 eingesetzten fahrerlosen Transportfahrzeuge zueinander regelt. Das variable Abstandssystem hat keine Sicherheitsscanner, sondern das fahrerlose Transportfahrzeug hat eine Trittleiste als Auffahrschutz.

Vorteil: Steht einmal etwas im Wege, bleibt nicht das ganze Band stehen, sondern nur das jeweilige Fahrzeug. Den nach Auflösung der kritischen Situation dann größeren Abstand zum Vorderfahrzeug holt das fahrerlose Transportfahrzeug durch höhere Geschwindigkeit im Lauf des Montagefortschritts wieder auf.

Neues fahrerloses Transportsystem hält Schritt mit erweiterter Produktion

Die Motoren der Deutz AG, die im Werk Köln-Porz gefertigt werden, entstehen in zwei Fließmontagen. War die aus dem Jahr 1993 stammende Fabrik anfangs auf 120000 Motoren pro Jahr ausgelegt, hatte Deutz schon 2006 das Produktionsziel 300000 Motoren ausgesprochen.

Das war mit dem alten, induktiv spurgeführten fahrerlosen Transportsystem mit 43 Transportfahrzeugen und Infrarot-Datenübertragung nicht mehr möglich, auch aufgrund der veralteten Leittechnik. Die wegen des induktiven Spurführungssystems immer häufiger notwendig gewordenen Bodenarbeiten taten ihr übriges.

Hohe Anforderungen an fahrerloses Transportsystem für den Personenschutz

Das zusammen mit der Dortmunder SDZ GmbH erstellte Simulationsmodell für eine Neuanlage brachte folgende Ergebnisse zutage: Deutz behält 43 Fahrzeuge analog der alten Anlage. Die Transportzeiten in der Motorenmontage sollten von durchschnittlich 15 auf 12 min sinken, gleichzeitig sollte eine Steigerung des Durchsatzes auf 130% erreicht werden. Außerdem wurde als ein Baustein definiert, die Fahrgeschwindigkeit von 1,0 m/s auf 1,6 m/s anzuheben, was einen erhöhten Anspruch an den Personenschutz darstellte.

Durchaus eine knifflige Angelegenheit, denn in der ganzen Fabrik gibt es keinen abgeschrankten Bereich. Es gibt Wege, die von Werkern und fahrerlosen Transportfahrzeugen parallel benutzt werden.

Fahrerloses Transportsystem mit Lasernavigation

Vor dem Hintergrund, teilweise vom Kanban-Prinzip zugunsten einer kommissionierten Anlieferung auch für die Motorenmontage abzurücken, hat man sich bei Deutz für die Lasernavigation entschieden. „Und der neueste Trend ist die Integration eines Supermarktes in unsere Fabrik“, erklärt Gregor Thome, Project Manager Investitionen. „Wir haben uns für die Lasernavigation entschieden, weil die Änderungen komplett ohne Bodenarbeiten zulässt.“

Durch die bisherige induktive Spurführung waren aber auch schon 10000 Positions- und Notstop-Magnete im Boden vorhanden. Auf dieser Basis entschied sich Deutz in der Lieferantenauswahl für ein fahrerloses Transportsystem der MLR System GmbH in Ludwigsburg.

Zwei Typen fahrerloser Transportfahrzeuge versorgen Werkerplätze und Standmontageplätze

In Köln-Porz sind nach wie vor 43 Fahrzeuge Typ Spreizenstapler unterwegs, deren Basis ein Standard-MLR-Gabelhubfahrzeug in drei verschiedenen Varianten ist. Vorausmaterial der Motoren wird ausschließlich in Behältern mit dem Standard-Paletten- oder -Gitterboxenmaß 800 mm × 1200 mm transportiert, und zwar in zwei Richtungen: Transportbehälter, die an Werkerplätzen abgestellt werden, dem Werker also zugewandt sind, werden mit 20 Fahrzeugen des Fahrzeugtyps 1 in Querrichtung transportiert. Der Fahrzeugtyp 2 versorgt insbesondere die Standmontageplätze und bringt die Paletten und Behälter längs dorthin.

Die gefertigten Motoren schließlich werden in den sogenannten Typ-3-Fahrzeugen transportiert. An den Motor wird eine Umlaufadaption angeschraubt und er wird vom Ende der Fließmontage zum Motorenpuffer oder zur Standmontage beziehungsweise auch zur Farbgebung transportiert. Der Typ 3 befördert auch die sogenannten Motorumlauf-Lagerungsgestelle — eine nicht unwesentliche Transportaufgabe, denn jeder Motor bekommt vier Füße, bei 25 Motoren pro Stunde der einen Baureihe und 23 Motoren bei der anderen Baureihe eine hohe Umlauffrequenz.

Fahrerlose Transportfahrzeuge mit 1000 kg Nutzlast

Die Fahrzeuge haben eine Nutzlast von 1000 kg. „Die schöpfen wir mit den Behältergebinden nahezu aus“, so Thome. „Bei den Zylinderkurbelgehäusen sind wir schon sehr nahe an der Gewichtsgrenze und die größten Motoren, die wir bauen, wiegen um die 850 kg.“

Wie werden fahrerlose Transportfahrzeuge überhaupt mit Energie versorgt? Uwe Bültmann, Produktmanager CPS & COM der Paul Vahle GmbH & Co. KG in Kamen, erklärt das batterielose Prinzip: „Unser Contactless-Power-Supply-(CPS-)System arbeitet im Prinzip wie ein Transformator. Prinzipiell lege ich die Primärwicklung in den Fahrweg des fahrerlosen Transportfahzeugs und die ganze Sekundärseite, sprich Spule und Eisenkern, ziehe ich auf das Fahrzeug. Jetzt kann ich das Fahrzeug entlang der Strecke bewegen.“

Im Unterschied zum Transformator mit seinen minimalen Abständen der beiden Wicklungen muss man bei einem fahrerlosen Transportsystem naturgemäß relativ große Luftstrecken überbrücken. Das wird daduch erreicht, dass mit einer wesentlich höheren Frequenz gearbeitet wird, nämlich 20 kHz. Aufgrund dieser hohen Frequenz könne man Luftstrecken von 30 bis 40 mm überbrücken, so Bültmann.

Energieversorgung von fahrerlosen Transportsystemen knifflig

Bei fahrerlosen Transportsystemen ohne Batterien versorgt ein stationärer Schaltschrank Leitungen im Boden mit Strom, der ein Magnetfeld entstehen lässt, das von der Pick-up-Einheit am fahrerlosen Transportfahrzeug aufgenommen wird. Wichtig dabei: Der Abstand zwischen der Unterkante des Pick-ups und der Oberkante des Leiters, der mehr oder weniger tief im Hallenboden eingebracht ist, darf maximal 20 mm betragen. Bei einer Überlappung von 5 mm, die notwendig ist, damit der Leiter auch sicher im Betonboden liegt, bleiben noch 15 mm freier Luftspalt, um den benötigten Strom sicher zu übertragen.

Vahle hat verschiedene Schaltschrankgrößen im Programm, abhängig von den Anforderungen. Hat ein Kunde beispielsweise fünf fahrerlose Transportfahrzeuge auf der Strecke oder müssen 50 Fahrzeuge mit Strom versorgt werden? Herzstück des Schaltschranks ist der Primärinverter, der das 20-kHz-Signal erzeugt.

Pick-Up-Einheiten zur Energieaufnahme fahrerloser Transportfahrzeuge in verschiedenen Versionen

Die Pick-up-Einheiten zur Energieaufnahme gibt es in verschiedenen Versionen: flach oder mit eingebauter Batterieladung, um auch Batterien auf dem fahrerlose Transportfahrzeug nachladen zu können. Das ist wichtig bei einem gemischten Betrieb, wenn nicht die ganze Strecke mit Energie versorgt ist und die Fahrzeuge zeitweise selbstständig aus der Strecke herausfahren müssen.

Neben der Energie kann der Leiter im Boden bei Bedarf auch Daten übertragen, beispielsweise per Profibus-Schnittstelle mit einer Datenrate von 87,5 kbit. Über eine Transceiver-Baugruppe wird das Datensignal von der stationären SPS per Koppler in die Leitung eingespeist. Vom Fahrzeug aus gehen die Daten über ein oder zwei Antennen zurück an die SPS.

Als dritte Option kann der Energieleiter noch für die induktive Spurführung herangezogen werden. Ein Sensor erkennt das Magnetfeld und stellt entsprechend der Position ein analoges Signal zur Fahrzeuglenkung zur Verfügung.

Im Notfall müssen fahrerlose Transportfahrzeuge manuell bewegt werden

Und was passiert, wenn es einmal nicht „wie von Geisterhand“ funktioniert? „Wir mussten natürlich bei so einem System auch daran denken, dass es einmal nicht funktionieren kann. Insofern stellten wir die Anforderung, dass die Fahrzeuge auch manuell bewegt werden können“, erklärt Dr. Marc Ehrmann.

Ein weiterer, ganz entscheidender Punkt für den Jungheinrich-Werkleiter ist Ordnung und Sauberkeit. „Das geht natürlich von den Wegen über die eigentlichen Produktionsmittel und mündet dann in solchen Anforderungen, dass es zum Beispiel glatte Flächen geben muss, auf denen sich kein Schmutz oder sonstige Teile sammeln können.“

Auch für Ehrmann spielt die Produktionssicherheit eine eminent wichtige Rolle. Nicht nur die Montagespur, sondern auch die Rückführung der fahrerlosen Transportfahrzeugs müsse deshalb betrachtet werden.

Stapler und fahrerlose Transportfahrzeuge dürfen sich nicht in die Quere kommen

„Bei der Rückführung war uns ein wichtiges Anliegen, dass dies gemeinsam erfolgt. Nicht nur für das fahrerlose Transportsystem, sondern dass da ein Weg genutzt wird, der auch für den Materialtransport im Werk dienen kann. Wo also Stapler fahren, und das geht dann einher mit der Anforderung, dass man sich darum kümmern muss, dass es zu keinen Beschädigungen am fahrerlosen Transportsystem kommen kann“, so Ehrmann.

Nicht nur für das Jungheinrich-Projekt gilt, dass das fahrerlose Transportsystem wesentliche logistische Aufgaben übernimmt, so dass die bei manuellen Transporten anfallenden Leerfahrten im Werk drastisch reduziert werden konnten. „Und das Ganze haben wir geschafft mit den vorgegebenen Kosten, in der erwarteten Qualität und wir sind im vorgegebenen Zeitrahmen geblieben“, resümiert Ehrmann.

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