Motivation

Shuttle-Systeme gewinnen aufgrund ihrer Flexibilität und Skalierbarkeit zunehmend an Bedeutung. Infolge der Entkoppelung der horizontalen und vertikalen Bewegungen können bei diesen Systemen gleichzeitig Lager- und Förderprozesse durchgeführt werden, vgl. Abbildung 1. Die gleichzeitige Bewegung mehrerer Shuttle-Fahrzeuge verursacht jedoch große dynamische Kräfte. Eingesetzte Regale in Shuttle-Systemen sind häufig überdimensioniert und damit zu robust und stabil für die durch Shuttles erzeugten Schwingungen und dynamischen Kräfte ausgelegt. Um die Wirtschaftlichkeit zu optimieren, soll in diesem Forschungsvorhaben eine Analyse und Bewertung der Dynamik von Shuttle-Systemen auf Regalkonstruktionen erfolgen.

Ziele und Vorgehensweise
Dazu wird im ersten Schritt ein FEM-Gesamtmodell des Shuttle-Systems entwickelt. Dieses Modell soll die Wechselwirkungen zwischen Regal, Shuttle-Fahrzeug und Ladung abbilden. Im zweiten Schritt werden umfassende Simulationsstudien durchgeführt, wodurch die Auswirkungen der Bewegungen der Shuttle-Fahrzeuge auf die Regale aufgezeigt werden. Abschließend sollen aus den erzielten Ergebnissen Handlungsempfehlungen zur Gestaltung und Dimensionierung von Regallagern abgeleitet werden, die in einem Leitfaden veröffentlicht werden.

Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung des Shuttle-Systems

Beitrag
Eine Marktrecherche hat ergeben, dass es aktuell ca. 30 Hersteller von Shuttle-Systemen gibt, die für unterschiedliche Anwendungsfälle verschiedene Systemkonfigurationen entwickelt haben. Darüber hinaus gibt es über 20 Parameter, die für die Modellierung eines Shuttle-Fahrzeugs definiert werden müssen. Die konstruktiven Berechnungsgrundlagen eines Regallagers werden in mindestens 7 verschiedenen Normen aufgeführt. Allerdings sind diese hauptsächlich für Regale mit Regalbediengeräten ausgelegt.

In diesem Forschungsvorhaben wird ein Referenzregal sowie ein Referenz-Shuttle-Fahrzeug betrachtet. Das Regal wird in der Praxis aus verschiedenen Stahlprofilen in modularer Bauweise angefertigt und wird in der Regel in Längs- bzw. Höhenrichtung beliebig parametrisierbar konstruiert. Um die Simulation praxisnah zu gestalten, wird in der FEM-Software ANSYS ein parametrisiertes Regalmodell implementiert.

Das Shuttle-Fahrzeug wird mit einem MATLAB/Simulink-Modell abgebildet, das das dynamische Verhalten des Shuttles und der dabei wirkenden, veränderlichen Kräfte während der Fahrt berechnet. Die erzielten Ergebnisse werden als Eingangsgrößen (anregende Kräfte) für die FEM-Analysen
des Regals herangezogen.

Abbildung 2 stellt die dynamische Verformung des Regals (bestehend aus 3 Ebenen) aufgrund der Bewegung (Fahrt entlang der x-Achse) von je einem Shuttle-Fahrzeuge je Ebene dar. Da das Regal symmetrisch aufgebaut ist, wird für die Analyse in Längsrichtung lediglich eine Hälfte betrachtet.

Abbildung 2: Beispielhafte Bewegung der drei Shuttle-Fahrzeuge und deren Effekt auf die Regal-Verformung

Ein besonders relevantes Betriebsszenario stellt die gestaffelte Beschleunigung bzw. Abbremsung mehrerer Shuttle-Fahrzeuge dar. Dies bedeutet, dass das erste Fahrzeug beschleunigt/abbremst, dann mit einer Verzögerung das zweite Fahrzeug usw.. Dabei wird die gestaffelte Bewegung an die Eigenfrequenz des Regals angepasst und simuliert. Im Rahmen des Design of Experiments werden sowohl leere Regalmodelle als auch Regalmodelle mit verschiedenen Füllgraden betrachtet.

Projektpartner
Diverse klein- und mittelständische Unternehmen mit Sitz in Deutschland, die Shuttle-Systeme herstellen.

Ausblick/Perspektive
Die im Forschungsvorhaben verwendeten und gewonnenen Forschungsdaten sowie der Leitfaden werden den KMU zur Verfügung gestellt. Die Ergebnisse dieses Vorhabens können sie dabei unterstützen, Shuttle-Systeme und insbesondere deren Regalbau zukünftig besser und effizienter zu gestalten. Dazu kann die  benötigte Robustheit und Stabilität vor dem Bau der Regale bestimmt werden, wodurch gegebenenfalls Materialeinsparungen möglich sind. Zusätzlich wird auch die Sicherheit der Regallager erhöht, da die dynamischen Einflüsse der Shuttle-Fahrzeuge auf die Stabilität der Regale bestimmt werden können.