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Stets sichere Fahrt

Sicher­heit ist bei Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeugen (FTF) oberstes Gebot zum Schutz von Menschen und der Umge­bung. Mit Laser­scanner und einer Sicher­heits­steue­rung allein ist es aber nicht getan. Die rich­tige Antriebs­lö­sung trägt einen erheb­li­chen Teil für den gefahr­losen und effi­zi­enten Betrieb auto­nomer Trans­port­fahr­zeuge bei.


Durch zuneh­mend flexibel ausge­legte Produk­ti­ons­pro­zesse werden auch die Waren­flüsse neu gedacht – und durch Fahrer­lose Trans­port­fahr­zeuge reali­siert. Komplexe Trans­port­auf­gaben lassen sich so ohne starre Mate­ri­al­fluss­lö­sungen in Ferti­gungs­hallen und Logis­tik­be­rei­chen effi­zient absol­vieren. Im Ideal­fall navi­gieren die FTF völlig frei zu ihren Zielen. Dabei umfahren die Fahr­zeuge selb­ständig Hinder­nisse und stoppen sicher vor plötz­lich auftau­chenden Menschen.

Safety muss deshalb bei den FTF an erster Stelle stehen. Nichts wäre fataler für den Hersteller und Betreiber der FTF, als wenn Menschen durch Kontakt mit dem Fahr­zeug verletzt werden. Auch eine Kolli­sion mit Maschinen oder Gefahrgut kann erheb­liche Schäden nach sich ziehen. Das FTF muss somit spezi­fi­schen Sicher­heits­funk­tionen in der Steue­rung, der Navi­ga­tion, bei Brems­vor­gängen und der Geschwin­dig­keits­über­wa­chung gerecht werden. Die entspre­chenden Anfor­de­rungen im indus­tri­ellen Bereich defi­niert die Norm DIN EN ISO 3691-4 „Fahrer­lose Flur­för­d­er­zeuge und ihre Systeme“. Außerdem gibt die Norm den erfor­der­li­chen Perfor­mance Level für Über­wa­chungs­funk­tionen, Betriebs­arten und die Brems­steue­rung vor.

Das FTF muss somit spezi­fi­schen Sicher­heits­funk­tionen in der Steue­rung, der Navi­ga­tion, bei Brems­vor­gängen und der Geschwin­dig­keits­über­wa­chung gerecht werden.

Um die Sicher­heits­funk­tionen zu erfüllen, sollten die Kompo­nenten eines FTF möglichst unkom­pli­ziert in unter­schied­liche Lösungs­an­sätze inte­griert werden können. Voraus­set­zung hierfür ist die Unter­stüt­zung von Indus­trie­stan­dards und vor allem schon umfang­reiche einge­bet­tete Safety-Funk­tionen der Kompo­nenten selbst. Dabei spielt das Antriebs­kon­zept eines FTF eine wesent­liche Rolle, um die Fahr­zeuge kosten­op­ti­miert und möglichst einfach projek­tieren zu können.

Safety-Rolle der Antriebs­lö­sung

In Bezug auf die Safety eines Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeuges nehmen die Sicher­heits­steue­rung sowie Laser­scanner für die Über­wa­chung der Umge­bung prin­zip­be­dingt eine zentrale Rolle ein. Aller­dings muss dann eine Umset­zung etwaiger Aktionen „sicher“ über die Antriebe erfolgen. Sicher­heits­kri­ti­sche Faktoren wie Brems­ver­mögen, Geschwin­dig­keit, Lenk­winkel und Zula­dungs­ge­wicht sind vonein­ander abhängig und bei der Ausfüh­rung von Manö­vern des FTF zu berück­sich­tigen. Um diese im Bedarfs­fall notwen­digen sicheren Zustände über die Sicher­heits­steue­rung auslösen zu können, muss die Antriebs­technik mit Safety-Befehlen umgehen können.

Typi­scher­weise kommen in der Praxis aller­dings oft Antriebe ohne Bus-Schnitt­stellen und dem dazu­ge­hö­rigen Sicher­heits­pro­to­koll zum Einsatz, wodurch zusätz­liche Safety-Geber verbaut werden müssen. Aus Redun­danz-Gründen ist bei bewegten Achsen immer ein zweites Signal notwendig. Diese Safety-Geber für die Über­wa­chung der Fahrt­rich­tung und der sicheren Dreh­zahl des Antriebs kosten Geld, Inte­gra­ti­ons­auf­wand und wert­vollen Bauraum.

Das Fahr-Lenk-System Argo­Drive von ebm-papst für Fahrer­lose Trans­port­fahr­zeuge ist eine Einheit bestehend aus Motoren, spezi­ellem Getriebe, Sensorik und allen erfor­der­li­chen Anschlüssen und erlaubt flächen­be­weg­li­ches Navi­gieren. (Foto: ebm-papst)

Aus diesem Grund hat ebm-papst bei seiner kompakten Antriebs­lö­sung Argo­Drive die notwen­digen Kompo­nenten für die Umset­zung eines auf Redun­danzen basierten Safety-Konzepts bereits inte­griert. Dieses Fahr-Lenk-System vereint die Funk­tionen Vortrieb und Lenkung in einer Baugruppe und verfügt über die notwen­dige Sensorik und alle erfor­der­li­chen Anschlüsse. Jedes Argo­Drive, mit dem sich sehr einfach FTF mit omni­di­rek­tio­naler Manö­vrier­fä­hig­keit reali­sieren lassen, besitzt bereits redun­dante Geber­sys­teme. Neben den Hall­sen­soren der Motoren sorgt ein zusätz­li­cher zweiter Geber für die gefor­derte Redun­danz, um die exakte Dreh­zahl sicher zu erfassen. Für die Bestim­mung des Lenk­win­kels gibt es eben­falls ein auf Redun­danz ausge­legtes Encoder-System.

Damit liefert das Argo­Drive gebün­delt bereits die wich­tigsten Grund­lagen zur Gene­rie­rung von Safety-Signalen für die über­ge­ord­nete Sicher­heits­steue­rung des Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeugs. Hersteller von FTF sparen sich damit einen höheren Inte­gra­ti­ons­auf­wand durch sepa­rate Encoder, um beispiels­weise den Lenk­winkel eines Dreh­kranzes sowie die sichere Dreh­zahl zu erfassen. Durch die verfüg­baren MttFd-Werte der Sensorik lässt sich auch das erreich­bare Perfor­mance-Level mit den gängigen Tools berechnen.

Damit liefert das Argo­Drive gebün­delt bereits die wich­tigsten Grund­lagen zur Gene­rie­rung von Safety-Signalen für die über­ge­ord­nete Sicher­heits­steue­rung des Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeugs.

Um Herstel­lern von Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeugen bei der Wahl der Sicher­heits­steue­rung die maxi­male Frei­heit zu bieten, müssen die wich­tigsten markt­üb­li­chen Kommu­ni­ka­ti­ons­stan­dards unter­stützt werden. Beim Argo­Drive bietet ebm-papst deshalb Support für CANopen ebenso wie für EtherCAT oder die Inte­gra­tion in die Steue­rungs­um­ge­bung von Siemens mit Profinet.

Sicherer Stopp

Im Notfall muss das Fahrer­lose Trans­port­fahr­zeug inner­halb einer, der jewei­ligen Situa­tion ange­mes­senen kurzen Strecke zum Stehen kommen. Natür­lich lässt sich bei einem schlech­teren Brems­ver­halten des FTF das von den Sicher­heits-Scan­nern erfasste Schutz­feld vergrö­ßern, aller­dings redu­ziert sich dann die Einsatz­ef­fi­zienz und Wett­be­werbs­fä­hig­keit des Fahr­zeugs erheb­lich.

Fahrer­lose Trans­port­fahr­zeuge können mit zwei, drei oder vier Argo­Drive ausge­stattet werden – je nach erfor­der­li­cher Leis­tung und Gewichts­klasse. (Foto: ebm-papst)

Unab­hängig von der Größe des Schutz­feldes muss das Antriebs­system bei Gefahr den Befehl eines sicheren Stopps zuver­lässig ausführen. Hier ist dann vor allem eine hohe Brems­leis­tung erfor­der­lich. Das Argo­Drive kann eine sofor­tige Notbrem­sung ebenso einleiten wie eine kontrol­lierte moto­ri­sche Verzö­ge­rung mit bis zu 2,5 m/s2. Das mecha­ni­sche Notbrems­mo­ment beträgt dabei 60 Nm, während moto­risch mit bis zu 30 Nm verzö­gert werden kann. Die mecha­ni­sche Bremse dient zudem als Halte­bremse, beispiel­weise um hava­rierte FTF auch auf Rampen gegen unbe­ab­sich­tigtes Losrollen zu sichern.

Bei einer Notbrem­sung leistet ein FTF mit vier verbauten Argo­Drives folge­richtig einen noch schnel­leren Still­stand als mit zwei Einheiten plus Stütz­räder – weil das Brems­mo­ment aller vier Antriebe zur Verfü­gung steht. Hier zeigt sich bereits ein wesent­li­cher Vorteil dieser Lösung: Schon mit einem Argo­Drive lässt sich durch die kombi­nierte Antriebs- und Lenk­funk­tio­na­lität ein Fahrer­loses Trans­port­fahr­zeug reali­sieren.

Bereits mit zwei Argo­Drives ergibt sich für das FTF die Möglich­keit der vollen omni­di­rek­tio­nalen Manö­vrier­fä­hig­keit. Und mit vier Antriebs­ein­heiten lässt sich nicht nur das mögliche Trans­port­ge­wicht nach oben skalieren, sondern wie erwähnt auch die maxi­male Brems­ver­zö­ge­rung. Auch beim Versagen der Strom­ver­sor­gung des Gesamt­fahr­zeugs geht das Argo­Drive in einen sicheren Halt, um unkon­trol­lierte Bewe­gungen zu vermeiden. Der ange­strebte sichere Zustand ist damit erreicht.

Omni­di­rek­tio­na­lität bei FTF mit Argo­Drive

Eine neue Lösung für Fahrer­lose Trans­port­fahr­zeuge ist der Argo­Drive von ebm-papst. Er vereint die Funk­tionen Vortrieb und Lenkung in einer Baugruppe. Diese Einheit besteht aus Motor, Getriebe, omni­di­rek­tio­naler Lenkung, Sensorik und allen erfor­der­li­chen Anschlüssen. Seine zwei 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.

Je ein Argo­Drive pro Achse garan­tieren bereits die volle Omni­di­rek­tio­na­lität. Je nach Anfor­de­rung an die Größe des Trans­port­sys­tems sowie dem Gewicht der zu bewe­genden Ware lassen sich auch drei oder vier Fahr-Lenk-Systeme verbauen. Um jede Anfor­de­rung an die zu bewe­genden Massen, an den Bremsweg oder Bewäl­ti­gung von Stei­gungen skalierbar zu erfüllen, bietet ebm-papst sein Argo­Drive in den Vari­anten Light, Stan­dard und Heavy für Nutz­lasten bis 100, 300 bezie­hungs­weise 500 kg pro Rad an. Mit vier Heavy-Vari­anten ist dann ein Fahr­zeug­ge­samt­ge­wicht von bis zu zwei Tonnen möglich. Gleich­blei­bende Getrie­be­ab­mes­sungen über alle Baugrößen bei stan­dar­di­sierten Monta­ge­punkten und einheit­li­cher, hoch­wer­tiger Steck­ver­bin­dungen ermög­li­chen eine Anpas­sung des FTF an projekt­spe­zi­fi­sche Anfor­de­rungen inner­halb von Minuten.

Neben einer hohen Brems­ver­zö­ge­rung muss der Antrieb auch problemlos eine Viel­zahl von Notstopps ohne Einschrän­kung der Funk­tio­na­lität vertragen. Das Argo­Drive verzö­gert bei einem Nothalt mecha­nisch über einen Brems­belag das Rad maximal. Bei der über­wie­genden Anzahl von Brems­vor­gängen reicht jedoch die elek­tro­mo­to­ri­sche Verzö­ge­rung von 2,5 m/s2 stets aus, denn die Verzö­ge­rungs­leis­tung eines Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeugs ist auf die Größe der für die normale Fahr­ge­schwin­dig­keit einge­stellten Schutz­felder abge­stimmt. Notbrem­sungen leitet die Safety-Steue­rung nur ein, wenn vor dem FTF plötz­lich Gegen­stände oder Menschen das engere Schutz­feld verletzen. Hier findet stetig eine hoch­dy­na­mi­sche Echt­zeit­über­wa­chung statt.

ebm-papst bietet den Argo­Drive ist den Vari­anten Light, Stan­dard und Heavy an, alle weisen die gleiche Omni­di­rek­tio­na­lität auf. „Heavy“ erlaubt ein Gewicht von maximal 500 kg pro Antriebs­ein­heit. (Foto: ebm-papst)

Inte­grierte Ausfall­si­cher­heit

Neben der Redun­danz der Geber­sys­teme für Lenk­winkel und Dreh­zahl der inte­grierten Motoren muss das komplette Antriebs­system eine hohe Ausfalls­si­cher­heit aufweisen. Kern­werte wie die MttFd (Mean-time-to-dange­rous-Failure) von elek­tro­ni­schen Kompo­nenten sind für den Konstruk­teur von Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeugen ein Muss.

Der Trans­port schwere Rohka­ros­se­rien oder Euro­paletten, die auf ein Gewicht von bis zu 2 t ausge­legt sind, sind dann präde­sti­niert für FTF mit der Heavy-Vari­ante. (Foto: ebm-papst)

Denn mit diesen Werten wird seine Safety-Berech­nung ebenso gefüt­tert wie mit den B10-Werten für die rein elek­tro­me­cha­ni­schen Bauteile des Antriebs­sys­tems wie der Bremse. Der B10-Wert kenn­zeichnet die nomi­nelle Lebens­dauer der Kompo­nente bei einer Über­le­bens­wahr­schein­lich­keit von 90 Prozent. SISTEMA Safety-Soft­ware Tools ermit­teln mit diesen Werten, ob die gefor­derte Ausfall­si­cher­heit des Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeugs mit dem Antriebs­system – oder auch jeder anderen verbauten Kompo­nente – möglich ist. Für die Entwickler von FTF hält ebm-papst für das Argo­Drive diese wich­tigen Werte wie MttFd für die Sensorik oder B10 für die Bremse parat.

Die hohen Quali­täts­stan­dards von ebm-papst sorgen hier für eine lange Lebens­dauer und Ausfall­si­cher­heit der Antriebs­lö­sung. Eine Wartung des Argo­Drive ist während der gesamten Lebens­dauer nicht notwendig. Das hebt ihn von mecha­nisch komple­xeren Antriebs­kon­zepten wie dem Mecanum-Rad ab, wo beispiels­weise regel­mä­ßiges Reinigen oder das Nach­schmieren mit Öl nötig sind.

Hinzu kommt, dass der Argo­Drive durch sein einzig­ar­tiges Design im Gegen­satz zu anderen omni­di­rek­tio­nalen Antriebs­ein­heiten keinerlei bewegte Kabel oder Kontakt­stellen im Fahr-Lenk-System aufweist. Zusätz­lich sind die Antriebs­bau­gruppen und die Sensorik gekap­selt im Gehäuse unter­ge­bracht und somit nicht den Umge­bungs­be­din­gungen ausge­setzt. Damit wird ein weiterer Ausfall­grund elimi­niert.

Mehr als ein Kompo­nen­ten­lie­fe­rant

Die Umset­zung der erfor­der­li­chen Safety-Maßnahmen sind zwei­fels­ohne eine Heraus­for­de­rung für die Entwickler Fahrer­loser Trans­port­fahr­zeuge. Entspre­chend wichtig ist eine möglichst einfache Inte­gra­tion der Antriebs­lö­sung in das Gesamt­kon­zept. Beim Argo­Drive bietet ebm-papst bereits eine Viel­zahl an inte­grierten Safety-Features, die das Leben der FTF-Hersteller erleich­tern.

Die kompakte Antriebs­lö­sung Argo­Drive von ebm-papst für FTF verfügt über ein inte­griertes Safety-Konzept. (Foto: ebm-papst | Gernot Walter)

Hierzu zählt auch die verein­fachte Instal­la­tion durch den Betrieb des Antriebs mit Schutz­klein­span­nung von 48 V DC. Konstruk­tive Zwänge für Antriebe die mit 230 V AC oder mehr betrieben werden sind weniger gegeben und die geringe Span­nungs­größe stellt auch gerin­gere Anfor­de­rungen an das Wartungs­per­sonal. Das verrin­gert nicht nur den Aufwand und spart somit Kosten, sondern erhöht auch die Ausfall­si­cher­heit und das Safety-Level (nur Schutz­klein­span­nung). Ein weiterer Vorteil des Argo­Drive sind die viel­fäl­tigen Monta­ge­punkte, sowohl seit­lich als auch an Ober- und Unter­seite.

Hersteller von Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeugen können auch auf die Inte­gra­ti­ons­er­fah­rungen von ebm-papst zurück­greifen. Der Anbieter des omni­di­rek­tio­nalen Fahr-Lenk-Systems kann aus seinen Erfah­rungen in Projekten schöpfen und somit Empfeh­lungen bei der Umset­zung der Safety-Konzepte der FTF-Entwickler einbringen. Das betrifft beispiels­weise das Auslesen der Safety-Signale, worauf es hierbei zu achten gilt und welche Fall­stricke bei verschie­denen Bus-Systemen auftau­chen können. ebm-papst sieht sich mit dem Argo­Drive nicht nur als Kompo­nen­ten­lie­fe­rant des Antriebs­sys­tems, sondern immer mehr auch als Entwick­lungs­partner für Hersteller der Fahrer­losen Trans­port­fahr­zeuge.

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