IPL-Magazin 45 | Oktober 2018 | Autor: Georg Wichmann, Frauenhofer IML

 

PUZZLE® - die Optimierungssoftware

 

okt18 fachbericht georg wichmann

Es war einmal …

Am Fraunhofer Institut für Materialfluss und Logistik IML – damals noch unter der Bezeichnung ITW (Institut für Transporttechnik und Warendistribution) – begann die Zeitrechnung für die automatische Palettierung unterschiedlich großer und schwerer Packstücke bereits in den 1980er Jahren. Der schienengebundene Kommissionier-Roboter ROMEO entnahm auftragsbezogen Packstücke von bereitgestellten, artikelreinen Paletten und setzte diese auf berechnete Ablagepositionen einer mitgeführten Palette ab. Toleranzen in der Lage der Artikel auf den Bereitstellpaletten wurden mit einer im Sauggreifer integrierten Kamera und einer Bildverarbeitungseinheit ausgeglichen.

Für die Ermittlung der Positionen aller Artikel eines Kommissionier-Auftrages wurde eine spezielle Optimierungssoftware zur Lösung dieses nichttrivialen Problems benötigt. Dies war die Geburtsstunde der Software PUZZLE®.

Erste Industrie-Projekte

Diese initialen Entwicklungen führten zu einer Reihe von erfolgreichen Industrie-Projekten in den folgenden, 1990er Jahren obwohl die technischen Möglichkeiten – verglichen mit heutigem Standard – sehr limitiert waren. Die Robotersteuerungen wurden anfänglich noch über eine serielle Schnittstelle angebunden. Eine „Integration“ von Sensorik für die Ermittlung von anzufahrenden Positionen resultierten in längeren Totzeiten und damit einer hohen Taktzeit der Handhabungseinheit. Die Berechnung der individuellen Packpläne für die zu stapelnden Packstücke ist keine triviale Aufgabe. Das zur Lösung erforderliche Optimierungsprogramm benötigt viel Rechenleistung und Speicher. Erste Robotersysteme waren in der Lage Mischpaletten mit 50 bis maximal 100 diversen Packstück-Geometrien zu bilden.

Die Zeiten haben sich geändert

Die aus den ersten Realisierungen gezogenen Lehren führten in der Folge zu einem vollständigen Wechsel in der Betrachtung und im Design von automatisierten Verteilzentren. Während vormals der relativ isolierte Ansatz verfolgt wurde, durch ein Hinzufügen der Komponente Roboter das Stapeln von Mischpaletten zu automatisieren und dabei die vorgelagerten Abläufe möglichst zu belassen, werden nunmehr sämtliche Teilsysteme und Abläufe im Lager diesem Ziel unterworfen und entsprechend angepasst. Ein beispielhafter Ablauf mit wesentlichen Systemkomponenten für die vollautomatische Stapelung von Mischpaletten ist in Abbildung 1 dargestellt.

Bei Vereinnahmung der Ware wird diese vermessen und es werden weitere Attribute wie z.B. das Gewicht, die Belastbarkeit oder die Warengruppe erfasst. Sich auf vorab gemeldete „Stammdaten“ oder gelegentliche Messungen zu stützen ist nicht selten zu riskant. Wichtig ist auch eine Klassifizierung und Aufnahme der Daten über die Beschaffenheit der Oberfläche und des Bodens für die weitere Handhabung. Die zu handhabenden Packstücke sind zwar generell von quaderförmiger Gestalt, beim Stapeln von Mischpaletten treten aber erhebliche Unterschiede zu Tage. Gebinde mit labilen Böden erfordern ein Abstützen der Unterseite bis an den Rand, andere Packstücke liefern nur entlang von Kanten oder an Ecken Stützflächen. Dies alles muss beim Berechnen der Packpläne berücksichtigt werden und dient dem wichtigsten Ziel: keine Beschädigung der Produkt.

 

Abb.1: Beispielhafter  Ablauf in einem „voll-automatischen“ Distributionszentrum
Abb.1: Beispielhafter Ablauf in einem „voll-automatischen“ Distributionszentrum

 

Unabhängig von der konkreten Ausführung setzen die Systemanbieter für die Versorgung der Endstellen auf kompakte Kanallager. Die Packstücke werden auf Trays mittels Shuttle ein- und ausgelagert. Der nachfolgende Schritt der Sequenzierung dient der Zuführung der Artikel in einer für die betreffende Palette passenden Stapelreihenfolge. Hierbei ist es wichtig, sich zu vergegenwärtigen, dass eine Palette nicht zwingend in genau einer Packstück-Reihenfolge gestapelt werden muss. Sollen zwei Artikel frei zugänglich nebeneinander auf der Mischpalette positioniert werden, so ist es eventuell unerheblich welches der beiden Packstücke zuerst gestellt wird. Liegen die Positionen übereinander ist die Reihenfolge naturgemäß vorgegeben. Für den Durchsatz der Anlage kann es daher vorteilhaft sein, mehrere mögliche Sequenzen vorzuhalten oder zu ermitteln und die tatsächliche Sequenz dynamisch - entsprechend der Situation im Tray-Lager - zu wählen.

Die letzten Schritte finden dann in der Roboterzelle statt. Je nach Anlagenkonzept werden die Packstücke sensorgestützt zu einer dedizierten Aufnahmeposition bewegt oder mit dem Roboter direkt von der Fördertechnik abgegriffen oder geschoben und zur Zielposition auf die Mischpalette transportiert. Mittlerweile sind Systeme verfügbar, bei welchen ein Roboter in einem Taktzyklus mehrere unterschiedliche Artikel in diversen Lagen auf die Zielpalette bringt. Damit sind 1000 Packstücke pro Stunde auf einer Linie realisierbar.

Die Software zur Bestimmung der Packpläne Eine wesentliche Komponente in einem solchen System ist die Software für die Berechnung der Packpläne. Während das Zusammenspiel der elektromechanischen Komponenten die Taktzeiten und damit den Durchsatz der Anlage bestimmt, sind andere wichtige KPI an die Leistungsfähigkeit der Palettier-Software gebunden. Auf einer akzeptablen Mischpalette sind Positionen einer Auftragszeile nicht auf mehrere Paletten verteilt, gleiche und ähnliche Artikel einer Warengruppe liegen nah zusammen und der Aufbau der Palette gestaltet sich für den Empfänger möglichst günstig z.B. entsprechend eines Shop-Layouts. Für genau diese Aufgabenstellungen wurde am Fraunhofer IML vor einigen Jahren mit der Entwicklung des PUZZLE® - Frameworks begonnen. Die durchgängig objektorientierte Java Software liefert bereits eine fertige Lösung für die Berechnung von Packplänen, unterstützt aber zudem die Erweiterung und auch den Austausch von Komponenten durch entsprechende Eigenentwicklungen unserer Partner.

Abgerundet wird das Framework durch Plug-Ins für diverse Datenformate für den Import und Export und die Erzeugung von PDF Reports oder 3DGrafiken. Anbieter von Materialflusssystemen erhalten somit eine erprobte Basis für die Eigenentwicklung und projektspezifische Anpassungen. Bereits mehrere erfolgreiche Entwicklungen unserer Partner zeigen uns, dass dieser Weg der „Arbeitsteilung“ ein guter ist.

 

Abb. 2: Mit PUZZLE® berechnete Mischpaletten
Abb. 2: Mit PUZZLE® berechnete Mischpaletten

 

Abb. 2: Mit PUZZLE® berechnete Mischpaletten
Abb. 2: Mit PUZZLE® berechnete Mischpaletten

 

PUZZLE® ist eine eingetragene Marke der Fraunhofer Gesellschaft

 

Über den Autoren Georg Wichmann

  • Dipl.-Ing. der Elektrotechnik, Studium an der Universität Dortmund
  • Seit Februar 1990 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IML
  • Leiter des PUZZLE® Teams in der Abteilung Software- und Information Engineering