DE102009011296B4 - Beladung eines Lademittels mit Paketen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Beladung eines Lademittels mit Paketen (1,...6), mit dem Schritt:(S20, S40): virtueller Aufbau von Paketlagen (1, 2, 3; 4, 5; 6)gekennzeichnet durch den Schritt:(S30, S50): Bestimmen zufügbarer Drücke (pzu,i), die einer Lage oder Paketen einer Lage zugefügt werden dürfen; wobeieine ein- oder mehrlagige Konfiguration iterativ aufgebaut (S20, S40, S70) wird und überprüft wird, ob zufügbare Drücke (pzu,i) überschritten werden (S60),wobei zufügbare Drücke (pzu,i) auf Basis maximal zulässiger Drücke (pzul,i) für Pakete bestimmt werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Planung der automatisierten Beladung eines Lademittels, insbesondere einer Palette, mit Paketen.
• Beispielsweise aus der EP 1 211 203 B1 ist eine automatisierte Planung eines Palettier- oder Lademusters, i.e. einer Anordnung von Paketen auf einem Lademittel, bekannt. Pakete bezeichnen vorliegend allgemein Einzelwaren oder Warengebinde, insbesondere von Manipulatoren transportierte.
• Die gattungsbildende DE 10 2007 001 263 A1 schlägt ein Verfahren zur Überprüfung solcher Palettiermuster auf Stabilität des Paketstapels, i.e. der auf dem Lademittel angeordneten Pakete vor, indem virtuelle Paketlagen aufgebaut und für diese Kenngrößen bestimmt werden.
• Ein weiteres Verfahren ist aus der DE 697 30 758 T2 , welches eine reale, d.h. nichtvirtuelle Beladung von Paletten behandelt und eine Gewichtsfortpflanzung über mehrere Paketlagen darstellt.
• Um eine Beschädigung von Paketen und einen Kollaps des Paketstapels zu vermeiden, ist es aus der Praxis bekannt, die aufzugebenden Pakete in Rankingklassen einzuteilen, die eine regelbasierte Generierung des Paketstapels ermöglichen. Beispielsweise können stabileren Paketen höhere Klassen und weicheren oder fragileren Paketen niedrigere Klassen zugewiesen werden. Durch eine Regel, die etwa das Anordnen höher klassifizierter Pakete auf niedriger klassifizierten Paketen verhindert, kann dann eine Überlastung verhindert werden.
• Dieses Verfahren ist aufgrund der Vielzahl zu klassifizierender Pakete und abzubildender Regeln nicht nur aufwändig, rechentechnisch schwer zu implementieren und zu beherrschen, sondern führt in aller Regel auch zu ungünstigeren, insbesondere wenig überbauten und nicht sehr dicht gepackten Paketstapeln, in denen Pakete kaum miteinander verschränkt sind.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Beladung eines Lademittels mit Paketen, insbesondere die automatisierte Beladung mittels Manipulator, zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Planung bzw. Bestimmung einer günstigen Beladung eines Lademittels mit Paketen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 10 stellt eine Vorrichtung, Anspruch 11 bzw. 12 ein Computerprogramm bzw. ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Speichermedium, zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
• Die Erfindung ist insbesondere zur gemischten Beladung eines Lademittels mit verschiedenartigen Paketen geeignet und basiert auf dem Prinzip, bei einem virtuellen Aufbau eines Paketstapels zufügbare Drücke zu bestimmen, die einer oder mehreren Lagen oder einzelnen Paketen aufgeprägt werden dürfen.
• Solche zufügbare Drücke werden erfindungsgemäß auf Basis maximal zulässiger Drücke für Pakete bestimmt, die ihrerseits vorzugsweise auf Basis eines sortenreinen, insbesondere dicht- oder dichtestgepackten, Paketstapels bestimmt werden können. Für sortenreine Paketstapel sind zulässige oder optimale Lademuster häufig bekannt oder empirisch oder rechentechnisch einfach zu ermitteln. Basierend auf Maßen eines solchen sortenreinen Paketstapels, insbesondere seiner Ladefläche oder der Aufstandsfläche einer untersten Lage, seiner maximalen Stapelhöhe und seines maximalen Ladegewichts, kann der auf die unterste Lage wirkende Druck als ein maximal zulässiger Druck für Pakete der Sorte des Stapels abgeschätzt werden, was eine besonders einfache und zuverlässige Bestimmung eines maximal zulässigen Druckes als Ausgangswert für zufügbare Drücke ermöglicht.
• Ein solcherart abgeschätzter, einer untersten Lage zufügbarer Druck kann in einer Heuristik beim virtueller Aufbau von Paketlagen von unten nach oben propagiert werden, indem beispielsweise zufügbare Drücke auf Basis von Gewichten oder Gewichtsanteilen virtuell aufgelegter Pakete propagiert werden. Mit jedem Paket oder jeder Paketlage reduziert sich somit der zufügbare Druck der bereits vorhandenen Pakete bzw. Paketlagen, der diesen noch weiter hinzugefügt werden darf, bevor maximal zulässige Drücke erreicht werden. Dabei können zufügbare Drücke bereichsweise, insbesondere in Bereichen einer diskretisierten Ladefläche des Lademittels, einer diskretisierten Aufstandsfläche einer untersten Lage oder einer diskretisierten Kontaktfläche der untersten Lage zu einer auf ihr aufliegenden Lage, paketweise für einige oder alle bereits aufgeladenen Pakete, und/oder lageweise für eine oder mehrere Lagen des virtuellen Paketstapels propagiert werden.
• Durch diese Heuristik wird eine Lage oder eine mehrlagige Konfiguration virtuell aufgebaut und jeweils überprüft. Dabei können Konfigurationen, in denen zufügbare Drücke durch hinzugefügte Pakete überschritten werden, verworfen und so iterativ eine zulässige oder optimale Konfiguration gefunden werden. Neben einer solchen binären Entscheidung können die zufügbaren Drücke jedoch auch anderweitig bei der Planung berücksichtigt werden, beispielsweise als Gütekriterium. So kann beispielsweise ein Optimierer Konfigurationen, die höhere minimale oder mittlere zufügbare Drücke aufweisen, bevorzugen. Solche Optimierer können insbesondere klassische Optimierungsverfahren wie ein SQP-Verfahren, eine Bellmann-Optimierung mit Vorwärts-Rückwärts-Rekursionen, evolutionäre Algorithmen oder ein simuliertes Abkühlen verwenden. Auch ein neuronales Netz kann unter Berücksichtigung der zufügbaren Drücke eine geeignete Beladung generieren.
• Zusätzlich oder alternativ können in einer anderen Heuristik in dem virtuellen Aufbau Drücke von Paketen auf darunterliegende Paketlagen von oben nach unten propagiert und mit maximal zulässigen Drücken für Pakete verglichen werden. Dabei können Gewichte von Paketen vorzugsweise proportional zu ihren jeweiligen Aufstandsflächen auf darunter liegende Pakete bzw. Paketlagen verteilt werden.
• Insbesondere, um sensiblere Pakete zu schonen, kann eine maximale Stapelhöhe, wie sie für sortenreine Paketstapel empirisch oder rechnerisch ermittelt worden ist, zur Bestimmung des maximal zulässigen Druckes nach der vorliegenden Erfindung reduziert werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass solche Pakete nicht mit dem in einem dichtgepackten sortenreinen Stapel auftretenden Druck beaufschlagt werden.
• Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
• 1A: einen sortenreinen Paketstapel in der Seitansicht;
• 1B: die Draufsicht auf den Stapel der 1A von oben;
• 2A: einen virtuellen Paketstapel während eines Schrittes eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
• 2B: die Draufsicht auf den Stapel der 2A von oben;
• 2C: bereichsweise zufügbare Drücke für die Pakete des Stapels der 2B;
• 3A: den Paketstapel der 2A während eines weiteren Schrittes des Verfahrens;
• 3B: die Draufsicht auf den Stapel der 3A von oben;
• 3C: die bereichsweise von unten nach oben propagierten zufügbaren Drücke;
• 4A: den Paketstapel der 3A während eines weiteren Schrittes des Verfahrens;
• 4B: die Draufsicht auf den Stapel der 4A von oben;
• 4C: bereichsweise von oben nach unten propagierte Drücke; und
• 5: den Ablauf des Verfahrens.
• 5 zeigt den Ablauf einer iterativen Generierung eines zulässigen Paketstapels aus 6 Paketen 1,....6 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Berücksichtigung maximal zulässiger Drücke auf Pakete.
• Zunächst wird in einem ersten Schritt S10 der maximal zulässige Druck p_zul, der auf die zu kommissionierenden Pakete wirken darf, abgeschätzt.
• Hierzu wird für jeden Pakettyp eine sortenreine Palette dieses Pakettyps zugrundegelegt, auf der Pakete in dichtester Packung bis zu einer dann maximal zulässigen Stapelhöhe palettiert sind. 1A, 1B zeigen in der Seitansicht bzw. Draufsicht von oben exemplarisch eine solche Palette, in der identische Pakete 1 bis zu ihrer maximalen Stapelhöhe von drei Lagen aufgestapelt sind. Allgemein ergibt sich der maximal zulässige Druck p_{zul, i} auf Pakete vom Typ i zu $$p_{zul,i}=\frac{{\displaystyle \sum _{j=2}^{L_{\text{max}\text{,}i}}{N}_{i,j}\cdot m_i}}{N_{i,\text{l}}\cdot A_i}$$

  

  mit der maximal zulässigen Lagenzahl L_{max, i}, dem Gewicht m_i eines Pakets, der Anzahl N_{i, j} an Paketen in der Lage j und der Kontaktfläche A_i eines Pakete zu der auf ihr aufliegenden Lage.
• Enthalten bei dichtester Packung alle Lagen dieselbe Anzahl Pakete, vereinfacht sich (1) zu $$p_{zul,i}=\frac{\left(L_{\text{max}\text{,}i}-1\right)\cdot m_i}{A_i}$$

  
• Um bestimmte Pakettypen zu schonen, kann ein Anwender die maximal zulässige Lagenzahl L_max,i reduzieren, so dass sich für diese Pakete ein geringerer maximal zulässige Druck ergibt.
• Nun wird die Palette von einem Palettieralgorithmus virtuell lagenweise beladen, wie in der Figurenfolge 2 → 3 → 4 dargestellt. Dabei zeigen in 1A, 1B entsprechender Weise die 2A, 3A, 4A eine Seitansicht, die 2B, 3B, 4B eine Draufsicht auf den Paketstapel.
• In einem Schritt S20 wird in der untersten, ersten Lage (2) ein Paket 1 des vorstehend erläuterten Pakettyps 1, ein gleich hohes Paket 3 mit geringerer Länge und Breite, und ein niedrigeres Paket 2 mit wiederum geringerer Breite angeordnet. Die Anordnung der Pakete in einer Lage kann durch geeignete Algorithmen in an sich bekannter Weise erfolgen, indem beispielsweise zunächst größte oder schwerste Pakete ausgewählt und die Lage sukzessive mit kleineren oder möglichst gleich hohen Paketen aufgefüllt wird. Dabei wird vorzugsweise auch die Stabilität des aufgebauten Paketstapels berücksichtigt.
• Nun wird in einem Schritt S30 der Druck p_zu bestimmt, der noch hinzugefügt werden darf, ohne den maximal zulässige Druck p_zul,i der Pakete 1, 2, 3 dieser Lage zu überschreiten. Dieser noch zufügbare Druck p_zu ist in 2 C dargestellt, er variiert entsprechend der maximal zulässigen Drücke der drei verschiedenen Pakettypen bzw. -sorten. Im Ausführungsbeispiel ist er äquidistant diskretisiert und weist entsprechend die Werte $${\text{p}}_{\text{zu}\text{, 1}}={\text{p}}_{\text{zul}\text{, 1}}$$

  

  $${\text{p}}_{\text{zu}\text{, 2}}={\text{p}}_{\text{zul}\text{, 2}}$$

  

  $${\text{p}}_{\text{zu}\text{, 3}}={\text{p}}_{\text{zul}\text{, 3}}$$

  

  auf.
• Sollen nun in einer zweiten Lage (3) weitere Pakete 4, 5 angeordnet werden, deren Typ dem der Pakete 1 bzw. 3 entspricht, kann zunächst geprüft werden, ob hierdurch der zufügbare Druck p_zu auf die unterste Lage überschritten wird. Hierzu wird beispielsweise der zufügbare Druck für die zweite Lage bestimmt, indem zunächst in einem Schritt S40 die Pakete 4, 5 in der zu prüfenden Konfiguration virtuell auf der ersten Lage angeordnet werden und dann in einem Schritt S50 das Gewicht dieser Pakete durch ihre maximale Kontaktfläche bzw. Unterseite A* oder durch ihre Aufstandsfläche auf der untersten Lage dividiert und von dem jeweils zufügbaren Druck der untersten Lage bereichsweise, i.e. in dem jeweiligen Kontaktbereich subtrahiert wird: $$p_{zu\mathrm{,4}}=p_{zu\mathrm{,3}}-\frac{m_4}{{{\displaystyle A}}_4^{*}}$$

  

  $$p_{zu\mathrm{,5}}=p_{zu\mathrm{,1}}-\frac{m_5}{{{\displaystyle A}}_5^{*}}$$

  

  $$p_{zu\mathrm{,6}}=p_{zu\mathrm{,1}}-\frac{m_4}{{{\displaystyle A}}_4^{*}}$$

  

  $$p_{zu\mathrm{,7}}=p_{zu\mathrm{,1}}\cdot k$$

  

  oder vereinfacht beispielsweise lageweise der größte der Quotienten m₄/A₄, m₅/A₅ von dem kleinsten zufügbaren Druck der unteren Lage subtrahiert wird: $$p_{zu\mathrm{,45}}=Min\left(p_{zu,i}-Max\left(\frac{m_4}{{{\displaystyle A}}_4^{*}},\frac{m_5}{{{\displaystyle A}}_5^{*}}\right)\right),i=\mathrm{1,}\dots 4$$

  

  wobei p_{zu, 4}... p_{zu, 7} einen bereichsweise definierten, p_{zu, 45} einen lageweise definierten zufügbaren Druck für die zweite Lage und A*_j eine maximale oder in der geprüften Konfiguration vorliegende Aufstandsfläche des Pakets j bezeichnet.
• Man erkennt in 3, dass das niedrigere Paket 2 in der geprüften Konfiguration mit dem Paket 4 überbaut ist und daher durch weiterer Lagen nicht belastet wird. Somit bestimmt in diesem Bereich der maximal zulässige Druck p_{zul, 1} des Pakets 4, das Paket 1 entspricht und auf dem weitere Lagen sich abstützen, den zufügbaren Druck p_{zul, 7}, der jedoch aufgrund der Scherbelastung mangels unterseitiger Abstützung in diesem Bereich um einen Faktor 0 < k < 1 reduziert wird.
• Unterschreitet der zufügbare Druck für die zweite Lage wenigstens bereichsweise einen unteren Grenzwert, insbesondere Null, so zeigt dies eine Überbeanspruchung eines Paketes der untersten Lage, die geprüfte Konfiguration wird in Schritt S60 verworfen und die Schritte S40, S50 gegebenenfalls mit einer anderen Konfiguration wiederholt.
• Verläuft die Prüfung in Schritt S60 positiv („N“), werden in analoger Weise weiteren Lagen geprüft, wobei der noch zufügbare Druck bereichs- oder lageweise entsprechend der zugefügten Lagen weiter reduziert und somit von unten nach oben durch den sich aufbauenden Paketstapel propagiert wird.
• Exemplarisch ist in 4 eine dritte Lage aus einem weiteren Paket 6 dargestellt, das den Paketen 3, 5 entspricht.
• Ist die Palette virtuell komplett aufgebaut (S70: „J“), wird die Druckverteilung nochmals geprüft. Hierzu werden beispielsweise die Gewichtskräfte m der einzelnen Pakete 1,...6 proportional auf ihre Aufstandsflächen verteilt, diese Drücke p durch den Paketstapel nach unten propagiert und mit den jeweils maximal zulässigen Drücken der beaufschlagten Pakete verglichen. Im Ausführungsbeispiel wird dementsprechend bereichsweise geprüft: $$p_{zul\mathrm{,1}}>p_0=0?$$

  

  $$p_{zul\mathrm{,1}}>p_4=\frac{m_4}{\frac{7}{9}{{\displaystyle A}}_4^{*}}?$$

  

  $$p_{zul\mathrm{,1}}>p_5=\frac{m_5}{{{\displaystyle A}}_5^{*}}?$$

  

  $$p_{zul\mathrm{,1}}>p_6=\frac{m_4}{\frac{7}{9}{{\displaystyle A}}_4^{*}}+\frac{m_6}{{{\displaystyle A}}_6^{*}}?$$

  

  $$p_{zu\mathrm{,2}}>p_0?$$

  

  $$p_{zu\mathrm{,3}}>p_4=?$$

  

  $$p_{zu\mathrm{,3}}>p_6=?$$

  
• Die erste und fünfte Zeile ergeben sich aus dem unbelasteten linken vorderen Eck des Pakets 1 bzw. dem überbauten, unbelasteten Paket 3 und können entfallen. Die zweite und sechste Zeile resultieren aus der teilweisen Abstützung des Pakets 4 auf dem Paket 1 an dessen rechtem vorderen Eck und auf dem Paket 3 an dessen rechtem hinteren Eck, die dritte Zeile aus der homogenen Auflage des Pakets 5 auf dem Paket 1 und die vierte und siebte Zeile aus der Abstützung des Pakets 6 und der teilweisen Auflage des Pakets 4 auf den Paketen 1, 3.
• Stellt sich bei dieser Überprüfung heraus, dass ein maximal zulässiger Druck überschritten wird, wird die geprüfte Konfiguration ebenfalls verworfen.
• Indem diese Prüfung bei der Planung einer Palettenbeladung, i.e. der Generierung eines Palettiermusters berücksichtigt wird, können einfach, effizient und zuverlässig stabile Paletten geplant werden.
• Bezugszeichenliste

1, 4

großes Paket

2

kleines Paket

3, 5, 6

mittleres Paket

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Beladung eines Lademittels mit Paketen (1,...6), mit dem Schritt: (S20, S40): virtueller Aufbau von Paketlagen (1, 2, 3; 4, 5; 6) gekennzeichnet durch den Schritt: (S30, S50): Bestimmen zufügbarer Drücke (_{pzu, i}), die einer Lage oder Paketen einer Lage zugefügt werden dürfen; wobei eine ein- oder mehrlagige Konfiguration iterativ aufgebaut (S20, S40, S70) wird und überprüft wird, ob zufügbare Drücke (p_{zu, i}) überschritten werden (S60), wobei zufügbare Drücke (p_{zu, i}) auf Basis maximal zulässiger Drücke (p_{zul, i}) für Pakete bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximal zulässiger Druck (p_{zul, i}) für ein Paket auf Basis eines sortenreinen, Paketstapels bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sortenreine Paketstapel ein dichtgepackter Paketstapel ist und/oder dass der maximal zulässige Druck (p_{zul, i}) auf Basis der Maße (A_i) des sortenreinen Paketstapels, seiner maximalen Stapelhöhe (L_{max, i}) und seines maximalen Ladegewichts $\left({\displaystyle \sum _{j=1}^{L_{max,i}}{N}_{i,j}\cdot m_i}\right)$

   

   bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der maximal zulässige Druck (p_{zul, i}) gemäß $$p_{zul,i}=\frac{{\displaystyle \sum _{j=2}^{L_{max,i}}{N}_{i,j}\cdot m_i}}{N_{i\mathrm{,1}}\cdot A_i},$$

   

   insbesondere gemäß $$p_{zul,i}=\frac{\left(L_{\text{max}\text{,}i}-1\right)\cdot m_i}{A_i}$$

   

   bestimmt wird, wobei L_{max, i} eine maximal zulässigen Lagenzahl, m_i das Gewicht eines Pakets, N_{i, j} die Anzahl an Paketen in einer Lage j, und A_i die Kontaktfläche eines Pakets einer untersten Lage zu ihrer aufliegenden Lage bezeichnet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Stapelhöhe zur Bestimmung des maximal zulässigen Druckes reduziert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zufügbare Drücke (p_{zu, i}) beim virtuellen Aufbau von Paketlagen von unten nach oben propagiert werden (S50).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zufügbare Drücke auf Basis von Gewichten oder Gewichtsanteilen virtuell aufgelegter Pakete (4, 5; 6) propagiert werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zufügbare Drücke bereichs-, paket- und/oder lagenweise bestimmt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem virtuellen Aufbau Drücke (p_i) von Paketen auf darunterliegende Paketlagen von oben nach unten propagiert und mit maximal zulässigen Drücken (p_{zul, i}) für Pakete verglichen werden (S80).
10. Rechenvorrichtung, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
11. Computerprogramm, das ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt, wenn es in einer Rechenvorrichtung nach Anspruch 10 abläuft.
12. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist und ein Computerprogramm nach Anspruch 11 umfasst.

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