Automatisierung als Integrationsaufgabe

Ein Beitrag von Ronja Wildberger, Strategische Kommunikation, Overath

Eine smarte Produktion ohne Automation ist undenkbar. Denn Automatisierung integriert die Maschinen in die Produktion und verknüpft einzelne Produktionsschritte miteinander zu einem fließenden Prozess. Dabei gilt: Je variabler eine Linie produziert, desto anspruchsvoller ist diese Aufgabe. Der aktuelle Trend zu kleineren Losgrößen fordert von der Automationstechnik daher immer neue Lösungen. Im nachfolgenden Beitrag werden intelligente Automationslösungen vorgestellt und die Anforderungen an moderne Automation definiert.

Hohe Anforderungen durch Vielfalt und Diversifizierung

Eine smarte Produktion ohne Automation ist undenkbar. Denn Automatisierung integriert die Maschinen in die Produktion und verknüpft einzelne Produktionsschritte miteinander zu einem fließenden Prozess. Dabei gilt: Je variabler eine Linie produziert, desto anspruchsvoller ist diese Aufgabe. Der aktuelle Trend zu kleineren Losgrößen fordert von der Automationstechnik daher immer neue Lösungen.

Am Beispiel der Automobilindustrie lässt sich diese Entwicklung gut nachvollziehen. Hier wird der Verbrennungsmotor zunehmend sein Monopol einbüßen, hybride und rein elektrische Antriebe diversifizieren den Markt und verbreitern die Produktpalette. Ein breiteres Spektrum an Motoren bedeutet gleichzeitig niedrigere Stückzahlen je Typ.

Schon heute werden auf einer Produktionslinie unterschiedliche Motorentypen und -größen gefertigt, was hohe Anforderungen an die Automatisierung stellt.

Eindeutige Unterscheidung von Werkstücktypen

Wo verschiedene Werkstücktypen unterwegs sind, muss das System diese unterscheiden können. Deshalb erhalten alle Teile in einer solchen Linie eine eigene Identität, zum Beispiel als lesbaren Barcode.

Das hat mehrere Vorteile:

  • die richtige Zuordnung von Bearbeitungsroutine und Werkzeug
  • die Rückverfolgbarkeit von Bearbeitungsschritten
  • die Fehlerkontrolle vor und nach Bearbeitung
  • eine Zuordnung von Zwischenlagern, wenn Prozesse zugunsten von höher priorisierten Aktionen unterbrochen werden.

Intralogistik muss Wege vorgeben

Das System muss für alle Fälle die nötigen Wege angeben: Was passiert mit falschen Rohlingen? Wohin werden fehlerhaft bearbeitete Teile transportiert? Können teilweise bearbeitete Teile zurückgeschleust werden, um erneut bearbeitet zu werden? Die Logistik muss in allen Details vorbereitet sein. Dabei übernehmen in diesem Bereich Roboter und selbstfahrende Systeme immer größere Aufgabenbereiche.

Bei der Automation von Linienanfang und -ende ist es entscheidend, wie die Werkstücke übergeben werden:

  • Erreichen sie diesen Punkt vorsortiert und ausgerichtet auf einer Palette, kann ein Roboterarm sie mit einer reinen Kontur- oder Merkmalerkennung greifen und dem Folgeprozess übergeben.
  • Kommen die Werkstücke auf mehreren Ebenen gestapelt an, braucht der Roboter ein konturenerkennendes Visualisierungssystem, um die einzelnen Teile sicher zu erkennen.
  • Liegen sie frei im Raum, etwa in einer Transportkiste, ist ein echtes 3D-System notwendig.

Je chaotischer die Anordnung, desto komplexer ist das System und die damit verbundene Software. Für die Ablage gilt dasselbe: eine einfache Positionierung erfordert weniger Aufwand.

Einsatzmöglichkeiten von 3D-Systemen

3D-Systeme können jedoch nicht nur zur Positionierung, sondern auch zur Vermessung und damit zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Außerdem können sie unterschiedliche Bauteiltypen oder einzelne Bauteile erkennen und zuordnen. Kombiniert mit einer Gewichtssensorik erhöht das die Prozesssicherheit.

In Kombination mit einem Ladesystem mit Speicherplätzen können solche Laderoboter verschiedene Aufträge nach Priorisierung abarbeiten, unterbrochene Aufträge einlagern und jederzeit Rückmeldung über den aktuellen Bearbeitungsstand geben.

Ein Beispiel aus der Automotivbranche

Flexible Produktion durch Automatisierung

Liebherr Verzahntechnik aus Kempten hat zum Beispiel Linienein- und -ausgänge bei einem Automobilhersteller automatisiert. Ein Linieneingang besteht in diesem Fall im Kern aus einem Roboter, Ablageplätzen und einem Rotationsladesystem.

Das Rotationsladesystem beinhaltet kreisförmig angeordnete Speicherstationen für Werkstückkisten. Ein führerloses Transportsystem liefert die Teile – in diesem Fall Rohlinge von Kurbelwellen – in einer chaotisch bestückten Kiste an.

Ein sogenanntes Bin-Picking-System leert diese Kisten mit bis zu einem Meter Tiefe aus: Dazu erfasst ein Visionssystem den Inhalt die Kiste, vergleicht die Bauteile mit den gespeicherten CAD-Daten und lokalisiert mögliche Greifpunkte. Die Software berechnet eine kollisionsfreie Entnahmebahn und sorgt für eine restlose Entleerung. Über zwei Bearbeitungsplätze richtet der Arm die Werkstücke zur Bearbeitung aus. Da die Losgrößen nicht dem Kisteninhalt entsprechen und die Produktion den Vorgaben des Leitrechners folgt, können teilbearbeitete Kisten im Rotationsladesystem zwischengespeichert werden und neue Kisten mit anderen Bauteilgrößen weiter ausgepackt werden.

Die Taktzeiten des Bin-Picking-Systems sind mit ca. 30 Sekunden auf die der folgenden Bearbeitungszentren abgestimmt. So ist eine sehr flexible Produktion mit hoher Teilevarianz möglich.

Für das Ausschleusen der frisch bearbeiteten Teile steht ein ähnliches Setup bereit. Größter Unterschied ist das Handlingsystem. Hier handelt es sich um ein größeres Palettenhandlingsystem mit einem Portalroboter und einer größeren Anzahl an Speicherplätzen anstelle des kleineren Rotationsladesystems. Die Speicherzellen sind hier linear in einem Regal angeordnet, der Portalroboter fährt auf einer Schiene. Vor dem Portalroboter ist ein weiterer Roboterarm mit Visionssystem platziert, der die empfindlichen bearbeiteten Teile in einem Blister ablegt. Diese wiederum werden in mit einem anderen Greifwerkzeug in Kisten gestapelt, die bei einer Teilbefüllung im Portal auf die weitere Bearbeitung warten können

Enge Abstimmung innerhalb einer Linie

Eine Automatisierung wie die geschilderte erfolgt immer in enger Abstimmung mit den Maschinenlieferanten, deren Maschinen die Bauteile bearbeiten. Auch heute noch besteht eine Schwierigkeit im Datenaustausch, da es keinen einheitlichen Datenstandard gibt. Maschine und Automation müssen daher mit den entsprechenden Protokollen ausgestattet sein, damit die Kommunikation funktioniert.

Je nach Maschine kann die Automation die Befüllung und/oder den Werkzeugwechsel übernehmen. Je breiter das Spektrum der Bauteile und ihrer Größe, desto häufiger müssen auch die Werkzeuge zu ihrer Bearbeitung ausgetauscht werden. Diese sich selbst rüstenden Bearbeitungszellen sparen Zeit und können – je nach Ausführung – auch mit präventiver Wartung ausgestattet sein. Sie können dann jederzeit Werkzeugzustände anzeigen und Verschließ melden.

Vernetzung mit Betriebssoftware

Durch eine Verknüpfung von Ladeportalen, Robotersystem und Maschinen können Arbeitsschritte sinnvoll verknüpft werden und eine komplette Produktionsplanung erfolgen. Je weiter die Automatisierung fortgeschritten ist, desto einfacher kann eine Vernetzung mit dem betrieblichen Leitsystem erfolgen, da gekennzeichnete Werkstücke jederzeit im Werk lokalisierbar sind, der Bearbeitungsstand einzelner Aufträge jederzeit verfolgbar ist und die Planung von Ressourcen kurzfristig in der Produktion umgesetzt werden kann.

Anforderungen an Automationslösungen

Automatisierung ermöglicht einen Koordinierungsgrad innerhalb der Produktion, der die immer komplexer werdenden Prozesse überhaupt erst ermöglicht. Die Aufgabenstellungen dabei sind:

  • Abläufe sinnvoll gestalten
  • Taktzeiten verkürzen
  • Leerläufe vermeiden
  • Schnelle Wechsel ermöglichen
  • Verschiedene Losgrößen koordinieren
  • Unterschiedliche Maschinen bestücken
  • Qualität kontrollieren
  • Unterschiedliche Ein- und Ausschleusprozesse verbinden

Auch die Automatisierung bedient sich moderner App-Technologien, die skalierbar sein können. Zu den wählbaren Funktionalitäten der Liebherr-Software LMS 4.0 gehören beispielsweise die Verwaltung von Produktionsaufträgen und Prozessen, eine protokollierte Teilerückverfolgung, die Erfassung von Produktions- und Betriebsdaten und die Verschleißüberwachung inklusive Wartungsplanung.

Moderne Automation braucht System Engineering

Die Ansprüche an die Automation sind so komplex, dass sie eine besondere Lösungskompetenz benötigen. Für den Aufbau einer vernetzten Produktion ist eine akkurate Berechnung notwendig, damit die gewünschten Taktzeiten und Qualitäten realisierbar sind. Grundlage für die Planung ist deshalb ein digitaler Zwilling: Zunächst entsteht eine virtuelle Produktion, die dann die Basis für den Aufbau, die Steuerung und Kommunikation des realen Systems ist.

System Engineering in der Automation beinhaltet daher eine Vielzahl von Schlüsselkompetenzen, die in unterschiedlichen Disziplinen liegen. In der Entwicklung von Automationslösungen arbeiten Maschinenbauer, Informatiker, Systemanalytiker, Programmierer und Fachleute für Sensorik und Visualisierung sowie Prozessspezialisten an einem Tisch. Die Steuerung ist dabei der wesentliche Bestandteil, damit aus einer Fabrik wirklich eine Smart Factory wird, die alle einzelnen Teile, Maschinen und Bearbeitungsschritte in einen fließenden Prozess integriert.