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Robotik Nachgefragt: Wie die flexible Produktion mit Kollege Roboter gelingt

| Redakteur: Sariana Kunze

Auch wenn durch die Corona-Pandemie das starke Wachstum des Robotik-Marktes etwas gehemmt werden könnte, spielt doch gerade die Robotik in Ausnahmesituationen wie dieser ihre Vorteile aus. Jedoch ist die Vision „von der automatisierten zur autonomen Fertigung“ von der heutigen Realität noch weit entfernt. Wir haben von drei Robotik-Experten erfahren, was heute schon möglich ist?

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Die Vision „von der automatisierten zur autonomen Fertigung“ kann nur mit Kollege Roboter gelingen.
Die Vision „von der automatisierten zur autonomen Fertigung“ kann nur mit Kollege Roboter gelingen.
(Bild: ©besjunior - stock.adobe.com)

elektrotechnik AUTOMATISIERUNG: Eine Smart Factory benötigt flexible und sichere Roboterlösungen. Was sind für Sie die wichtigsten Trends bei der Integration von Robotern in die Produktionslinie?

„Beide Systeme müssen zu einer gemeinsamen Architektur verschmelzen“, ist sich Sebastian Brandstetter, Produktmanager für integrierte Robotik bei B&R, sicher.
„Beide Systeme müssen zu einer gemeinsamen Architektur verschmelzen“, ist sich Sebastian Brandstetter, Produktmanager für integrierte Robotik bei B&R, sicher.
(Bild: B&R)

Sebastian Brandstetter: Maschinenbauer haben vor einigen Jahren begonnen, ihre Maschinen flexibler zu machen, indem sie Roboter direkt in den Maschinenprozess integrieren. Der Aufwand ist hoch und die erreichbare Synchronisierung oft nicht befriedigend. Denn ein Roboter ist ein eigenständiges System: Es gibt eine eigene Steuerung und einen eigenen Schaltschrank. Das Engineering, die Diagnose und die Wartung laufen über eigenständige Systeme. Die Kommunikation mit der Maschinensteuerung erfolgt über eine Schnittstelle – häufig sogar hartverdrahtet. Die Konsequenz liegt auf der Hand: Eine sinnvolle Integration der Robotik in eine Maschine ist nur möglich, wenn diese Systeme zu einem verschmelzen. Dazu braucht es eine gemeinsame und einheitliche Architektur. Wir bieten ein integrales Automatisierungssystem an, bei dem Roboter und Automatisierung aus einer Hand kommen. Die Roboter verhalten sich beim Engineering und im Betrieb genauso wie jede andere Automatisierungskomponente von B&R. Um die Integration von ABB-Robotern in die Maschinenautomatisierung weiter zu erleichtern, stellt B&R zudem vorkonfigurierte Softwarebausteine zur Verfügung. Roboter und Maschine lassen sich dadurch mit einer bisher unerreichten Präzision synchronisieren. Die Tatsache, dass sämtliche Achsen und Sensoren in einem gemeinsamen Netzwerk kommunizieren, erhöht die Genauigkeit auf kurze Zeiträume im Mikrosekundenbereich.

„Ein kollaboratives Produktionsumfeld setzt menschliche Potenziale frei“, kommentiert Dr. Klaus Kluger, General Manager Central East Europe bei Omron.
„Ein kollaboratives Produktionsumfeld setzt menschliche Potenziale frei“, kommentiert Dr. Klaus Kluger, General Manager Central East Europe bei Omron.
(Bild: Omron)

Klaus Kluger: Oberstes Ziel ist es, gesunde und sichere Lebens- und Arbeitsbedingungen zu schaffen, die die Umwelt weniger belasten. KI-gestützte (künstliche Intelligenz) kollaborative Roboter, sog. Cobots, werden 2020 und darüber hinaus immer wichtiger, um diese Herausforderung zu stemmen. Omron hilft mit seinem Portfolio an Robotern und KI dabei, nachhaltigere Arbeitsbedingungen in Fabriken zu erreichen. Montage- und Demontage-Roboter spielen hierbei eine wichtige Rolle. Die neue Generation von Robotern kann von Maschinenbedienern lernen (Sensing). Sie können mit dem Omron TM Cobot (Control) an einer zirkulären Produktionslinie zusammenarbeiten. Sie sammeln Daten über ihre Aktionen, bewerten die Daten mit Hilfe von Algorithmen, beraten den Mitarbeiter über die nächsten Schritte und implementieren effiziente Prozesse für jede Umstellung (Think).

„Eine flexible Steuerung mittels 3D-Bildverarbeitung lässt Roboter situationsgerecht reagieren“, beschreibt Carsten Traupe, Leiter Produktmanagement bei IDS Imaging Development Systems.
„Eine flexible Steuerung mittels 3D-Bildverarbeitung lässt Roboter situationsgerecht reagieren“, beschreibt Carsten Traupe, Leiter Produktmanagement bei IDS Imaging Development Systems.
(Bild: IDS)

Carsten Traupe: Bei IDS sind in diesem Zusammenhang KI, 3D und 2D Vision wichtig. Vor allem KI schafft neue Möglichkeiten, etwa im Bereich Fertigungssteuerung und Inspektion. So können Anwender mit der KI-Komplettlösung IDS NXT Ocean ohne Vorkenntnisse zu Deep Learning oder Programmierung neuronale Netze frei trainieren, die anschließend hocheffizient auf unserer Industriekamera ausgeführt werden. Schnelligkeit ist auch bei Vision-gesteuerten Pick-and-Place-Robotik-Applikationen wichtig. Mit Mikado ARC lässt sich so eine Anwendung ohne Programmierkenntnisse realisieren, denn Bahnberechnung, Teileerkennung etc. können per Drag-and-Drop in Abläufe übernommen werden. Statt eingelernten Bahnen zu folgen, orientieren sich Roboter selbständig im Arbeitsraum. Sie agieren autonom und situativ, was in der Smart Factory eine wichtige Rolle spielt. Bezogen auf die industrielle Bildverarbeitung werden Anwendungen einerseits immer komplexer, trotzdem sollen sie möglichst schnell präzise Daten liefern können. Wir haben deshalb die Ensenso XR Kamerafamilie mit integrierter Datenverarbeitung auf den Markt gebracht, die der Steuerungseinheit Rechenarbeit abnimmt und durch die Übertragung von Ergebnis- statt Rohdaten gleichzeitig das Netzwerk entlastet. Unserer Erfahrung nach ist aktuell dabei eine Robotersteuerung mittels 3D-Bildverarbeitung gefragt, die Roboter in die Lage versetzt, flexibel und situationsgerecht reagieren zu können. Auch die hochgenaue 3D-Vermessung von Objekten mittels Bildverarbeitung sehe ich als wichtigen Trend, da sie eine schnelle und effiziente Alternative zur taktilen Vermessung bietet. Ein Thema, das uns künftig noch viel stärker beschäftigen wird, ist die Nutzung von Bildverarbeitung basierend auf KI für bislang unzugängliche Aufgaben, etwa bei Inspektionsanwendungen in der Fertigung. Beispiele sind die Prüfung oder Erkennung von organischen Formen oder bei amorphen Materialien wie Schäumen oder Pasten.

Ein Fokus liegt dabei auf der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). Wie begegnen Sie diesem Thema?

Sebastian Brandstetter: Menschen sind mit ihrem feinmotorischen Geschick und ihrer Erfahrung der Schlüssel für hohe Flexibilität, während Roboter ergonomisch schwere Arbeitsinhalte übernehmen und so höchste Wiederholgenauigkeit und Qualität garantieren. Werden die Eigenschaften von Mensch und Roboter kombiniert, können neue Arbeitsabläufe entstehen oder bestehende optimiert werden. Roboter sorgen so für eine Entlastung der Beschäftigten, wenn z. B. Über-Kopf-Arbeiten ausgeführt oder ergonomisch ungünstige Haltungen für ihre Tätigkeit eingenommen werden müssen. Hieraus ergibt sich aber auch ein gewisses Gefahrenpotenzial. Eine Verletzung des Menschen durch den Roboter muss also sicher vermieden werden. Mit den Funktionen von Saferobotics macht B&R genau das möglich, indem zahlreiche wichtige Funktionen geliefert werden, mit denen MRK-Applikationen unterschiedlichster Aufgabenstellungen realisiert werden. So können z. B. mehrere Flansche, Gelenke, Monitoring- und Toolpoints gleichzeitig sicher überwacht und in Echtzeit neu parametriert werden. Zu Saferobotics gehören auch sichere Antriebsfunktionen, die die Bewegung des Tool Center Point (TCP) des Roboters überwachen.

Klaus Kluger: Ein kollaboratives Produktionsumfeld kann menschliche Potenziale freisetzen. Dabei bietet es sich an, KI-, IoT- und Robotertechnologien zu kombinieren, um Herausforderungen anzugehen, denen Unternehmen der Fertigungsindustrie vermehrt begegnen. Die Vernetzung von Mensch und Maschine ist mehr als nur ein Trend zur effizienten Organisation von Prozessen und Verteilung von Aufgaben in Fertigungsbetrieben.

Die industrielle Bildverarbeitung ist für die Robotik und intelligente Automatisierung eine tragende Säule. Dabei gelten Bildverarbeitungssysteme als Multitalente. Wie stellen Sie für die Anwender eine einfache Usability sicher?

Sebastian Brandstetter: Bei B&R ist nicht nur die Robotik komplett in das Steuerungssystem inte- griert, sondern auch ein vollständiges Vision-System. Dadurch, dass die Synchronisierung zwischen Sensoren und Roboterbewegung einfacher wird, kann das Ergebnis einer Qualitätsüberprüfung mit einer Vision-Kamera von B&R in weniger als einer Millisekunde in einen Steuerungsbefehl für den ABB-Roboter umgesetzt werden. Dieser entfernt gegebenenfalls ein fehlerhaftes Werkstück aus dem Produktionsprozess – ohne manuellen Eingriff oder einer Verlangsamung des Prozesses. So kann sich die Produktivität einer Maschine deutlich erhöhen.

Klaus Kluger: Ein konkretes Beispiel, wie sich Kamera- und Bildverarbeitungstechnologie in ein Cobot-Angebot integrieren lassen, ist der Roboter Omron TM. Er eignet sich beispielsweise für Montage, Verpackung, Inspektion und Logistik. Die eingebaute Fünf-Megapixel-Kamera und das integrierte Vision-System sind Vorteile dieser Roboterserie. Das Bildverarbeitungssystem ist für Mustererkennung, Objekterkennung und -positionierung, Farbklassifizierung und Barcode-Identifikation ausgelegt. Mit dem Task-Designer der Software können Anwender Aufgaben für den sofortigen Einsatz einrichten, ohne zusätzliche Kameras oder Beleuchtungstools installieren zu müssen. Die integrierte Kamera des Omron TM lokalisiert Objekte mithilfe der Autofokusfunktionalität in einem variablen Sichtfeld und Abstand zwischen Kamera und Objekt. Das Bildverarbeitungssystem verbessert Zuverlässigkeit, Konsistenz und die Präzision der Anwendung. Mit der Total Solution von Omron ist die Bildverarbeitung in den Gesamtlösungsansatz integriert, d. h. auch die Softwareumgebung fügt sich nahtlos in die Robotik und Programmierumgebung von Maschinensteuerungen ein.

Carsten Traupe: Benutzerfreundlichkeit gehört zur DNA von IDS. Ein Beispiel ist IDS NXT Ocean, unser Komplettsystem für KI-basierte Bildverarbeitung. Wer mit KI von der Pieke anfangen will, muss sich sehr genau mit Deep Learning, Schnittstellen und Kameraprogrammierung beschäftigen. Wir haben deshalb gezielt eine Lösung entwickelt, mit der auch unerfahrene Anwender neuronale Netze trainieren und ins Feld bringen können. Dabei hilft die cloud-basierte Trainingssoftware IDS NXT Lighthouse, die ohne Auswahl, Anschaffung und Installation spezieller Hardware, wie Grafikkarten, und innerhalb kurzer Zeit erste Ergebnisse KI-basierter Bildverarbeitung erlaubt. ‚Konfigurieren statt Programmieren‘ ist das Leitmotiv für die Robotersteuerung Mikado ARC. Anwender müssen nicht direkt an der eigentlichen Roboterzelle arbeiten, denn Ensenso-Kameramodelle, Greifobjekte, 3D-Kamerabilder und Abläufe sind virtuell simulierbar. So lassen sich Szenarien testen und der optimale Aufbau der Roboter-Anwendung ermitteln, etwa in Hinblick auf mittlere Taktzeiten und den Entleerungsgrad von Boxen. Bevor die Applikation in Betrieb genommen wird, kann sie risikofrei im Mikado-ARC-eigenen Software-Simulator überprüft und, falls nötig, angepasst werden.

Was sind die Herausforderungen beim Thema Robotik und intelligente Automation?

Automatisierung und Robotik verschmelzen: B&R hat ABB-Roboter in sein Automatisierungsportfolio integriert.
Automatisierung und Robotik verschmelzen: B&R hat ABB-Roboter in sein Automatisierungsportfolio integriert.
(Bild: B&R)

Sebastian Brandstetter: Die Losgrößen werden immer kleiner und gehen hinunter bis zur vielzitierten Losgröße 1. Herkömmliche Produktionsmethoden stoßen da an ihre Grenzen. Sie sind nicht flexibel genug, um ständig wechselnde Produkte und laufende Umrüstungen effizient abzuwickeln. An dieser Stelle schaffen Roboter Abhilfe. Um diese Herausforderungen zu lösen, braucht es deshalb eine sinnvolle Integration der Robotik in eine Maschine. Diese ist nur möglich, wenn die beiden Systeme zu einem verschmelzen, das heißt wie bereits erwähnt, eine gemeinsame und einheitliche Architektur haben.

Klaus Kluger: In Deutschland wird im kommenden Jahrzehnt ein schwerwiegender Arbeitskräftemangel erwartet, insbesondere bei technischen Fachkräften. Gleichzeitig verkürzen sich die Produktlebenszyklen. Vor allem für kleinere und mittelständische Unternehmen ist jedoch die Hürde hoch, in zusätzliche Automatisierung zu investieren. Cobots bieten dann eine schnelle und kostengünstige Lösung, um die Flexibilität, Qualität sowie Geschwindigkeit der Produktion zu steigern und auf sich ändernde Marktanforderungen zu reagieren.

Carsten Traupe: Neben den technologischen Innovationen spielen auch Kosten eine große Rolle. Hier rücken neben den Lösungskosten auch die Lebensdauerkomplettkosten in den Focus. Mit Mikado, seiner Simulationsfähigkeit und seiner Drag-and-Drop Programmierung sehen wir diesen Kostenaspekt adressiert.

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