Das Versprechen der Automatisierung der nächsten Stufe

Die Realitäten verstehen und Fallstricke vermeiden

Rand. Wolke. Digitaler Zwilling. KI. AR. VR. Cobots. Einst waren sie Schlagworte. Jetzt werden sie zu technischen Realitäten in mittleren bis großen Fertigungsanlagen in Nordamerika. Die Fristen für die Einführung variieren je nach Branche, aber eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass 76 Prozent der Hersteller eine Smart-Factory-Initiative in Arbeit haben.

Bei richtiger Umsetzung werden diese Initiativen unsere Werke verändern und die Produktion von Fertiggerichten bis hin zu Jetlinern effizienter, konsistenter und vernetzter machen. Die Automatisierung ermöglicht ein Maß an Genauigkeit und Produktivität, das über menschliche Fähigkeiten hinausgeht – selbst in Umgebungen, die für Menschen als unsicher gelten würden.

Der obige Schlüsselsatz lautet „bei korrekter Implementierung“. Es gibt Herausforderungen und potenzielle Fallstricke. Manufacturing Engineering sprach mit mehreren Branchenexperten, um ihre Ansichten darüber zu erfahren, wo wir heute stehen, wie die Zukunft aussehen könnte und was uns ins Stolpern bringen könnte.

Fortschritte sind branchenspezifisch

Auf die Frage nach dem aktuellen Automatisierungsgrad in Fertigungsanlagen zögerten unsere Experten, die Fertigung als Ganzes zu verallgemeinern, und zogen es stattdessen vor, Beobachtungen zu bestimmten Branchen anzubieten.

Laut Claude Dinsmoor, General Manager of Product Development bei FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan, sind beispielsweise die Automobil- und Luft- und Raumfahrt stark automatisiert. „Es gibt viele Produktionsschritte bei der Herstellung eines Automobils oder SUV, die so kompliziert automatisiert sind und rationalisiert, dass es für Menschen unmöglich wäre, heute wieder einzugreifen und sie zu tun“, sagte Dinsmoor.

David Suica, Präsident von Fastems LLC, West Chester Township, Ohio, sieht eine beträchtliche Implementierung von Automatisierungstools auf Maschinen- oder Zellenebene. „Die Automatisierung bestimmter Maschinen oder sogar Zellen oder Linien ist weit verbreitet“, sagte Suica. „Aber die meisten davon sind Automatisierungsinseln. Die Fähigkeit, eine Fabrik in einem digitalen Format zu sehen, damit die wahre Produktivität visualisiert werden kann, liegt noch in der Zukunft.“

Laut Andy Joseph, Director of Product Development, und John Lytle, Application Engineering Manager bei Promess Inc., Brighton, Michigan, ist der Automatisierungsgrad bei Montageprozessen geringer als auf der Bearbeitungsseite. „Wir arbeiten viel in der Automobilindustrie und die Automatisierung der Teilemontage ist eine gemischte Sache“, sagte Lytle. „Auf der anderen Seite“, fügte Joseph hinzu, „suchen kleinere Hersteller nach Automatisierungstechnologien, die in der Automobilindustrie seit Jahren eingesetzt werden. Wir sehen eine große Abkehr von der Hydraulik hin zu servogesteuerten Stellantrieben, die Teil der Automatisierungsstrategie der Zukunft sein können.“

Bei Praemo, Kitchener, Ontario, sehen die Direktoren zwei Automatisierungsbereiche mit sehr unterschiedlichen Entwicklungspfaden. Andy Henderson, Chief Technology Officer, sagte, dass die physische Automatisierung (Automatisierung physischer und sich wiederholender Aufgaben) in den letzten 30 bis 40 Jahren stattgefunden hat und es Beispiele in praktisch jeder Produktionsstätte gibt. Entscheidungsfindungsautomatisierung (Automatisierung menschlicher Denkprozesse und Erkenntnisse) ist dagegen sehr neu. „Spezifische Maschinen können heute alltägliche und sich wiederholende Entscheidungen treffen“, sagte Alex Kelly, Director of Solutions Architecture, „aber ihre Fähigkeit, aus früheren Ereignissen zu lernen, damit sie sich an neue Umstände anpassen können, ist noch nicht vorhanden. Das ist die nächste Ebene – Maßnahmen zu automatisiert erfassten Daten ergreifen.“

Innovationsförderer für die Automatisierung

Was sind einige der neueren Technologien, die die Voraussetzungen für eine Automatisierung der nächsten Stufe schaffen?

„Die Akzeptanz von Konnektivitäts- und Datenaustauschstandards, die innerhalb von Industrie 4.0- und Industrial Internet of Things (IIoT)-Initiativen funktionieren, ist von grundlegender Bedeutung und notwendig“, sagte Artur Gugulski, regionaler CNC-Manager für den Mittleren Westen, Fagor Automation Corp., Elk Grove Village, Illinois. „Dies hilft Herstellern und Lieferanten gleichermaßen bei der Verwendung offener Kommunikationsprotokolle und -standards.“

„In der Werkzeug- und Formenbauindustrie sehen wir beispielsweise flexible Fertigungssysteme, die die Zeit von sieben Wochen auf sieben Tage verkürzen“, sagte Dan Zeman, Automatisierungsmanager bei MC Machinery Systems, Elk Grove Village, Illinois, einer Tochtergesellschaft von Mitsubishi. „Eine Schlüsseltechnologie, um dies zu ermöglichen, ist eine Arbeitsverwaltungssoftware, die Roboter und Maschinen koordiniert, indem sie Programme und Daten verarbeitet und die Maschine aus der Ferne startet, um einen langen, unbeaufsichtigten Betrieb zu ermöglichen. Die andere Sache, die für die Automatisierung der nächsten Stufe entscheidend ist, sind die Technologien rund um palettierte Werkzeuge, Vorrichtungen und Werkstückhalterungen. Bei der Palettierung kann ein Roboter eingesetzt werden, um ein Werkzeug aufzunehmen und sehr einfach und genau in das Spannfutter zu legen. Sie können in einem durchgängigen Prozess vom Fräsen über die Inspektion bis zum Senkerodieren gehen, wobei der Roboter [das Werkstück] von Maschine zu Maschine überträgt. Der Vorgang kann von der Verwaltungssoftware geplant, priorisiert und überwacht werden, um mehrere Schritte effizient zu sequenzieren.“

Der Robotikhersteller FANUC untersucht mehrere Schlüsseltechnologien, die die menschliche Leistungsfähigkeit steigern, anstatt sie zu ersetzen. Laut Dinsmoor „sind einige der aufregenden Technologien maschinelles Sehen (3D-Vision), taktile und Krafterfassung sowie Kraft- und Kraftsteuerung, die für Cobots (kollaborative Roboter, die in unmittelbarer Nähe von Menschen arbeiten) unerlässlich sind. Ebenfalls von großem Wert ist die Simulationstechnologie in der Entwurfsphase, die uns hilft, eine virtuelle Lösung zu erstellen, bevor wir sie für Stahl einsetzen. Mit der Simulation können Hersteller ihre Entwicklungszeit verkürzen und bis zu einem Dutzend „Designkandidaten“ sicher bewerten, um die beste Automatisierungslösung zu finden.“

Laut Paul Boris, Executive Vice President von Praemo, erfordert die Automatisierung der nächsten Ebene, Maschinen auszurüsten, damit sie beginnen, Entscheidungen für sich selbst zu treffen, ein gewisses Maß an Intelligenz in der Maschine selbst. „Um die Vorteile der verschiedenen Algorithmen und der Methoden zum Einsatz dieser Algorithmen zu nutzen, verlassen wir uns stark auf künstliche Intelligenz (KI)“, sagte er. „KI ist die Grundlage für viele andere für uns wichtige Technologien.“

Eine der interessanteren Technologien, die Promess sieht, ist LiDAR (Light Detection and Ranging). „Seine Haupteigenschaft ist seine hohe räumliche Auflösung bei der Messung von 3D-Objekten“, sagte Joseph. „LiDAR kann in einer Vielzahl von Fertigungsszenarien eingesetzt werden, darunter Bedienersicherheit, robotergestützte Teilehandhabung, Führungssysteme und maschinelles Lernen zur Optimierung von Montageprozessen.“

Zeman sagte, dass der nächste Fortschritt, nach dem MC Machinery sucht, im Bereich Design liegt. „Das manuelle Zeichnen wich der Arbeit am PC und dem Plotten auf Papier. Plotter sind jetzt verschwunden, da alles elektronisch wird. Schließlich drücken wir statt auf die Schaltfläche „Drucken“ die Schaltfläche „Bauen“ und das Design geht direkt in die Fertigung.“

Edge-Computing und mehr

Andere neue Technologien, die von unseren Experten erwähnt werden, umfassen Edge Computing (Verarbeitung an der Quelle, um Übertragungsraten und Reaktionszeiten zu beschleunigen und gleichzeitig die Belastung der Bandbreite einer Fabrik zu reduzieren); native Integration mit der Cloud; Technologien zur Vorhersage/Verhinderung von Anlagenausfällen; Augmented Reality (AR) für Montage und Wartung; und virtuelle Realität (VR) für Training und Simulation.

„Um eine Automatisierung der nächsten Stufe zu erreichen, müssen mehrere Dinge gleichzeitig passieren“, sagte Suica von Fastems. „Die VR-Technologie wird ein großer Vorteil sein, da sie eine facettenreiche Betrachtung Ihrer Fabrik in digitaler Form ermöglicht. Tatsächlich wird eine Fabrik im digitalen Format (d. h. digitaler Zwilling) Produktivitätssteigerungen bringen. Dank der digitalen Sichtbarkeit können Manager und Ingenieure sofort sehen, welche Maschinen nicht nur eingeschaltet sind, sondern auch schneiden, was das wahre Maß für die betriebliche Effizienz ist. Es zeigt auch die Abläufe zwischen den Maschinen – wo die Störungen oder Probleme liegen.“

Bei Software geht die Tendenz dahin, weitere Fähigkeiten hinzuzufügen. „Das ist in Ordnung“, betont Dinsmoor von FANUC, „solange es der Gesamtarchitektur keine Ebenen hinzufügt. Indem wir mehr Funktionalität in unseren Roboter integrieren, reduzieren wir tatsächlich die erforderlichen Software- und Hardwareschichten. Damit dies in großem Umfang geschehen kann, sind offene Protokolle unerlässlich.“

Laut Zeman von MC Machinery ergeben sich die Vorteile der Automatisierung aus der Kombination mehrerer vor- und nachgelagerter Prozessschritte. „Diese Informationen müssen nahtlos fließen“, sagte er. Er sprach über die Zusammenarbeit zwischen Herstellern, die offene Standards für die Datenerfassung und Dateiübertragung einführen. „Das Endergebnis ist, dass ein Kunde CAD/CAM, Messsystem, Fräs- und Erodiermaschine einfach integrieren und hervorragende Ergebnisse erzielen kann“, sagte Zeman.

Lytle von Promess verwies auf die Fortschritte, die bei der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation über Open Platform Communications with Uniform Architecture (OPC UA) und Fieldbus-Technologien für die verteilte Steuerung in Echtzeit erzielt wurden. „Unsere Kunden wollen Lösungen, die es ihnen ermöglichen, die Integration und Neuprogrammierung intern vorzunehmen“, sagte er. „Maschinenbibliotheken, die Bausteine ​​mit wenig Programmierkenntnissen bereitstellen, und Dinge wie Open PLC machen dies möglich. Allerdings sollte ich hinzufügen, dass wir hier noch ganz am Anfang stehen.“

Suicas Bewertung des Problems mit Automatisierungsinseln ist die Existenz von „kleinen Softwareteilen, die nicht miteinander kommunizieren“. Er setzt es damit gleich, sich abends hinzusetzen, um fernzusehen, und vier verschiedene Fernbedienungen vor sich zu haben – eine für den Receiver, eine für den DVR, eine für den Fernseher und eine weitere für das Streaming-Gerät. „So wie Sie zu Hause eine universelle Fernbedienung benötigen, benötigt Ihre Fabrik eine universelle Möglichkeit, Daten zu sammeln und sie zur Erfüllung einer Aufgabe zu verwenden“, sagte er. „Das wird durch offene Plattformen und Architekturen und Datenbanken von Tag zu Tag einfacher, aber es muss immer noch eingeplant werden.“

Hersteller, die in Zukunft eine KI-gesteuerte Analyse-Engine implementieren möchten, können heute damit beginnen, wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, ohne alle vorhandenen Daten auf besondere Weise aufbereiten zu müssen. Henderson von Praemo erklärte, dass bei der Anwendung traditioneller Ansätze Schlüsseldaten lokalisiert, bereinigt, kategorisiert und harmonisiert werden müssen, um die Grundlage für die Entscheidungsfindung zu bilden.

„Leider werden Sie selbst innerhalb desselben Unternehmens feststellen, dass jede Produktionsstätte ihr eigenes Ding macht – unterschiedliche Datenbanken, unterschiedliche ERP-Systeme, unterschiedliche Tags, unterschiedliche Namen“, sagte er. „Anstatt auf den Abschluss der Datenstandardisierung zu warten, verbinden wir uns mit den Daten so, wie sie heute existieren und wo sie existieren. Beginnen Sie schnell und holen Sie sich kleine Gewinne. Dadurch können die Dinge nicht nur schneller beginnen, es hilft Unternehmen auch dabei, die menschlichen und kulturellen Probleme anzugehen, die häufig mit großen Automatisierungsprojekten einhergehen, ohne die inhärenten Risiken oder Ängste.“

Fortschrittliche Robotik leicht gemacht

Roboter der nächsten Generation sind nicht nur viel einfacher zu programmieren, sondern auch einfacher zu bedienen, mit Funktionen wie Sprach- und Bilderkennung, um komplexe menschliche Aufgaben nachzubilden. Kollaborative Roboter haben sich zu einer neuen und schnell wachsenden Technologie entwickelt, die die Nachfrage nach Automatisierung und Flexibilität in der Fertigung befriedigen kann. Sie haben das Potenzial, Arbeitnehmer bei langwierigen Aufgaben zu unterstützen und die Sicherheit am Arbeitsplatz zu verbessern.

Laut Dinsmoor von FANUC konzentriert sich die Entwicklungsarbeit seines Unternehmens auf fortschrittliche Robotik auf die Beantwortung dieser Frage:„Wie kann die Zukunft aussehen?“ Aufkommende Technologien wie Bildverarbeitung, Energie- und Kraftkontrolle, KI und maschinelles Lernen sind alle Teil der Designpalette. „Unsere Absicht ist es, einen Roboter einfacher anzuwenden und einfacher zu programmieren oder zu bedienen, ohne über spezielle Fähigkeiten zu verfügen“, sagte er. „Ähnlich wie beim Betrieb eines Smartphones mit erstaunlichen Funktionen, die für den Benutzer größtenteils transparent sind, sind Verbesserungen in Reichweite, Geschwindigkeit und Nutzlast eine kontinuierliche Priorität.“

FANUC integriert seit fünf bis sieben Jahren IIoT-konforme Geräte in seine Roboter, um eine Fernüberwachung mit dem Ziel von null Ausfallzeiten zu ermöglichen. „Wir haben Geschäfte, die rund um die Uhr ohne menschliches Eingreifen laufen“, sagte Dinsmoor, „damit wir die Realität sehen.“

Ein Licht auf Lights-Out werfen

Unsere Experten haben unterschiedliche Ansichten über die Notwendigkeit, einen Lights-out-Betrieb zu erreichen. Wie Boris von Praemo es ausdrückte:„Lights-out ist eine gute Vision, die alle Hersteller anstreben, aber sie muss in der Realität verwurzelt bleiben. Dies ist am vorteilhaftesten für eine Anlage, die standardmäßige, wiederholbare Produkte herstellt. Wann immer Sie durch Anpassung oder andere Faktoren Variabilität in die Gleichung einbringen, ist Lights-out viel weniger erreichbar. Wir denken, dass es wichtig ist, Intelligenz einzuschichten, Daten von Maschinen und Prozessen zu analysieren, wenn Komplexitäten auftreten, und Teams zu warnen, bevor auftretende Probleme zu Leistungs- oder Qualitätsverlusten führen. Vielleicht sollte das Ziel also eher intelligente Unterstützung als vollständige Betriebsautonomie sein.“

Suica sagte, dass Fastems mehrere Kunden hat, die ständig ohne Licht arbeiten (mindestens 90 Stunden pro Woche). „Dazu müssen mehrere Dinge passieren. Erstens müssen die Maschinen und Anlagen robust sein“, sagte er. „Dann geht es darum, die schwächsten Glieder zu identifizieren und zu beseitigen. In einigen Fabriken ist das schwache Glied die Werkzeugausstattung, in einer anderen die Spanabfuhr. Was auch immer die Maschine blockiert, muss beseitigt werden. Aber unabhängig davon, ob Sie Lights-out erreichen oder nicht, die Identifizierung und Beseitigung der Schwachstellen wird immer zu Produktivitätssteigerungen führen.“

Gugulski von Fagor zitierte eine Liste mit „typischen“ Anfragen von Kunden, die nach Lights-out streben. „Dinge wie Zweikanal-10-Achsen-Systeme; Kollisionserkennung; Maschinensicherheit; Absolutwaagen aus Glas; Thermoelemente zur dynamischen Temperaturkompensation; tangentiale Steuerung; ausgeklügeltes Sondieren; Runout-Transformation; Bewegungserkennung; und Funktionen zum Modifizieren von Programmen im laufenden Betrieb sind alles Voraussetzungen für eine Lights-out-CNC-Bearbeitung“, sagte er. „Das ist machbar, aber komplex. Wir haben die Fähigkeit zur Interaktion mit verschiedenen Komponenten des Automatisierungsprozesses demonstriert, darunter Strichcodeleser, Thermoelemente für Temperaturmessungen, Sicherheitssysteme mit Kameras, funkgesteuerte Sonden und erstklassige CAM-Systeme für fünf Achsen Teileprogrammierung.“

Die Herren von Promess hören von ihren Montagekunden weniger von Lights-out. „Menschliche Interaktion ist fast immer erforderlich“, sagte Joseph. „Tatsächlich wurden Cobots entwickelt, um mit Menschen zu interagieren.“ Laut Lytle „bedarf es bei unseren Kunden flexibler Montagesysteme, die mehr an einer Station erledigen können. Viele Werke suchen nach unserer Presse als sechste Achse für einen Roboter, eine weitere End-of-Arm-Anwendung.“

Zeman von MC Machinery fügte hinzu:„Für Lights-out-Operationen bei qualifizierten Prozessen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt- und Medizinindustrie, versuchen wir aktiv, früh im Entwicklungsprozess mit unseren Kunden zusammenzuarbeiten, um sicherzustellen, dass die Vorteile der Automatisierung in den Prozess integriert werden können Prozess. Der Erstartikellauf muss eine Automatisierung beinhalten, da diese nachträglich nicht ohne Weiteres hinzugefügt werden kann.“

Die nächsten Schritte unternehmen

Die Initiative Industrie 4.0 erfordert eine grundlegende Digitalisierung. Ohne jeden Schritt zu digitalisieren, bleibt die betriebliche Effizienz auf der Strecke.

„Eines der ersten Dinge, die wir empfehlen, ist ein Automatisierungsaudit, um alle Prozessbereiche in der Anlage zu untersuchen“, sagte Dinsmoor von FANUC. „Es gibt vielleicht einen Kunden mit sehr spezifischen Vorstellungen darüber, was automatisiert werden sollte, und während wir einen Rundgang machen, finden wir zusätzliche Möglichkeiten, die von hohem Wert und leicht zu realisieren sind. Für eine Anlage, die gerade mit der Automatisierung beginnt, sind diese frühen und einfachen Erfolge am besten. Die Erfolge befruchten sich gegenseitig und die wirtschaftliche Amortisation kann oft dazu beitragen, die nächste Gelegenheit zu finanzieren.“

Eine Möglichkeit, wie Praemo das Wasser mit potenziellen Kunden testet, besteht laut Henderson darin, schnell mit einem statischen Satz historischer Daten zu beginnen. „Anhand statischer Daten kann unsere Razor-Engine Analysen durchführen und Erkenntnisse für das Werksmanagement liefern, ohne die bestehende Produktion zu unterbrechen. Wir alle haben einen operativen Hintergrund, daher liegt unser Schwerpunkt auf der Praxis. Wir wissen aus unserer Erfahrung, dass KI und maschinelles Lernen die Herstellung vereinfachen, beschleunigen und die Kosten senken werden.“

Technische Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit sind notwendige Voraussetzungen für die Automatisierung einer Maschine oder Anlage. Laut Joseph von Promess sind sie jedoch bei weitem nicht die einzigen Faktoren. „Abgesehen von den offensichtlichen technischen Problemen bleibt der entscheidende Punkt:Wenn Sie sich heute mit Automatisierung befassen und Fragen haben, mit wem möchten Sie zusammenarbeiten? Wer wird da sein, um Sie auf Ihrem Weg zu unterstützen?“