Der Aufstieg fortschrittlicher Robotik in der industriellen Fertigung

Rahav Madvil und Noam Ribon, Siemens untersuchen den Aufstieg fortschrittlicher Robotik in der industriellen Fertigung...

Kundenspezifische Anpassung und Flexibilität sind derzeit zwei der heißesten Wörter in der industriellen Fertigung. Kunden möchten etwas, das speziell für sie hergestellt wurde, sei es ein personalisiertes Aftershave mit ihrem Namen auf der Flasche, ein Fahrzeug mit allen Funktionen, die sie benötigen, und keinen, die sie nicht benötigen, oder ein neues Telefon mit der neuesten Funkantenne für 5G-Konnektivität. All diese Anpassungen führen zu einer Schlussfolgerung – die Fertigung bewegt sich hin zu einer High-Mix-Produktion und der Herstellung von Millionen verschiedener Produkte in sehr kleinen Losen.

Gleichzeitig sind viele heute hergestellte Produkte viel zu kompliziert für etablierte Automatisierungstechnologien allein, was die Hersteller dazu zwingt, die traditionelle Robotik durch manuelle Montage durch menschliche Arbeiter zu ergänzen. Mitarbeiter werden für ihre Fähigkeit geschätzt, Änderungen in einem Prozess sehr schnell zu verstehen und zu berücksichtigen. Aber was wäre, wenn diese Flexibilität in automatisierte Prozesse integriert würde?

Ein flexibles und automatisiertes (sogar autonomes) Produktionssystem ist der heilige Gral für viele Hersteller, die die Herausforderung der wachsenden Produktkomplexität meistern und gleichzeitig den Anforderungen nach stärkerer Individualisierung gerecht werden wollen. Die Fähigkeit, die Produktion schnell von einem Produkt auf ein anderes umzustellen, wird ein entscheidendes Merkmal von Unternehmen auf dem Weg zu Losgrößen von 1 und den hochgradig anpassbaren Produkten von morgen sein.

Kleine Losgrößen sind an sich kein Problem, aber aktuelle Produktionsprozesse können dies ohne große Investitionen in eine immer komplexer werdende Infrastruktur nicht ohne Weiteres bewältigen. Um dieses Problem exponentieller Investitionen zu vermeiden, die das Problem lösen können oder auch nicht, suchen viele Unternehmen nach einem flexibleren Produktionsansatz. Wie können Hersteller mehrere Produkte effizient mit minimalen Änderungen an der Produktionsfläche zwischen den Produkten herstellen?

Fortschrittliche Robotik ist die Antwort, und viele Unternehmen sind bereits auf dem Weg zur Einführung.

Die Reise der fortgeschrittenen Robotik

Viele Fabrikhallen verlassen sich auf Förderbandnetzwerke, um alles vom Rohmaterial bis zum Endprodukt zu transportieren. Aber diese Netzwerke waren nicht dafür ausgelegt, Tausende von verschiedenen Produkten zu handhaben, die an die ständig wechselnden Standorte gehen, die in einem Herstellungsprozess mit mehreren Produkten benötigt werden. Was wäre, wenn sich ein Fördersystem ändern könnte? Vielleicht Pfade ändern, um Staus in einer Fabrik zu vermeiden? Oder Ziele ändern, um ein Werkstück an die optimale Bearbeitungsstation zu liefern?

Dies sind die Arten von Problemen, die fortschrittliche Robotik durch den Einsatz von fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs) und autonomen mobilen Robotern (AMRs) in Verbindung mit einer fortschrittlichen Software-, Lösungs- und Anwendungsentwicklungsplattform löst.

Typischerweise besteht das Ziel des Einsatzes der Roboter darin, Material relativ einfach von Punkt A nach Punkt B zu liefern. Aber es ist nicht so einfach, AGVs oder AMRs einfach in eine Einrichtung einzuführen. Ein Großteil des Investitionswerts stammt aus der Optimierung und Koordination der fortschrittlichen Robotertechnologien. Unserer Erfahrung nach ist die Unterstützung von Unternehmen bei der Einführung fortschrittlicher Robotik in ihre Fertigungsprozesse ein vierstufiger Weg.

Stufe eins oder der Teilnehmer Phase, wird durch den Einsatz fester Automatisierungsrobotik oder ähnlicher Technologien definiert, bei denen die meisten Vorgänge manuell programmiert werden. Die gesamte Prozessplanung wird von einem Menschen durchgeführt, möglicherweise mit Hilfe von Software, und die Aufgaben werden dann bestimmten Robotern zugewiesen, die an bestimmten Orten und zu bestimmten Zeiten funktionieren. Dieser Ansatz funktioniert gut bei der Produktion hoher Stückzahlen, wenn Änderungen oder Modifikationen an einer Produktionslinie auf ein Minimum beschränkt werden. Da jede Aktion eines Roboters zu diesem Zeitpunkt explizit festgelegt ist, muss der Roboter bei erforderlichen Änderungen offline genommen und manuell neu programmiert werden. Dies wirkt sich negativ auf die Produktionszeiten aus.

Die zweite Stufe ist für Veteranen und ist heute die häufigste Phase für industrielle Hersteller. Es zeichnet sich durch die Verwendung des digitalen Zwillings zur vollständigen Systemvalidierung und zum Aufbau von Steuerungsalgorithmen für die gesamte Produktionslinie aus. Die Nutzung eines digitalen Zwillings der Fertigung bietet tiefe Einblicke in das weitere Vorgehen in späteren Phasen der Reise, indem die Simulation der gesamten Anlage ermöglicht wird. Signifikante Produktivitätssteigerungen in dieser Phase können durch die gleichzeitige Aktualisierung mehrerer Roboter erzielt werden, die von denselben speicherprogrammierbaren Steuerungen ausgeführt werden, wodurch Ausfallzeiten in der Produktion reduziert werden.

Aufstieg in den dritten oder Pionier Phase können Hersteller damit beginnen, den Produktionsprozess weiter zu automatisieren. Basierend auf den Erkenntnissen aus dem digitalen Zwilling und ergänzt durch das Feedback von IoT-Sensoren kann eine aufgabenbasierte Programmierung für Roboter in der gesamten Anlage implementiert werden. Dies reduziert die Zeit, die zum Programmieren von Robotern benötigt wird, um eine Konstruktions- oder Prozessänderung zu berücksichtigen, erheblich. Einfache Befehle können verwendet werden, um den Roboter basierend auf einer Closed-Loop-Kalibrierung zwischen der physischen Umgebung und dem digitalen Zwilling automatisch anzupassen.

Die letzte Stufe, die als Visionär bezeichnet wird Phase, in der fortschrittliche Robotik-Initiativen hochgradig autonom werden und eine nahezu vollständige Autonomie der Roboter ermöglichen. Auch hier werden AGVs und AMRs äußerst effektiv, indem sie statische Förderbänder und einen linearen Prozesspfad durch fortschrittliche, mobile Robotik ersetzen. Jetzt können Produktionsänderungen fast so einfach sein wie die Eingabe der Anzahl der erforderlichen Produkte und der Anzahl der benötigten Varianten. Aus diesen Informationen bestimmt das System den optimalen Weg zur Herstellung der gewünschten Charge.

Eine Software ermittelt nun beispielsweise, wie viele Teile aus Lagerraum B benötigt werden oder welche Bearbeitungsstation am schnellsten hochfahren kann, um das Los zu produzieren. Und wenn die primäre Wahl die Wartung ist, was ist die nächstbeste Option? Die Grenzen dafür enden nicht an den Fabrikwänden. Die Vorteile erstrecken sich darüber hinaus auf Lieferanten und Distributoren und tragen dazu bei, die effizienteste Arbeitsbelastung für die Fabrik zu erzielen.

Die Visionary-Phase ist aufgrund vollständiger Fabriksimulationen der optimale Punkt für die Implementierung von AGVs und AMRs. Aber fortschrittliche Robotik kann in früheren Phasen eingesetzt werden, um Aufgaben auszuführen, die einfacher sind als die Produktionsplanung. Einige Unternehmen haben AGVs und AMRS als halbautonome Kommissionierwagen für Lager eingeführt, bei denen der Roboter einem menschlichen Arbeiter folgt und ihn unterstützt.

Je nachdem, wie die Fabrik betrieben wird, gibt es nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, die Anlage zu optimieren. Deshalb ist die Investition in den umfassenden digitalen Zwilling für diese Reise so wichtig. Es ermöglicht tiefere Einblicke in den Betrieb einer Fabrik und hilft, zuversichtlich in die Zukunft des Unternehmens zu investieren. Advanced Robotics ist Teil des Xcelerator-Portfolios von Siemens aus Software, Lösungen und Anwendungsentwicklungsplattformen, auf denen sich das Heute für die industrielle Fertigung trifft.

Von:Rahav Madvil, Simulation Product Manager bei Siemens Digital Industries Software, und Noam Ribon, Senior Business Consultant bei Siemens Digital Industries Software.