Nicht-automobile Fertigung setzt Robotik ein, um Effizienz und Flexibilität zu steigern

Aber Roboter werden die Produktion vielleicht nie komplett autonom steuern.

Günstigere Roboter mit mehr Funktionen, zusammen mit flexibleren Arbeitszellen und Installationen, die Robotik erleichtern, beschleunigen das Wachstum automatisierter Fertigungsanlagen im Nicht-Automobilsektor. Ideen darüber, ob Robotik und Automatisierung zu Lights-Out-Fertigung auf dem Shopfloor führen, sind jedoch gemischt.

Während die Gesamtzahl verkaufter Einheiten und der Umsatz für Robotik 2018 zurückgingen, stiegen Industrieroboter-Bestellungen tatsächlich um 24 % gegenüber dem Vorjahr in den Branchen Life Sciences, Lebensmittel und Konsumgüter, Kunststoffe und Gummi sowie Elektronik, laut Robotics Industries Association.

Es gibt viele Gründe für das Wachstum – darunter sind robotische Systeme einfacher zu installieren, in ein Automatisierungssystem zu integrieren und zu programmieren.

Zum Beispiel ist der Ansatz der in der Schweiz ansässigen ABB, eine Reihe standardisierter, modularer Automatisierungslösungen zu produzieren, statt für jeden Kunden maßgeschneiderte Arbeitszellen zu designen und zu engineeringen.

"All das schneidet die Zeit runter, weil wir nicht Wochen oder Monate damit verbringen, sie zu designen und zu engineeringen", sagte Dwight Morgan, Vice President of Sales and Marketing für ABB USA Robotics, Auburn Hills, Mich. "So können wir innerhalb aller Applikationen, in denen wir engagiert sind, wie Maschinenbeschickung oder Verpackung, eine Familie von Standardlösungen nutzen, die es uns erlauben, wirklich schnell zu bewegen und kurze Lieferzeiten zu etablieren."

FANUC America Corp., Rochester Hills, Mich., bietet mobil einsetzbare Roboter an, die auf Räder gesetzt oder mit einem Gabelstapler aufgehoben und platziert werden können.

"Und typischerweise sind sie etwas mehr self-contained, also gibt es weniger Anschlüsse an ihnen", sagte Rick Maxwell, Director of Engineering für das General Industry und Automotive Segment.

Maxwells Kollege John Tuohy, Executive Director of Global Accounts, sagte, FANUC habe auch eine Reihe von Kunden, die an semi-autonomen Hebeassistenz interessiert sind.

"In einer Form der Kollaboration hat FANUC die Fähigkeit, jeden unserer Roboter in ein Hebeassistenzgerät anzupassen, ähnlich wie man es mit einem Gegengewicht oder Hebeassistenzgerät in einer Fabrik heute sehen könnte", sagte Tuohy. "Ein Bediener manipuliert den Roboter manuell in die gewünschte Position, beendet die Aufgabe und sendet den Roboter zurück, um ein anderes Teil autonom aufzunehmen."

Tom Fischer, Director of Operations für RobotWorx, Marion, Ohio, ein Unternehmen, das ABB, FANUC, Kuka und Motoman Roboter in Arbeitszellen verkauft und integriert, sagte, Fortschritte in Ethernet-Kommunikation vs. analogen Setups haben es viel einfacher gemacht, mehrere Funktionen (wie Interaktion mit anderen Robotern, Human-Machine-Interfaces und Taster-Bedienstationen) des Roboters gleichzeitig zu nutzen.

"Man kann mehrere Signale auf einmal übergeben, statt jeden Signal einzeln verdrahten zu müssen", sagte er. "Es ist nur ein einfacher Stecker und dann das Einrichten Ihrer Ethernet I/O."

Es gibt auch einen menschlichen Faktor, der die Installation von Robotern einfacher macht, sagte Fischer. "Ich denke, wir kommen zu einer Generation, die Elektronik besser versteht, und durch ihre Erfahrung mit Videospielen sind sie besser darin, Dinge mit einer Tastatur (oder einem Roboter-Teach-Pendant) zu steuern vs. direkt", sagte Fischer. "Sie können diese Erfahrung auf Robotik anwenden."

Bei MC Machinery Systems Inc. ist downstream Robotics das nächste große Ding. Die Mitsubishi Corp. Tochtergesellschaft ist in Elk Grove Village, Illinois ansässig und verkauft Draht-EDMs, Fräsmaschinen und Laserschneider und integriert sie in automatisierte Linien.

"Man nimmt ein Teil, man pickt es, man stapelt es richtig und es bewegt sich an einen Ort, wo Robotik es an einen separaten Ort bewegen kann", sagte Jason LeGrand, Automation Specialist. "Vielleicht bewegt es sich durch eine Time-Saver-Maschine oder einen Flattener oder eine Abkantpresse. Das ist das nächste große Ding und wir haben buchstäblich Meetings mit Integratoren, um herauszufinden, was ihre Anforderungen sind, um das zu ermöglichen."

Downstream-Robotik erleichtert Mitsubishis Akquisition 2018 von Astes4, einem Schweizer Unternehmen, das den Astes4Sort fertigt, ein flexibles Fertigungssystem für Sortierung.

"Sie sind absolut, ohne Frage, an der Schneide der automatisierten Teilesortierung nach einem Industrielaser", sagte LeGrand. "Ihre Funktion ist der nächste Schritt, wo wir unsere Laserautomatisierung hinbringen müssen. Der Astes4Sort nimmt die fertigen Teile, die herauskommen, und stapelt sie, wie auch immer es gesagt wird; das an sich wird sehr attraktiv für Endnutzer."

Die Teile werden gestapelt und palettiert, bereit für den nächsten Schritt im Fertigungsprozess. "Das macht es viel einfacher, einen Roboterbetrieb auf der Rückseite zu integrieren, weil wir wissen, dass es einen Stapel gleicher Teile gibt, eines auf dem anderen, in der gleichen Orientierung", sagte LeGrand. "Das ist der erste Schritt, um einem Roboter zu erlauben, es von dort zu nehmen und zur nächsten Operation zu gehen, ohne ein teureres Vision-System oder so etwas haben zu müssen."

Flatten sich Roboterpreise?

Historisch sind Roboter billiger geworden, aber laut anekdotischen Informationen haben sich die Preise abgeflacht, während der Wert gestiegen ist.

Über die letzten 30 Jahre ist der Durchschnittspreis eines Industrieroboters um die Hälfte gefallen, laut globaler Managementberatung McKinsey & Co. Der durchschnittliche Verkaufspreis von Industrierobotern sank von 63.000 $ 2009 auf 45.000 $ 2018, laut statista.com.

Die Website von RobotWorx, die neue und generalüberholte Roboter verkauft, berichtet, dass neue Industrierobotik, komplett mit Controllern und Teach Pendants, 50.000-80.000 $ kostet. Typischerweise kosten generalüberholte Roboter halb so viel wie neue Roboter, laut RobotWorx.

In der jüngeren Vergangenheit ist der Roboterpreis nicht wirklich gesunken, aber Robotikunternehmen haben mehr Funktionalität hinzugefügt, sagte RobotWorx' Fischer.

Ein Beispiel für verbesserte Funktionalität ist im Human-Machine-Interface, sagte er. "Früher musste man ein sekundäres Zubehör verdrahten, um es als HMI zu nutzen", sagte er. "Jetzt fügen Unternehmen wie FANUC das in ihre Software ein, damit es von ihrem Pendant laufen kann."

Ein weiteres Beispiel für hinzugefügte Funktionalität sieht man bei kollaborativen Robotern, sagte er. "Ihr größter Einsatz ist in Maschinenbeschickung, das ist der heiße gerade", sagte er. "Man kann einen Bediener in der Arbeitszelle mit dem Roboter side-by-side arbeiten lassen."

FANUCs Maxwell stimmte dem Funktionalitätsaspekt zu. Genau wie in der Computerindustrie, wo man nicht unbedingt weniger für einen Laptop zahlt, aber mehr für sein Geld bekommt, bekommt man, wenn man den gleichen Preis für einen Roboter zahlt, signifikant mehr Funktionalität daraus. Roboter heute sind schneller, haben mehr Rechenkapazität, mehr Verarbeitungsleistung und/oder eine höhere Traglast, sagte er.

MC Machinery's LeGrand stimmte auch zu. "[Roboter sind] besser geeignet für eine breitere Vielfalt von Applikationen", sagte er. "Als Ergebnis nutzen Hersteller sie für mehr. Was passiert, ist, dass Hersteller einen Stapel Teile nehmen, die gut geschnitten sind, und sie werden an einen Ort geliefert, wo Roboter auf sie zugreifen können.

"Jetzt sagen Hersteller: 'Was kann ich von diesem Punkt mit einem Roboter machen, um den Betrieb zu straffen und ihm eine wiederholbare Zykluszeit zu geben, damit wir Produktion effektiv planen können', und so weiter", fuhr er fort.

Nutzen Sie Ihre Hände

Sobald Hersteller identifiziert haben, was Roboter tun können, um Operationen effizienter zu machen, und sie auf ihrem Werksboden installiert haben, können diese Hersteller Vorteil aus intuitiverer und benutzerfreundlicherer Software ziehen, um sie zu programmieren.

"Es gab eine gewaltige Anstrengung in unserem Unternehmen sowie in der gesamten Industrie, die Nutzung und Programmierung von Automatisierung intuitiver zu machen mit Dingen wie Handführung, Menüprogrammen, so was", sagte Maxwell. "Was Sie finden werden, ist, dass viele der Hersteller, und FANUC insbesondere, grundlegende, einfach zu nutzende, menügesteuerte Optionen haben. Unser iHMI führt Sie durch, wie man Programme generiert. Es ist grafisch und wirklich ziemlich einfach."

Sobald der Roboter programmiert und arbeitet, haben Robotikunternehmen es einfacher gemacht, von grundlegender Programmierung zu komplexeren Aufgaben zu migrieren, um die erhöhte Funktionalität des Roboters zu integrieren, abhängig vom Job, sagte Maxwell.

Roboterhersteller wie FANUC und ABB haben auch Handführung für Programmierung hinzugefügt. Für eine Pick-and-Place-Operation lehrt der Bediener dem Roboter eine Position, indem er einen Griff packt und das End-of-Arm-Tooling (EOAT) dorthin zieht, wo ein Teil ist, dann zieht das EOAT zu einer freien Position, dann zieht es es zu einer Box. Der alte Weg, dieselbe Aufgabe zu lehren, wäre, das Teach-Pendant des Roboters zu nutzen und verschiedene Knöpfe für die X-, Y- und Z-Achsen zu drücken, um den Roboter in Position zu bringen.

"Jetzt sind Sie bereit zu laufen", sagte Maxwell. "In diesen drei oder vier Schritten haben Sie dem Roboter beigebracht, was er tun soll. Also ist es viel intuitiver und viel einfacher zu nutzen."

ABBs YuMi, ein dualarmiger Roboter, voll integriert mit Vision, Vakuumgreifen, zwei Arten mechanischen Greifens und Kraftsteuerung, kann auch mit Handführung programmiert werden. "Es ist wie, seinem Kind beizubringen, Fahrrad zu fahren", sagte Morgan.

Gängige Applikationen für YuMi sind Materialhandling, Montage, Verpackung und Lebensmittelproduktion. "Wenn man einen YuMi aus der Box nimmt, ist er ready to go", sagte Morgan. "Er hat zwei Arme, also kann einer eine Vorrichtung sein, um ein Teil zu halten, und der andere eine arbeitende Hand. Man braucht kein Förderband, keine Palette, keine Vorrichtung."

Keine echten Lights-Out-Situationen?

Die Nutzung von Lights-Out-Fertigung wurde durch Teilehandhabung und Logistikprobleme behindert, aber detaillierte Planung, das Industrial Internet of Things (IIoT) und Features, die noch in Entwicklung sind, wie künstliche Intelligenz (KI), versprechen, sie zu überwinden. Dann wieder, komplettes Lights-Out ist vielleicht nicht die Antwort, sagte ein Hersteller.

Für jeden, der irgendeine Art von Automatisierung hat, ist Lights-Out das Ziel, sagte LeGrand. In seinen Arbeitszellen ist die Idee, den Laser so lange wie möglich laufen zu lassen.

"Jeder bewegt sich darauf zu", sagte er. "In vergangenen Jahren, mit Automatisierungssystemen und, wichtiger, den Programmiertechniken und Maschinenkonfigurationen, waren sie nicht ganz für echtes Lights-Out eingerichtet. Es gab viele Teil-Kippungen und Dinge, die die Maschine stoppen würden. Wir haben alle aus unseren Fehlern gelernt."

LeGrand sagte, Lights-Out kann Trade-offs erfordern, besonders wenn Bediener dynamisches Nesting machen, wo jedes Nest einzigartig ist. Das ist besonders in Lohnfertigungsbetrieben üblich.

"Und in vielen Jobshop-Situationen, von denen sie glauben, sie seien Lights-Out, gelten sie nicht für sie", sagte er. "Sie können es jedoch machen – sie müssen nur das Nesting, die Programmierung, alles etwas anders angehen. Sie müssen einen anderen Parameter-Satz zum Schneiden nutzen."

Es ist vielleicht nicht der schnellste Weg zu schneiden, aber langsam und stetig gewinnt das Rennen im Lights-Out, sagte LeGrand.

"Es muss sich konsistent ohne Anhalten bewegen. Also vielleicht wird der Teileabstand etwas größer, vielleicht wird das Antippen, um Teile vom Kippen abzuhalten, etwas aggressiver."

Als Resultat können seine Kunden am Ende zwei verschiedene Programme für Maschinen von MC Machinery haben; eines für Lights-Out, und eines für bemannte Operationen.

FANUCs Maxwell stimmte zu, dass Lights-Out die Zukunft ist und ein Ziel für mehrere seiner Kunden bleibt. "Wir haben relativ guten Erfolg gesehen für sehr lange Laufzeiten", sagte er. "Vielleicht eine Schicht, vielleicht eineinhalb Schichten, aber durch den gesamten Fertigungsprozess gibt es immer noch Bereiche, wo sie reinkommen und bestimmte Dinge machen müssen. Wo es erfolgreich war, ist meist dritte Schicht, zweite bis dritte Schicht."

Das liegt daran, dass Lights-Out-Operationen nicht nur von der Automatisierung abhängen, sondern auch von anderen Maschinen und Prozessen, wie Materialhandhabung. Logistik ist wichtig, sagte er, und wenn sie nicht gut geplant sind, können Materialengpässe auftauchen.

Maxwells Rat an jeden, der auf unbemannte Operationen aus ist: Zuerst ihre Operationen analysieren und in diskrete Schritte zerlegen. Dann überlegen, was in jedem Schritt schiefgehen könnte und bestimmen, wie dieses Problem ohne Bediener gelöst werden könnte.

Einige Arbeiter vor Ort zu haben, wird immer notwendig sein, sagte RobotWorx' Fischer. "Lights-Out ist so ein Misnomer für Produktion", sagte er. "Es gibt wirklich keine echte Lights-Out-Produktionssituation. Man hat immer etwas Support. Aber Unternehmen gehen zu Skeleton-Crew-Automatisierung."

An diesem Punkt ist es immer noch notwendig, essenzielle Leute zu behalten, um die Linie zu unterstützen, sagte er; nicht unbedingt Bediener, sondern Wartungstechniker und Robotertechniker für Support, falls etwas kaputtgeht oder repariert werden muss.

"Was den Trend zu Lights-Out-Operationen ermöglicht, ist die Nutzung von Robotern für Maschinenbeschickung und Materialhandhabung", sagte Fischer. "Die Zukunft ist KI und IIoT."

Das IIoT erlaubt Alerts an einen entfernten Ort zu senden, für einen Arbeiter zu überwachen und im Falle eines Problems einzugreifen, indem Wartung geplant wird, und würde ihm ermöglichen, Produktionszahlen im Auge zu behalten. KI ist prädiktiver und erlaubt einem Roboter, selbst Anpassungen zu initiieren und zu machen.

Robotik-KI ist in Entwicklung und noch in keinem Roboter verfügbar, sagte Fischer. "Alle OEMs arbeiten daran als F&E-Projekte, aber keins existiert noch", sagte er. "Vielleicht sehen wir es in den nächsten fünf bis zehn Jahren."

Ein weiteres großes Problem, das echtes Lights-Out zurückhält, ist Teilequalität, sagte Fischer.

"Wenn Sie einen Montageprozess machen, einen Schweißprozess, es sei denn, Ihre Teilequalität ist spot-on, laufen Sie in Probleme, die nur ein Mensch aus einer Qualitätsausgabe oder Reparatur- und Wartungsperspektive identifizieren kann", sagte er. Automobilhersteller müssen visuelle Inspektion von Sicherheitsschweißnähten haben, um sicherzustellen, dass die Schweißnähte richtig platziert und fehlerfrei sind. Eine Kamera ist zu limitiert, um die Inspektion zu machen, fügte er hinzu.

ABBs Morgan hat seinen Fokus weg von Lights-Out hin zu Industry 4.0 gerichtet. "Sie wissen, wir sind seit Jahrzehnten im Roboterbusiness, und ich würde sagen, der Begriff 'Lights-Out-Produktion' wurde fast als der Heilige Gral der automatisierten Fertigung angesehen", sagte er. "Leute dachten, einmal man seinen Prozess und sein Business auf dieses Level bringt, hat man es geschafft."

Während andere auf Lights-Out fokussieren, hat ABB seine Ziele stattdessen auf die Fabrik der Zukunft und Industry 4.0 gesetzt, mit einer flexiblen, agilen Fertigungsanlage, die in Low-Mix, High-Volume sowie High-Mix, Low-Volume Arbeit operieren kann.

"Wenn Sie sich traditionelle High-Volume-Produkte wie Handys anschauen, schauen Sie nur, wie viele Farben und Speicherkonfigurationen Sie zum Beispiel für ein Samsung Android Handy heute kaufen können", sagte Morgan. "Das ist das, was wir heute in der Fertigung sehen."

Brandneu ist das integrierte Ökosystem, wo die gesamte Automatisierungskonfiguration in Kundenbedürfnisse wie schnelle Lieferung integriert ist. Zum Beispiel, sagte Morgan, ein Kontaktlinsenhersteller mag Milliarden weicher Kontaktlinsen produzieren, aber jetzt hat er eine E-Fulfillment-Operation in der Fabrik mit integrierter Lieferung und Logistikunternehmen wie FedEx vor Ort.

"Wir sehen wirklich einen großen Fokus darauf, was auch immer Sie als Hersteller ausgeben, es muss zuverlässig und verfügbar sein mit einem riesigen Fokus auf Overall Equipment Efficiency", sagte Morgan. "Die Weltklasse-OEE-Zahl vorher von 80-85% ist jetzt eine sehr niedrige Latte und um heute Weltklasse zu sein, fangen sie bei 90% an. Es geht um Effizienz auf jeder Ebene. Das bedeutet ein kollaborativer Roboter, der neben einem Bediener in einer Fertigungsumgebung arbeitet, und es ist alles digital vernetzt."