Robotik-Intelligenz und Sicherheit in der Fertigung verbessern

Die Pandemie beleuchtet eine traurige Wahrheit der Fertigung: Menschen werden krank

COVID-19 hat Herstellern eine wertvolle Lektion erteilt: Wenn Menschen erkranken, stehen Werkzeugmaschinen und Anlagen still. Zwar wussten sie das bereits – genauso wie sie wussten, dass Mitarbeiter Mittagspausen und Urlaub machen, zu spät kommen, weil das Auto nicht anspringt, oder für fünfzig Cent mehr die Stunde zum Wettbewerber wechseln. Aus diesen und anderen Gründen standen Shop-Owner und Manager schon lange unter Druck zu automatisieren; nun, angesichts einer globalen Pandemie, sind sie es verzweifelt.

„Die USA kämpfen seit Jahren mit einem Mangel an qualifizierten Arbeitskräften, aber die Abhängigkeit von menschlichen Bedienern ist lately besonders herausfordernd geworden“, sagt Mark Sumner, Vice President Sales and Marketing beim Automatisierungsanbieter Acieta LLC, Waukesha, Wis. „Jahrelang erhielten wir Anrufe von Herstellern: ‚Ich denke über Automatisierung nach. Sagen Sie mir, wie sie unser Ergebnis verbessern könnte.‘ Seit COVID-19 hat sich das geändert zu: ‚Wir brauchen Roboter. Wie fangen wir an?‘“

Die neue Normalität

Es gibt viele Gründe für diesen Wandel, so Sumner. Betrachten Sie Maschinenbaubetriebe und Fertigungshallen in einer Welt, die sich vor Virustransmission fürchtet. In diesen Umgebungen sind die Werkzeugmaschinen meist weit genug voneinander entfernt, dass Social Distancing kein Problem darstellt. Aber was passiert in der Mittagspause, wenn sich Arbeiter versammeln, um Wochenendgeschichten auszutauschen oder über die Leistung ihres Lieblingssportteams zu lamentieren?

Und welche Auswirkungen hat das verpflichtende Tragen von Masken auf die Mitarbeitermoral, ganz zu schweigen von Plexiglastrennwänden, Fiebermessungen am Eingang und Schildern, die an den Mindestabstand von 1,5 Metern erinnern? Was ist mit dem unvermeidlichen Stillstand, wenn ein Kollege positiv getestet wird? Mit etwas Glück ist all das vorübergehend. Vielleicht entwickeln Immunologen schnell einen Impfstoff, und nächstes Jahr können wir 2020 als Anomalie abtun. Aber was, wenn kein Impfstoff kommt? Und was ist mit der nächsten Pandemie? Solche Fragen lassen Hersteller innehalten, und viele sagen: „Genug ist genug. Lasst uns überall dort automatisieren, wo es möglich ist.“

Die gute Nachricht? Das ist jetzt einfacher als je zuvor. Sumner merkt an, dass Social Distancing mehr Platz für die Positionierung von Robotern zwischen Mitarbeitern schafft, während Steve Alexander, Acietas Vice President of Operations, hinzufügt, dass Vision-Systeme und andere fortschrittliche Fähigkeiten positive Auswirkungen auf Roboter-Kosten und Flexibilität haben.

„Eine zunehmende Anzahl von Kunden nutzt Kameras, um zufällig platzierte Teile zu lokalisieren – sei es auf einer Palette, in einem Regal oder auf einem Förderband“, erklärt er. „Der Roboter kann seine Orientierung bestimmen und das Teil aufnehmen sowie feststellen, ob ein Merkmal existiert – etwa ein Bohrungen oder ein Barcode – und entsprechend entscheiden. Das reduziert den Bedarf an Vorrichtungen und deren Kosten und macht Roboter einfacher einsetzbar.“

Klar sehen mit Kameras

Acietas beliebtestes Vision-System ist FANUCs iRVision, das Alexander zufolge eine Option für jeden FANUC-Roboter ist. Er weist jedoch schnell darauf hin, dass Drittanbieter- und OEM-Kameras für praktisch jede Roboter-Marke und jedes Alter verfügbar sind. Die Frage, wie man eine Kamera einsetzt, ist oft der schwierigere Teil der Vision-Gleichung.

„Da steckt definitiv Engineering dahinter“, sagt er. „Sie müssen das korrekte physische Layout, den Bildausschnitt, die richtige Beleuchtung usw. festlegen. Und auf der Softwareseite müssen Sie den Roboter lehren, indem Sie korrelieren, was die Kamera sieht und wie diese Bilder sich auf die jeweilige Aufgabe beziehen. Es ist nicht so einfach, nur eine Kamera anzuschrauben.“

Jemand, der sich damit bestens auskennt, ist Dave Bruce, Engineering Manager und Robot-Vision-Experte bei FANUC America Corp., Rochester Hills, Mich. Er und sein Kollege Greg Buell – ein Cobot-Experte und Senior Engineer für FANUCs Materialhandling-Segment – sind sich einig, dass Vision-Systeme beliebter und leistungsfähiger werden, warnen aber, dass ihre Nutzung zusätzliche Hausaufgaben erfordert.

„Vision hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht“, sagt Bruce. „Wir hatten es in unseren letzten drei Controller-Generationen verfügbar, und bei den letzten beiden haben wir einen großen Vorstoß in Richtung 3D-Vision (3DV) gemacht, die sehr schnelle Punktwolken-Kameras nutzt, um die Umgebung des Roboters zu kartieren. Wir erwarten, dass der Einsatz sowohl von Industrie- als auch von kollaborativen Robotern in den nächsten Jahren stark zunehmen wird.“

Eine weitere Technologie ist Kraftsensorik, die Roboter sowohl sicherer als auch leistungsfähiger macht. FANUCs Force Control wird beispielsweise oft in Verbindung mit den Vision-Produkten des Unternehmens für Entgraten und Montage eingesetzt; diese Aufgaben werden durch smarte Software noch einfacher. „Wir haben ein weiteres Produkt namens Intelligent Deburr“, sagt Buell. „Es ermöglicht Anwendern, eine CAD-Zeichnung des Teils hochzuladen, und die Software generiert den optimalen Bewegungs-Pfad zum Entgraten. Genau dieses Maß an künstlicher Intelligenz hilft Herstellern, den schnellstmöglichen ROI ihrer Automatisierungsinvestition zu erzielen.“

Entscheidungen in Echtzeit

Sofern Sie nicht zu denen gehören, die eine zukünftige robotische Übernahme der Menschheit fürchten, ist deterministische künstliche Intelligenz (KI) vielleicht der aufregendste Bereich der Automatisierungsbranche. Denn Roboter, die mit KI ausgestattet sind, sind nicht nur leistungsfähiger, sondern auch weitaus günstiger im Betrieb.

„Vollständig 40 Prozent der laufenden Kosten eines Roboters liegen in seiner Programmierung“, sagt Jason Barton, Chief Commercial Officer des Bostoner Unternehmens Realtime Robotics Inc. „KI kann diese Kosten um bis zu 70 Prozent senken. Realtime Robotics erreicht dies, indem der robotische Programmierprozess automatisiert wird, um den effizientesten Weg von Punkt A nach Punkt B zu bestimmen und entsprechend ein Programm zu generieren.“ Darüber hinaus kann das System dieses Programm dynamisch anpassen, wenn bestimmte Bedingungen eintreten – eine Technologie, die der von autonomen Fahrzeugen zur Navigation im Straßenverkehr ähnelt.

„Bevor wir GPS in Autos und Handys hatten, druckten Fahrer detaillierte Wegbeschreibungen zu unbekannten Orten aus“, sagt Barton. „Gab es eine Straßensperrung oder starken Verkehr, waren Sie aufgeschmissen, weil Sie keine Möglichkeit hatten, die Route spontan zu ändern. So ist konventionelle Roboterprogrammierung heute. Sie müssen jeden einzelnen Wegpunkt für jede Bewegung programmieren, und wenn mehrere Roboter zusammenarbeiten, müssen Sie sie so programmieren, dass sie harmonieren. Das ist eine mühsame, zeitaufwändige Aufgabe, die wir eliminieren.“

Selbstprogrammierende Roboter, die ihre Umgebung wahrnehmen, werden wahrscheinlich ein Gamechanger sein – so sehr, dass Realtime Robotics mit mehreren Roboterherstellern zusammengearbeitet hat, darunter Mitsubishi Electric Automation Inc., Vernon Hills, Illinois. Adam Welch, Robotics Product Manager bei Mitsubishi, stellt fest, dass ausgeklügelte 3D-Vision-Systeme wie diese sicherstellen, dass alle Roboter innerhalb einer Zelle oder eines Arbeitsbereichs effizient arbeiten, räumlich bewusst, wo sie sich gerade befinden und wo sie in Zukunft sein werden.

Risikobewertung und Leistungsfähigkeit

„Wir setzen diese Technologie für eine Vielzahl von High-Density-Robotikanwendungen ein, darunter in der Automobil- und Lebensmittel- und Getränkeindustrie“, sagt Welch. „Weil das System die Rollen und Verantwortlichkeiten jedes Roboters intuitiv versteht, kann es eine Hierarchie erstellen, die besagt, dass Roboter Nr. 1 Vorrang vor Roboter Nr. 2 hat usw. Es managt selbst sehr strenge Fertigungsprozesse effizient, ohne dass fortgeschrittene Programmierung nötig ist.“

Natürlich bedeutet das nicht, dass traditionelle Programmiersysteme und Sicherheitsausrüstung bald verschwinden. Ben Sagan, Business Development Manager bei Mitsubishi Electric Automation, schlägt vor, dass die MELFA SafePlus-Lösung die industrielle Roboterlinie des Unternehmens ergänzt, indem sie mit verschiedenen Sicherheitsgeräten interagiert. Dazu gehören Bereichsscanner, Lichtvorhänge und Sicherheitsmatten, die alle dazu dienen, die Roboter-Geschwindigkeit zu reduzieren oder seine Bewegung basierend auf Feedback dieser Zubehörteile zu begrenzen.

Für diejenigen, die denken: „Super, lass uns diese großen, hässlichen Käfige loswerden und durch solche Systeme ersetzen“ – nicht so schnell. Wie ihre Kollegen in der Branche betonen beide Experten, dass Kunden vor dem Einsatz eines jeden Roboters eine Risikobewertung durchführen sollten. „Das gilt sogar für kollaborative Roboter“, fügt er hinzu und weist darauf hin, dass Mitsubishi Electric Automation im Herbst seinen ersten Cobot – den MELFA ASSISTA – auf den Markt bringen wird. „Es ist entscheidend, dass Hersteller jede robotische Anwendung im Hinblick auf das Zellenlayout, die Werkzeugmaschinen, Förderbänder und sonstiges Materialhandling-Equipment sowie den Grad der menschlichen Interaktion analysieren“, sagt Sagan.

Pandemie beschleunigt weitere Automatisierung

Joe Campbell steht voll hinter der Vorstellung von mehr Cobots. Der Senior Manager für strategisches Marketing und Anwendungsentwicklung bei Universal Robots USA Inc., Ann Arbor, Mich., sagt, Hersteller müssten Robotik – kollaborativ oder nicht – so schnell wie möglich annehmen. „Schon vor der Pandemie war die Lage kristallklar“, sagt er. „Mindestens 500.000 Fertigungsjobs blieben unbesetzt. Mehr als 10.000 Babyboomer gingen täglich in Rente, und 27 Prozent der Fertigungsbelegschaft waren 55 oder älter. Und das letzte Argument für mehr Automatisierung? Die Bereitschaft von Millennials und anderen jungen Menschen, in die Handwerksberufe einzusteigen, war auf einem Rekordtief.“

Diese Situation allein war ein stetiger Treiber für Automatisierung, so Campbell. Nun kommt eine globale Pandemie hinzu. Daraufhin beginnen Betriebe aller Größen, Cobots und Roboter zu kaufen und sie mit ihrer sozial distanzierten menschlichen Belegschaft zu mischen, um wieder auf das Vor-Pandemie-Niveau hochzufahren. Damit einher geht der Wunsch, wo möglich zurückzuverlagern (Reshoring), und das niedrige Lohnkosten-Niveau durch schlauere, leistungsfähigere Roboter auszugleichen.

Ein Beispiel dafür ist Universal Robots’ ActiNav, ein autonomes Bin-Picking-System, das im April letzten Jahres eingeführt wurde. Im Gegensatz zu den Bin-Pickern in E-Commerce-Lagern und Fulfillment-Centern, die im Grunde „Pick-and-Drop“-Lösungen sind, nennt Universal Robots ActiNav „Pick-and-Place“. Es soll präzise genug für CNC-Maschinenbeschickung sein und intelligent genug, zufällig platzierte Objekte sogar aus sehr tiefen Behältern zu greifen. Ein großer Teil dieser Fähigkeit beruht auf einer weiteren Premiere für das Unternehmen: einem hochauflösenden Vision-System von Photoneo Inc., Erlanger, Ky., zusammen mit einer intern entwickelten Software.

„Das ist die eigentliche Magie hinter ActiNav“, sagt Campbell. „Bei herkömmlichem Bin-Picking müssen Sie alle verschiedenen Szenarien programmieren, was in einem mit kleinen Metallteilen gefüllten Behälter praktisch unmöglich ist. Mit ActiNav zeigen Sie ihm das Teil, den Behälter und wohin die Teile sollen, und die Software erledigt den Rest. Es ist so einfach, dass Sie ein neues Teil von Grund auf in zwei bis vier Stunden einrichten können – etwas, das sonst ein paar Monate dauern könnte.“

Sicher bewegen

Laut Campbell hat COVID-19 endlich allen gezeigt, was passiert, wenn man die Fertigung auslagert. „Es braucht nur eine Pandemie oder ähnliche Störung, und Sie sind stillgelegt“, sagt er. „Deshalb wollen Unternehmen überall die Arbeit ins Haus holen, und zwar sofort. Aufgrund des Fachkräftemangels ist der einzige Weg, dies effektiv zu tun, flexible Automatisierung, die einfach einzusetzen, einfach zu programmieren und zu bedienen ist und bei richtigen Sicherheitsprotokollen neben menschlichen Arbeitern eingesetzt werden kann. Kollaborative Roboter erfüllen diese Anforderungen in allen Punkten.“

Joe Chudy, Vice President und General Manager von ABB Robotics U.S., Auburn Hills, Mich., hat auch den Ruf der Branche nach mehr Automatisierung vernommen, obwohl seine vorgeschlagene Lösung etwas anders ist. „Unsere Kunden sagen uns, dass die Notwendigkeit, die Einführung von Robotik und Automatisierung zu beschleunigen, kritisch ist – sowohl zum Schutz der Gesundheit ihrer Mitarbeiter als auch zur Verbesserung der Geschäftskontinuität“, sagt er. „Die meisten wollen jetzt das Gleichgewicht zwischen Globalisierung und Lokalisierung ändern, um die Produktion näher an den Heimatmarkt zu bringen – sogenanntes Nearshoring –, während sie die Produktionsflexibilität erhöhen und die Lieferkettenresilienz stärken.“

Um diesem Bedarf gerecht zu werden, sind intuitive Tools erforderlich, die Nutzern helfen, bessere Entscheidungen zu treffen. Eines davon ist die SafeMove-Software-Suite des Unternehmens, die Chudy zufolge Operatoren größere Freiheit gibt, in begrenztem Raum und praktisch ohne Einhausung mit Robotern zusammenzuarbeiten – vorausgesetzt, die entsprechenden Sicherheitsensoren, Laserscanner und Lichtschranken sind vorhanden. Sie kann über die gesamte Palette der industriellen ABB-Roboter eingesetzt werden und macht „jeden Roboter zum Cobot“ durch konfigurierbare elektronische Bewegungsüberwachung und -verhinderung, die Geschwindigkeit, Bewegung und Position des Roboters einschränken, wenn sich eine Person nähert.

Er weist zudem auf die Notwendigkeit von Simulations- und Offline-Programmiersoftware hin, darunter das firmeneigene RobotStudio. Die erste ermöglicht es Nutzern, eine komplette Roboterinstallation in einer virtuellen 3D-Umgebung zu erstellen, zu simulieren und zu testen, ohne die tatsächliche Produktionslinie zu stören. „Das bedeutet, dass neue Produktionslinien schneller installiert und ohne Überraschungen während der Inbetriebnahme auf Volllast hochgefahren werden können. Das ist eine kritische Kompetenz für Hersteller, wenn man heute an Mass Customization und kürzere Produktlebenszyklen denkt“, sagt er. „Und wie bei CAM-Software und CNC-Werkzeugmaschinen eliminiert Offline-Roboterprogrammierung die Ausfallzeiten und Störungen auf dem Shopfloor, die bei manuellen Programmierungsmethoden auftreten.“