Wie Automatisierung während COVID-19 beschleunigte: Trends, Flexibilität und der Aufstieg der Cobots

Sicherere, schnellere und intelligentere Lösungen unterstützen die Industrie in einer Pandemie

Der langfristige Trend hin zur Fertigungsautomatisierung wurde verständlicherweise durch die COVID-19-Pandemie beschleunigt. Etwa ein Jahr in der Krise ist es ein guter Zeitpunkt, nach längerfristigen Auswirkungen zu fragen. Hat die Pandemie die Automatisierung in neue Bereiche gedrängt? Haben Anbieter Automatisierung flexibler gemacht? Einfacher zu implementieren?

Ihrer Natur nach sind kollaborative Roboter (Cobots) einfacher zu implementieren als ihre traditionellen Verwandten. Da Cobots dafür konzipiert sind, einen Arbeitsbereich mit ihren menschlichen Kollegen zu teilen, benötigen sie routinemäßig keine Schutzzäune und passen in relativ kleine, besetzte Räume (wenn durch Sicherheitsrisikobewertung bestätigt). Sie sind auch einfacher einzurichten, sagte Dick Motley, Director von FANUC America Corp.'s autorisierten Systemintegratorengruppe in Rochester Hills, Mich. Er erklärte, dass ein Benutzer FANUCs CRX-Serie Cobots teilweise trainieren kann, indem er den Arm buchstäblich greift und herumführt. Das macht die „Einrichtung einer einfachen Anwendung wirklich unkompliziert und intuitiv. Man hat Roboterautomatisierung, die schnell eingesetzt werden kann.“ Er fügte hinzu, dass „es ein wachsendes Ökosystem an Peripherieanbietern für Greifer und Sockel für den Roboter gibt, und verschiedene Vorkehrungen, um die Versorgungsleitungen zum End-of-Arm-Tool des Roboters einfach anzusprechen.“

Die schlechte Nachricht ist, dass Cobots langsam sind. Obwohl sie mit Sensoren gebaut sind, die die Kraft begrenzen, die sie bei Kontakt ausüben, „ist es ziemlich schwer, Sicherheitsstandards bei hoher Geschwindigkeit zu erfüllen“, erklärte Motley. „Unabhängig davon, wie empfindlich Ihr Kontaktsensorsystem ist, versuchen Sie, der Physik zu trotzen, wenn Sie etwas wirklich schnell bewegen und es dann sofort zum Stillstand bringen müssen.“ Also obwohl man denken könnte, Cobots würden die Automatisierungswelt übernehmen (und COVID-19-Ära-Verkäufe waren explosiv), hat ihre Anwendbarkeit Grenzen.

Motley verwies auf einen „relativ langsamen Palettiervorgang“ am Ende der Fertigungslinien eines Kunden als gute Passform für einen Cobot. „Sie produzierten zwei bis vier Kartons pro Minute, mit einer unglaublichen Dichte an Förderbändern, die diese Produkte zum Ende hin zum Palettieren führten. Sie hatten nicht den physischen Platz für eine traditionelle Roboterimplementierung mit Bremswegberechnungen und all den Dingen, die in eine traditionelle Roboterzelle gehen. Ihre einzige Automatisierungsoption war, einen Cobot einzusetzen. … Wenn Sie langsam genug fahren, wird Sie ein Karton wahrscheinlich nicht verletzen.“

Sicher und einfach für Menschen

Das soll nicht heißen, dass traditionelle Roboter nicht in Nähe von Menschen arbeiten können, oder dass sie sehr schwierig einzurichten sind. Oder dass langsame Cobots ohne Absperrung arbeiten können, wenn sie etwas Scharfes oder anderweitig Gefährliches handhaben. Um diese Bedenken anzusprechen, haben FANUC und andere OEMs Systeme, die „entweder den Bewegungsbereich oder die Geschwindigkeit des Roboters beschränken“, um intermittierende Interaktion mit einem Menschen zu ermöglichen, erklärte Motley. FANUC nennt seine Sicherheitsarchitektur „Dual Check Safety“ (DCS). „Vielleicht wollen Sie eine ‚Betretungsverbotszone‘ auf einer Seite des Roboters einrichten, während ein Operator Teile lädt, die der Roboter abrufen soll. Sie aktivieren eine Software-Beschränkung, um den Roboter davon abzuhalten, dorthin zu gehen, typischerweise verstärkt durch einen Lichtvorhang, eine Sicherheitsmatte oder einen Scanner. Aber sobald die Person den Ladebereich verlässt, kann der Roboter sofort wieder auf Volllgeschwindigkeit hochfahren.“

Motley wies auch darauf hin, dass „Anpassungen an DCS in FANUCs Roboguide Offline-Programmierumgebung Simulationspaket durchgeführt werden können. Sie können mit einem an den Roboter angeschlossenen Laptop oder mit einem unserer Benutzeroberflächen-Geräte vorgenommen werden, sei es unser iPendant oder unser neues Teach Pendant Tablet.“ Das neue Tablet-basierte Interface ist besonders einfach zu bedienen, sagte Motley. „Es ist ein ganz neuer Programmierstil, der nicht einmal annähernd Computersprache ist. Es ist ein Drag-and-Drop-Icon-Timeline.“

Bei Promess Inc., Brighton, Mich., berichtete Application Director John Lytle, dass die Pandemie die Bemühungen seines Unternehmens beschleunigt hat, seine Electric Press Workstations zusätzliche Funktionen ausführen zu lassen. Promess hatte es bereits einfach gemacht, seine Einheiten in eine Produktionslinie zu integrieren, indem sie sie kompakt und selbstständig mit einem integrierten Lichtvorhang zur Verhinderung von Verletzungen des Operators machten. „Sie automatisieren Montage mit Sensorik, die bestimmt, ob es ein gutes Teil gemacht hat, und Sie können sie überall hinstellen und an Veränderungen in der Anlage anpassen.“ Promess hat Nebefunktionen hinzugefügt und die Informationen erweitert, die die Einheiten an den Rest der Fabrik kommunizieren können. Zum Beispiel kann die Work Station neben dem Zusammenpressen zweier Teile und der Bestätigung, dass die gemessene Kraft und der Weg wie erwartet waren und die Montage daher gut ist, auch Maßmessungen durchführen und diese Information weitergeben. Das eliminiert die Notwendigkeit einer separaten Messstation.

Solche Messungen erfordern Kameras und/oder Laser, und Promess integriert die Technologie so, dass der Endnutzer immer noch eine eigenständige, „Plug-and-Play“-Einheit erhält. Wie Lytle erklärte: „Wir konzentrieren uns darauf, es für den Endnutzer einfach zu machen, also ist es nicht wie ein großes Wissenschaftsprojekt, das einen Kameratechniker, einen SPS-Experten, einen High-Level-Integrator usw. erfordert. Wir haben ein Softwareteam von 20 Leuten hier, die jeden Tag daran arbeiten, es einfach zu machen. Also wenn der Kunde eine Work Station bekommt, ist sie bereits eingerichtet. Sie geben nur Parameter ein.“ Er fügte hinzu, dass Kameras mehr können als Teile messen. Sie können auch für Teileorientierung verwendet werden. Dies ermöglicht komplexere Anordnungen, wie das automatische Entnehmen von mehreren Teilen auf einer Palette. Außerdem hat Promess Cobots für automatisches Be-/Entladen integriert. Das Endergebnis, wie Lytle es sieht, ist eine multifunktionale Work Station, die die Transferlinie vereinfacht und zu Social Distancing beiträgt, während sie auch Daten an andere Geräte in der Anlage sendet „über das Internet oder Intranet, um eine Entscheidung darüber zu treffen, was zu tun ist.“

Intelligenter und flexibler

Laut Joe Chudy, General Manager von ABB Robotics USA, Auburn Hills, Mich., „suchen alle Branchen, in großen und kleinen Installationen, nach Wegen, Menschen aus ihren Prozessen zu entfernen.“ Der größte Nachfrageanstieg – ein Schub, der direkt auf die Pandemie zurückzuführen ist – ist in der Medizintechnikfertigung, Verpackung/Logistik und Lebensmittelverarbeitung. Letztere beiden sind besonders herausfordernd, angesichts ihrer Notwendigkeit nach extremer Geschwindigkeit bei inkonsistenten Eingaben. Wie Chudy es ausdrückte: „Es ist kein Geheimnis, dass Amazon nicht genug Leute einstellen kann und nicht schnell genug automatisieren kann. Dasselbe gilt für WalMart und alle anderen in diesem Bereich. Aber die Menge und Vielfalt der Artikel, die man schnell aufnehmen und sortieren muss, zwingt einen, irgendeine Form von KI (künstlicher Intelligenz) zu implementieren.“

Chudy sagte, die Lebensmittelverarbeitungsindustrie sei ebenfalls stark unter Druck und treibe Automatisierungsinnovation voran. Er beschrieb Fleischzerlegung und -verpackung als inhärent miserables Umfeld für Menschen, wobei die Pandemie die Sorgen nur verstärkt. Und das „Protein“ (wie die Industrie ihr Produkt bezeichnet) variiert von Stück zu Stück. „Wir fragten uns, ob wir ein Huhn entbeinen könnten. Was könnten wir mit den Flügeln machen? Solche Dinge“, erzählte Chudy.

Angesichts der Inkonsistenzen der Proteinformen erforderte die Bewältigung dieser Herausforderung sowohl ein smartes Kamerasystem als auch KI, um die Robotergriffe zu orientieren. „Es gibt auch schnelle Amortisation durch Begrenzung des Proteinverlusts beim Schnitt“, fügte Chudy hinzu. „Also die Visionstechnologie, die Sie verwenden, mit Wasserstrahlmessern oder anderen Techniken, um dieses Material so nah wie möglich zu schneiden, ist ein großes Thema. Zu lernen, wie das Protein dem Roboter präsentiert wird, wo das Vision-System hingehen sollte und wie man es ausrichten sollte, fließt alles in die Anwendung ein.“

Langfristig glaubt Chudy, dass Fortschritte in KI, die durch diese Herausforderungen getrieben werden, auch auf die Metallbearbeitungswelt angewendet werden. Zum Beispiel verbessere sich die zufällige Bin-Picking-Fähigkeit aufgrund von Verbesserungen in KI, beobachtete er, „sowie Depalettieren und einige logistische Aufgaben. Erwerbszeiten sind wirklich das, was bei zufälligem Bin-Picking zählt. Wie schnell kann ich das Teil lokalisieren? Wie schnell kann ich hingehen und es holen? Es ist dasselbe im Logistikmarkt.“ Chudy glaubt, Geschwindigkeit sei wichtig, und die Verarbeitung des Volumens an Bilddaten, die zum Aufnehmen der Teile erforderlich sind, habe diese Anwendungen bisher begrenzt. „[Jetzt] sehen wir diese Anwendungen in diesem Markt aufblühen, da die Technologie wächst und stärker und weniger wartungsintensiv wird“, sagte Chudy.

Er sagte, fixierloses Schweißen und smartes Schweißen würden ebenfalls untersucht, bei denen „Sie das Stück und Teil einer Kamera präsentieren und es entscheidet, wie man es schweißt, und die Toleranzen, und die Lücken misst, und all die Dinge tut, die ein traditioneller Programmierer tun würde. Es funktioniert gut im Labor, aber wir haben es noch nicht in der Produktion implementiert.“

Visionstechnologie ist zentral für diese Systeme. Und wie Chudy es ausdrückte, machte das „früher vielen Leuten in der Metallindustrie nervös“, weil Vision-Systeme früher spezialisierte Techniker für Installation und Wartung erforderten. „Jetzt sind diese neueren Anwendungen in der Lage, sich selbst zu überwachen.“

Motley sprach auch von Visionstechnologie als gewaltigem Enabler, der einfacher zu implementiert geworden ist. „Wenn Sie einem Roboter Augen geben, um sich an die Umgebung anzupassen, ermöglicht das alle möglichen Dinge in Bezug auf reduzierte Kosten für die Einrichtung einer Anwendung, reduzierte Umrüstzeiten, weniger geänderte Teile, bessere Flexibilität, höhere Zuverlässigkeit und In-Prozess-Inspektion.“ Er sagte, FANUCs neue 3D-Visionstechnologie, 3DV genannt, biete „einen vielseitigen, kompakten Sensor, der leicht in End-of-Arm-Tooling an einem Roboter eingebaut werden kann. Der Roboter trägt seine Augen buchstäblich mit sich herum, anstatt nur einen stationären Sensor zu haben, obwohl stationäre Sensoren immer noch ihren Platz haben.“ Und eine 3D-Punktwolke liefere dem Roboter viel mehr Informationen als ein flaches 2D-Bild, fügte er hinzu. Mit mehr Informationen über das, was vor ihm ist, „ist die Robotersteuerung besser in der Lage zu entscheiden, was als Nächstes zu tun ist.“

Fertigung in Metall

Verpackung und Protein zu handhaben ist ganz anders als eine typische Metallbearbeitungsanwendung. So erklärte Dave Suica, President von Fastems LLC, West Chester, Ohio, dass sich Greifertechnologie ändert. „Wir haben begonnen, servogesteuerte Greifer einzusetzen. Viele Teile sind verformbar. Ein normaler Kraftgreifer kann zu viel Kraft anwenden, mehr als nötig, um den Reibungsfaktor zu überwinden, um das Teil anzuheben. Mit Servosteuerung fährt man eine Position an, und dann hat er ein Override für den Druck, den er anwendet.“ Allgemeiner gesagt, sagte Suica, tendieren Menschen zu „höherwertiger“ Automatisierung, die nicht erfordert, Greifer manuell zu wechseln, um Jobs zu wechseln. „Mit smarter Automatisierung und automatischem Greiferwechsel und Computersteuerung statt SPS können Sie es dynamisch machen. Sie können von Teil A zu Teil B zu Teil C wechseln, ohne dass Menschen da sind. Wir haben Systeme, die 72 Stunden autonom laufen.“

Während Fastems am besten für große flexible Fertigungssysteme (FMS) bekannt ist, deckt es die gesamte Palette von Roboter- und Palettenhandhabungskonfigurationen ab. Suica sagte, die Pandemie habe einige Unternehmen veranlasst, einzelne Maschinen zu kaufen und zu automatisieren, nur um schnell ein bestimmtes Produkt zurückzuholen (Reshoring). Aber ob Fastems ein großes FMS oder einen Roboter für eine einzelne Maschine liefert, „es hat immer noch eine vollständige Linie von Fertigungsmanagementsoftware“, sagte Suica. „Es hat immer noch Terminplanung. Es hat immer noch die Kapazitäten, verschiedene Teile zu unterschiedlichen Zeiten zu fahren.“ Fastems rühmt sich, sich mit dem ERP-System eines Unternehmens für prädiktive und dynamische Terminplanung integrieren zu können. „So, wie das ERP-System die Anforderungen ändert, ändern wir automatisch die Sequenz, welches Teil wann gefertigt wird, sodass Sie Ihren Fluss aufrechterhalten, ohne Lagerbestand aufzubauen.“

Zurück zur Verpackungs- und Montageherausforderung sagte Motley, FANUCs automobilistische Wurzeln hätten ihm gut gedient. „Unsere Fähigkeit, einen Dichtstoffperlen aufzutragen, um einen Karosseriekörper vor dem Lackieren abzudichten, und diese sehr eng mit Roboterbewegungen zu koordinieren, sodass man bei hoher Geschwindigkeit keine dünne Stelle in der Dichtstoffperle bekommt … und wenn man langsam um eine Ecke fährt, keinen großen, dicken Aufbau bekommt …“ trug direkt dazu bei, Klebstoff in Montageoperationen dosieren zu können.

Fernsteuerung wechselt zu HTML5

Der Anstieg der Automatisierung und des Social Distancing durch die Pandemie hat wiederum die Notwendigkeit von Remote-Monitoring-Fähigkeiten hervorgehoben. Remote Monitoring ist nicht neu, und praktisch alle Steuerungs-, Automatisierungs- und Maschinenhersteller bieten solche Lösungen an. Aber Fagor Automation–USA, Elk Grove Village, Illinois, ging kürzlich einen Schritt weiter, indem es die Veröffentlichung einer HTML5-basierten Steuerungsarchitektur beschleunigte. Wie General Manager für Nordamerika Harsh Bibra erklärte, ist HTML5 nicht nur browserbasiert, sondern „konsistent über mehrere Browser hinweg. Eine Person könnte ein iPhone nutzen. Eine andere ein Google-Gerät. Ein Dritter könnte Windows 10 auf einem Laptop verwenden. Mit einer HTML5-basierten Schnittstelle an der Maschine würden sie alle dasselbe auf ähnliche Weise sehen. HTML5 macht Ihre Maschine plattformunabhängig.“

HTML5 bietet auch besseren mobilen Zugriff auf Business Intelligence, sagte Bibra, zusammen mit Geolokalisierung. Mit Geolokalisierung wies er darauf hin, kann man Remote-Verbindungen auf Geräte beschränken, die sich an bestimmten Orten befinden, was die Sicherheit verbessert. Zum Beispiel könnte man eine Remote-Verbindung auf das Zuhause eines Mitarbeiters beschränken, aber nicht anderswo, um Zugriff zu verhindern, wenn der Mitarbeiter sein Handy verliert. Was mehr ist, fügte Bibra hinzu: „HTML5 ist grenzenlos. Je nach der Macht der Logik, die Sie schreiben, oder der Macht der Mensch-Maschine-Schnittstelle, die Sie erstellen, kann es den N-ten Grad an Freiheit bieten, in dem Sinne, dass die Person am anderen Ende Zugriff auf alles haben kann.“ Das bedeutet, Sie könnten eine Remote-Verbindung befähigen, nicht nur Aktivitäten zu überwachen, sondern auch Maschinenbefehle einzugeben, wie Zyklusstart oder Zyklusstopp. Mit anderen Worten: Fernsteuerung ist das ultimative Social Distancing.