Wie wirken sich Robotik und IoT (schon heute) in der Produktion aus?
Der vielseitige Kollege des Menschen
Die Digitalisierung ist ein wichtiger Hebel dabei, Fertigungsbetriebe zu flexibilisieren und zu automatisieren. Dazu gehört auch das Internet der Dinge, das vorrauschauende Wartung ermöglicht und so Ausfallzeiten von Maschinen verringert. Das alles geht einher mit dem Einsatz moderner Kommunikationsnetze, die für die Übertragung der benötigten Datenmengen entwickelt wurden. Dem Mobilfunkstandard 5G kommt hierbei aufgrund der zur Verfügung stehenden Übertragungsraten in Verbindung mit niedrigen Latenzzeiten eine große Bedeutung zu.
Die Mess- und Prüftechnik im Bereich der Karosseriefertigung im Messraum, an der Produktionslinie und in der Linie kann in der Smart Factory automatisch per Messroboter erfolgen.
Die Mess- und Prüftechnik im Bereich der Karosseriefertigung im Messraum, an der Produktionslinie und in der Linie kann in der Smart Factory automatisch per Messroboter erfolgen.Bild: Zeiss

5G bietet nicht nur viele Vorteile für die sich permanent weiterentwickelnde Produktion, sondern kann vielmehr als Grundvoraussetzung hierfür verstanden werden. Damit der Einsatz von (Cloud-)Robotern und dem IoT auch reibungslos funktionieren kann, bedarf es eines Netzwerkes, das der Anforderung von niedrigen Latenzzeiten gerecht wird. Je nach Anwendungsfall sind Latenzzeiten von wenigen Millisekunden einzuhalten, wobei die Verfügbarkeit eine größere Rolle spielt als die Latenzzeit, um eine Kooperation von Robotern untereinander oder Navigation und Steuerung mobiler Roboter zu garantieren. Moderne Produktionsanlagen, in denen eine Vielzahl von Sensoren große Datenmengen ermitteln, die für die Qualitätssicherung der Produkte und die Fernwartung der Maschinen verarbeitet werden müssen, bedingen den Einsatz moderner Kommunikationstechnologien wie 5G. Die Reduktion von Hardware-, Kommunikations- und Netzwerkkomplexität vor Ort resultiert in einem Effizienzgewinn sowie Energie- und Kosteneinsparungen. Wie sich Robotik bereits heutzutage auf die Produktion in führenden Industrien und somit auf den Aufbau der sogenannten Smart Factories auswirkt, veranschaulichen diverse Einsatzszenarien von Robotik in verschiedenen Bereichen der Produktion. Vor allem die Logistik und der Fahrzeugbau – hier vor allem der Karosseriebau – bieten viel Raum, um Robotikanwendungen gezielt zur Steigerung der Effektivität einzusetzen.

Transport wertschöpfend nutzen

Durch die Digitalisierung und die darauf aufbauende Vernetzung durch 5G heben sich die starren Grenzen zwischen Produktion und Logistik zunehmend auf. Bisherige Lücken in den Wertschöpfungsketten lassen sich schließen und Daten gewinnbringend nutzen. Logistikunternehmen und produzierendes Gewerbe wissen quasi zu jeder Zeit und in Echtzeit, wo sich Vorprodukte befinden und können zur rechten Zeit passgenaue Services anbieten. Bei Qualitätsmängeln kann schnell und effizient festgestellt werden, an welcher Stelle der Supply-Chain der Fehler liegt.

Flexibilitätssteigerung durch 5G

Roboter sind aus den Fertigungsunternehmen kaum mehr wegzudenken. Entweder sie nehmen den menschlichen Kollegen Arbeiten komplett ab oder sie kooperieren und kollaborieren zu deren Unterstützung mit ihnen. Vorzufinden in der Fabrik der Zukunft kann dieses Gespann durch 5G profitieren, denn die skalierbare Rechenleistung vor Ort bietet die Möglichkeit, bestimmte Dienste auch auf mobilen Plattformen sicherheits- und zeitkritisch zu nutzen. Die daraus resultierende Flexibilitätssteigerung im Vergleich zu den eher starren Produktionslinien erfüllt eines der Kernziele der Industrie 4.0: Durch die hinzugewonnene Flexibilität wird zum effizienten Produzieren mit Losgröße 1 übergeleitet. Unternehmen aus der Massenanfertigung sind nun in der Lage, auch Sonderanfertigungen vorzunehmen. Mit dieser Flexibilität kann nun mit RaaS (Robot-as-a-Service) eine komplett neue Dienstleistung angeboten werden. Hierunter fallen Geschäftsmodelle, bei denen Soft- und Hardware nicht verkauft, sondern als Service verfügbar gemacht werden. Aufgrund dieser Lösung können Anbieter von RaaS eine Flotte von Robotern mit Zweckbindung anbieten. Dadurch zahlt der Kunde lediglich die Funktion der Flotte und kann Zusatzfunktionen automatisch ereignis- und bedarfsspezifisch hinzubuchen.

Inline-Messtechnik für mehr Wertschöpfung

Ein 5G-Netzwerk ermöglicht innerhalb der Produktion eine nahezu latenzfreie Vernetzung von Produktionseinheiten und erlaubt Messrobotern eine mit dem Förderband synchronisierte Vermessung von Produkten in der Bewegung. Die hierbei angewandte Inline-Messtechnik sorgt dafür, dass Prozesse in Echtzeit komplexe Merkmale und den Produktionshochlauf bereits ab dem ersten produzierten Teil überwachen können. Die Inline-Messtechnik dient der Erfassung von Messdaten innerhalb einer Fertigungslinie, um diese im Nachgang und mit dem Ziel der Qualitätssicherung zur Prozesssteuerung und zur Qualitätssicherung zu nutzen. Mithilfe von 3D-Sensoren, Kameras und Referenzpunkten erkennen die hier eingesetzten Messroboter z.B. Löcher oder Kanten in der Karosserie und dienen somit der Positionsbeobachtung und -berechnung. Der gewonnene Output bündelt verlässliche und aussagekräftige Mess- und Prüfdaten in der gewünschten Genauigkeit.

Neue Skills für Roboter

Nicht nur die Logistik, die Fertigung und RaaS sind relevante Bereiche oder Möglichkeiten für Robotikanwendungen. Auch die Gaming-Industrie dient als Ideengrube für die Weiterentwicklung der digitalen Kollegen des Menschen. Das mittlerweile in der Spielindustrie nahezu perfektionierte videotechnische Erfassen von Gestik und Mimik kann, bei Anwendung in der Produktion, dazu führen, dass komplexe Handlungsabläufe wie z.B. die Montage von Komponenten gelernt werden. Das in der Industrie angewandte KI-System lernt Handhabungs-Skills durch die reine Beobachtung des Monteurs. Diese Skills können anschließend ungelernten Werkern im Rahmen einer schrittweisen Einführung angeboten werden. Dieser beschriebene Ansatz findet sich schon heute in der Wartung von Anlagen mittels Augmented Reality wieder. Für die kommende Entwicklung ist zu erwarten, dass die vom Avatar im Spielprozess übernommenen Bewegungsabläufe auf das mathematische Modell eines Roboters übertragen werden. Auf diese Weise lassen sich Kosten einsparen, da die Programmierung eines Roboters entfällt. Der Werker bekommt hierdurch die Möglichkeit, dem Roboter quasi spielerisch Fähigkeiten zu vermitteln und ihn somit für Aufgaben zu programmieren. Dieser zeigt seinem digitalen Kollegen mithilfe seiner Gestiken, wie er bestimmte Aufgaben innerhalb der Produktion durchführt. Aber auch die Sprache und die Haptik werden hier eine Rolle spielen: Innerhalb der sprachlichen und haptischen Interaktion kann der Werker dem Roboter entweder durch Kommandos oder durch die manuelle Führung seiner Gelenke bestimmte Richtungen vorgeben. Dabei werden die Gelenkkoordinaten dynamisch aufgezeichnet. Wiederholt der Werker diese Bewegungsabläufe einige Male, kann das KI-System die erlernten Skills und die dazu notwendigen Bewegungsabläufe auf das Robotermodell übertragen.

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