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Kontinuierliche Weiterentwicklung: Mitarbeiter haben das Pick-to-Light-System durch das Kennzahlen-Cockpit (rechts) erweitert. Es zeigt den Fortschritt des aktuellen Montageprozesses an. Darüber hinaus kann es die gefertigte Losgröße, die Auftragsliste und andere Kennzahlen darstellen. (Bild: Turck)

Professor Sven Hinrichsen, der das Themengebiet des Industrial Engineering in der SmartFactoryOWL vertritt, arbeitet seit zwei Jahren mit dem Pick-to-Light-System von Turck und dessen Optosensorik-Partner Banner Engineering. Das anfängliche Ziel des Projekts war, einen variantenreichen manuellen Montageprozess für einen Maschinenbauer zu optimieren. Die erste Version der lichtgesteuerten Werkerführung wurde 2016 direkt im Gründungsjahr der Fabrik fertiggestellt und bis heute kontinuierlich weiterentwickelt.

Ausbaustufe 1: Pick-to-light

Der Stand von damals: Anfangs liest der Werker über den Vision-Sensor iVu von Banner einen 2D-Code ein. Das angeschlossene HMI TX513 zeigt den zugehörigen Montageprozess an. Als Steuerung fungiert ein programmierbares Gateway für das IP67-I/O-System BL67. Auf dem Gateway programmierte Turck die Pick-to-Light-Applikation mit Codesys 3, wobei die Visualisierung der einzelnen Montageschritte mit dem Codesys-Modul TargetVisu realisiert wurde.

Ausbaustufe 2: Erweiterung mit Put-to-Light und RFID

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Das Durchlaufregal hat einen RFID-Schreib-Lese-Kopf, der dem Lager signalisiert, welcher Behälter wieder aufgefüllt werden muss... Turck

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…wobei das Put-to-Light-System anschließend anzeigt, in welche Reihe der gefüllte Behälter hineingehört. Turck

So weit, so gut. Allerdings muss im Praxiseinsatz ein Logistikmitarbeiter die Montagearbeitsplätze immer wieder ablaufen und überprüfen, ob Behälter leer sind, diese ins Lager bringen, auffüllen und zurück an den Arbeitsplatz schaffen. Dabei kommt es vor, dass er Behälter vergisst oder im Durchlaufregal falsch einordnet, was den Montageprozess erheblich stört und zu Fehlern führt.

Im Modell-System der Smart Factory nahmen sich Sven Hinrichsen und einige seiner Studenten diesem Problem an und entwickelten eine RFID-unterstützte Put-to-Light-Lösung, um die Materiallogistik zu optimieren. Ihr Ziel: das System soll das Lager automatisiert über leere Behälter informieren. Im ersten Schritt legt der Werker die leeren Behälter auf einen Transportwagen, der neben dem Arbeitsplatz steht. Am vorderen Bereich des Wagens befindet sich ein RFID-Schreib-Lese-Kopf, der die Behälterinformationen ausliest und ein Signal an das Warenlager schickt. Daraufhin befüllen Mitarbeiter im Lager einen neuen Behälter mit den benötigen Komponenten. Im Unterschied zu bedruckten Behältern lässt sich mittels RFID der jeweils aktuelle Behälterinhalt auf den Datenträger schreiben. „Zudem können wir durch die schnelle Informationsübermittlung die Anzahl der benötigten Behälter und damit den Warenbestand im Betrieb reduzieren“, so Sven Hinrichsen.

Erreicht der aufgefüllte Behälter wieder den Arbeitsplatz, kommt der eigentliche Put-to-Light-Prozess zum Tragen: Das Durchlaufregal, das auf der Vorderseite mit dem Pick-to-Light-System ausgestattet ist, besitzt auf der Rückseite als Äquivalent ein Put-to-Light-System. Dabei hält der Logistik-Mitarbeiter den aufgefüllten Behälter vor einen Schreib-Lese-Kopf. Auf Basis der übermittelten RFID-Daten leuchtet am Regal die Lampe der Bahn grün auf, in die der Arbeiten den Behälter einführen muss. Anschließend quittiert der Mitarbeiter das Einfügen des Behälters in den Schacht mit einem Druck auf die entsprechende Leucht-Taster, woraufhin dieser erlischt – drückt der Werker allerdings die falsche Lampe, brennt diese rot.

Kennzahlen-Cockpit verschafft Überblick

Nachdem Studenten das Montagesystem ausgiebig getestet hatten, kam der Wunsch auf, den Fortschritt des aktuellen Montageprozesses zu visualisieren. Dies übernimmt mittlerweile ein Kennzahlen-Cockpit, das dem Mitarbeiter die Informationen in Echtzeit neben dem Arbeitsplatz anzeigt. Darüber hinaus kann es die gefertigte Losgröße, die Auftragsliste und andere Kennzahlen darstellen. Das Cockpit bezieht seine Daten direkt über OPC UA vom TX513 des Pick-to-Light-Systems. Dabei berechnet das Gateway BL67 die einzelnen Werte. „Jeder einzelne Schritt wird zurückgemeldet, so dass wir einen fortlaufenden Status haben“, erläutert Professor Hinrichsen.

Zusätzlich hilft das Kennzahlen-Cockpit in der Praxis, Problemen zu identifizieren: Schwankt beispielsweise die Dauer eines Arbeitsschritts sehr stark, so sollten die Mitarbeiter diesen Prozessschritt überprüfen, denn möglicherweise hakt ein Bauteil oder es liegt ein anderer Fehler vor. Aber auch Rückschlüsse auf die Ergonomie des Arbeitsplatzes oder das Werkzeug lassen sich ziehen.

Noch anwenderfreundlich mittels Projektor

Bildverarbeitung in manuellen Montageprozessen

Alexander Nikolenko beschäftigte sich in seiner Masterarbeit mit den Möglichkeiten der Bildverarbeitung in manuellen Montageprozessen – ein Gebiet, das bisher nicht im Fokus der Systemanbieter steht. Aktuell leistet die Bildverarbeitung vor allem einen Beitrag zur Sicherung der Produktqualität in hochautomatisierten Prozessen. „Da insbesondere manuelle Montageprozesse durch eine steigende Variantenanzahl und kleinere Losgrößen komplexer und damit fehleranfälliger werden, bieten Bildverarbeitungssysteme aber auch in diesem Anwendungskontext große Potenziale“, so Nikolenko, mittlerweile wissenschaftlicher Mitarbeiter in der SmartFactoryOWL. Er beschäftigt sich mit den Anforderungen an die Bildverarbeitung und dokumentiert den Optimierungsbedarf. Für seine Studien nutzt er die Kamera der Bauform VE von Banner.

Noch ist die Kamera kein fester Bestandteil des Pick-to-Light-Arbeitsplatzes. Doch in Zukunft soll sie dem Monteur von oben über die Schulter schauen und überprüfen, ob er die Komponenten richtig einsetzt und verbaut. Erkennt die Kamera dabei einen Fehler, gibt sie den nächsten Montageschritt nicht frei.

Von der Wissenschaft in die Wirtschaft

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Zeigt wo es lang geht und wie es geht: Das projektionsbasierte Assistenzsystem unterstützt Monteure visuell. Turck

Bezüglich Anwenderfreundlichkeit noch eine Stufe weiter ist ein projektionsbasiertes Assistenzsystem der Hochschule Ostwestfalen-Lippe, das bei seiner Premiere auf der Hannover Messe 2016 großes Interesse erregte. Das Assistenzsystem projiziert die aktuellen Arbeitsanweisungen direkt auf die Werkbank und die Bauteile, wobei die Projektion bildlich, symbolisch und in Klartext die Informationen zur korrekten Montage darstellt. Lichtkegel, Pfeile oder andere Markierungen zeigen an, welches Bauteil wie anzubauen ist. So führt das System den Mitarbeiter kontinuierlich durch den Prozess, was die Fehlerquote verringert und die Produktivität erhöht. Aufgrund des Erfolgs und der Nachfrage nach der Messe gründeten Daniel Riediger und weitere Mitstreiter aus der SmartFactoryOWL das Unternehmen Assembly Solutions.

Lichtvorhänge erfassen Griff in Werkzeugfächer

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Die Mitarbeiter der SmartFactoryOWL: Alexander Nikolenko, Prof. Sven Hinrichsen, Daniel Riediger, Geschäftsführer von Assembly Solutions (von links) Turck

In der SmartFactoryOWL umgesetzt, hat das Unternehmen sein projektionsbasiertes Assistenzsystem an einem Montagearbeitsplatz für Baugruppen eines Bündigfräs-Aggregats, einem Werkzeug für die Holzbearbeitung. Das Assistenzsystem lenkt den Monteur der Aggregate auch mit Hinweisen an den Bauteil-Fächern zum Griff in das richtige Fach. Ob der Werker richtig greift, überprüfen zwei Lichtvorhang-Paare, die vor dem Durchlaufregal mit den Bauteilbehältern horizontal und vertikal montiert sind. Die Easy Arrays von Banner bilden ein 2D-Koordinatensystem, in dem sich die Behälterpositionen und -größen leicht definieren und anpassen lassen – unabhängig vom Materialwagen, in dem die Behälter lagern.

Greift der Mitarbeiter einmal in einen falschen Behälter, registrieren die Lichtvorhänge die Position der Hand und übermitteln diese Daten an das I/O-Modul TBEN-S-2COM von Turck, welches die Informationen der Steuerung über Profinet, Ethernet/IP oder Modbus TCP sendet. Die SPS veranlasst anschließend die Projektion des Textes „Falscher Behälter“ auf die Arbeitsfläche und sorgt dafür, dass der entsprechenden Behälter leuchtet.

Die Easy Arrays tauschen ihre Daten über Modbus RTU mit dem 2COM-Modul aus, das ebenfalls über Modbus TCP mit der PC-basierten Steuerung der Applikation kommuniziert. „Die eigentliche Kommunikation läuft autark über die 2Com-Module, die wir nur über ihren Webserver konfiguriert haben“, erklärt Riediger den Aufbau. Im Unterschied zu vielen anderen I/O-Modulen hat das TBEN-S-2COM bereits einen Modbus-RTU-Client (Master) an Bord. Dadurch entfallen die Programmierung des Modbus-Clients sowie der Kauf einer zusätzlichen Modbus-Lizenz.

Hannover Messe 2018: Turck: Halle 9, Stand H55 / SmartFactoryOWL: Halle 16, Stand A04

 Intelligente Fabrik in NRW

Die SmartFactoryOWL in Lemgo unterstützt als Demonstrationsplattform für intelligente Automatisierung kleinere und mittelständische Unternehmen (KMU) auf dem Weg zur digitalisierten Produktion. Die von der Hochschule Ostwestfalen-Lippe gemeinsam mit der Fraunhofer Gesellschaft im April 2016 gegründete Modellfabrik versammelt auf ca. 2 000 m² Lösungen, die Produktionsprozesse smarter machen sollen. Ein Team aus Professoren, Beschäftigten und Studierenden will industrielle Herausforderungen und akademisches Know-how besser vernetzen, um so Produktionsprozesse durch kluge Planung und Technologie zu optimieren.

Als Partner der SmartFactoryOWL ist Turck seit 2016 mit einem Pick-to-Light-System vertreten, das Mitarbeiter und Studenten der Hochschule OWL um ein Put-to-Light-System und ein Kennzahlen-Cockpit ergänzt haben. Das Put-to-Light-System optimiert die Materialversorgung, während das Kennzahlen-Cockpit eine Orientierung für den Werker innerhalb des Montageprozesses liefert. Die Zusammenarbeit zwischen dem Automatisierungsunternehmen, der SmartFactoryOWL und Assembly Solutions ermöglichte zudem die Entwicklung eines projektionsbasierten Assistenzsystems mittels Easy-Array-Lichtvorhängen.

Für Turck bietet die Kooperation mit den Lemgoern die Gelegenheit, unter realistischen Bedingungen neue Komplettsysteme zu testen und zu zeigen, was heute im Bereich digitalisierter Produktion möglich ist. Darüber hinaus verschafft die Zusammenarbeit den Studenten, Lehrenden und Unternehmen die Möglichkeit zum Perspektivwechsel und erlaubt so den Test von ungewöhnlichen Ideen ohne Zeit- und Kostendruck. Dadurch erleben Besucher in Lemgo realistische Applikationen auf neutralem Boden ohne vertrieblichen Ansatz.

Fabian Seidel

Vertriebsingenieur Fabrikautomation bei Turck

(ml)

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