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Die Anpassungsfähigkeit von Roboteranlagen zählt in Zukunft zu den wichtigsten Herausforderungen in der automatisierten Fertigung.
Die Roboter-Stanzzelle wurde gemeinsam mit dem Automobilzulieferer Magna entwickelt und zum Patent angemeldet. Sie ersetzt auf rund 25 m<sup>2</sup> Produktionsfläche mehrere herkömmliche Stanzmaschinen.
Vergleich zweier Anlagenkonzepte für das Stanzen von PKW-Stoßfängern. In der 3D-Simulation lassen sich Flexibilität und Taktrate frühzeitig bewerten.

Die Automobilindustrie, einer der wichtigsten Märkte für die Automatisierungsbranche, befindet sich momentan in einer Phase grundlegender Veränderungen. Nicht nur die Fokussierung auf neue Antriebskonzepte wie Hybrid- oder Elektroantrieb beflügelt die Nachfrage nach neuen Fertigungsanlagen. Auch der Einsatz neuer Leichtbau-Werkstoffe wie kohlenstoffverstärkter Kunststoff (CFK) ist ohne neue Produktionstechnologien im Serienprozess nicht wirtschaftlich. Gravierende Veränderungen resultieren zudem aus den immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen sowie der stetig zunehmenden Individualisierung und damit Variantenvielfalt. Diese wiederum hat zur Folge, dass vielfach sehr kleine Losgrößen wirtschaftlich herzustellen sind. Nicht zuletzt kommt hinzu, dass die steigenden Energiekosten den Ruf nach mehr Energieeffizienz in der gesamten Prozesskette immer lauter werden lassen.

Produktion muss wandlungsfähig sein

Auf den Maschinenbau und die Robotik kommen also einige Probleme zu. Neben dem Thema Energieeffizienz wird in Zukunft die Anpassungsfähigkeit der Fertigung und seiner Anlagen erheblichen Einfluss darauf haben, ob ein Unternehmen langfristig konkurrenzfähig bleiben kann. Diese Forderung nach mehr Flexibilität betrifft alle Ebenen eines Produktionsprozesses und beginnt bei der vorausschauenden Planung der einzelnen Anlage und der kompletten Fertigungskette, die künftige Produktionsanforderungen bereits berücksichtigt.

Heute reagieren Unternehmen auf neue Produktionsanforderungen in der Regel mit immer neuen Fertigungsverfahren und -anlagen. Denn eine von vorneherein flexible, erweiterbare und anpassbare Architektur von Produktion und Anlagen ist nicht einfach zu erreichen. Ein Lösungsansatz für dieses Problem ist der konsequent modulare Aufbau sowohl einzelner Roboterzellen als auch kompletter Fertigungslinien. Dazu müssen auf der einen Seite neue Fertigungsmodule oder Anlagenteile einfach und schnell zu integrieren sein. Auf der anderen Seite sollten die eingesetzten Roboter so flexibel sein, dass sie für mehrere Aufgaben einsetzbar sind.

Mit einem streng modularen Anlagenkonzept lassen sich sowohl bei den Anlagen selbst als auch bei der Software die Zielkonflikte zwischen Wirtschaftlichkeit und Flexibilität gut lösen. Denn einer durchgängigen Kommunikationsstruktur, die für den bestmöglichen Datenaustausch im gesamten Netzwerk sorgt, kommt ebenfalls eine große Bedeutung zu. Intelligente, modular aufgebaute und vielseitig verwendbare Anlagenkomponenten mit autonomer, aber netzwerkfähiger Steuerung lassen sich mit geringem Aufwand integrieren und bei Bedarf auch an andere Standorte verlagern. Bei geeigneter Auslegung sind dann oft nur Werkzeugwechsel und Software-Anpassungen nötig. Grundvoraussetzung dafür ist die Verwendung einheitlicher, gängiger Industrie-Standards und Schnittstellen. Das betrifft nicht nur die Hardware, sondern vor allem die Steuerung und Software. So ist es möglich, einzelne Roboter-Module beliebig miteinander zu kombinieren und zu größeren, vernetzten Anlagen zu erweitern.

Die Planung und Realisierung derart flexibler Fertigungslösungen erfordert allerdings ein hohes Maß an Prozesswissen sowie einen Blick fürs Ganze, der die Anforderungen der durchgängigen Produktionskette erkennt und berücksichtigt. In diesem Zusammenhang kommt auch der prozessgetreuen Simulation von Roboterzellen und Fertigungsketten eine wichtige Bedeutung zu. Zwar ist der Einsatz von 3D-Simulationen im Rahmen der Anlagenplanung heute Standard, die Möglichkeiten der leistungsfähigen Tools werden aber selten ausgeschöpft, zum Teil auch deshalb, weil der entsprechende Aufwand vom Auftraggeber – noch – nicht honoriert wird.

3D-Simulation berücksichtigt unterschiedliche Anforderungen

Gleichzeitig wird das Zeitfenster für die Entwicklung, Erprobung und Inbetriebnahme von Anlagen vor dem Hintergrund eines immer schnelleren Wandels der Marktanforderungen immer enger. Die 3D-Simulation unterstützt aber nicht nur eine schnelle Planung, sondern macht es auch möglich, ein und dieselbe Anlage unter unterschiedlichen Produktionsanforderungen zu testen oder alternative Anlagenlösungen unter unterschiedlichen Gesichtspunkten zu bewerten.

Für eine effiziente Planung von Roboterzellen und Produktionslinien werden zunächst sämtliche Anlagen- und Prozesskomponenten in einem Modell abgebildet. Im virtuellen Betrieb verbessern die Entwickler dann schrittweise die einzelnen Bauteile und deren Wechselwirkung sowie die Materialströme und Schnittstellen bis der Produktionsablauf reibungslos, zeit- und kostenoptimiert sind. Erst dann sind bei der Verbesserung bestehender Prozesse und bei Neuinvestitionen zuverlässige Aussagen über die Machbarkeit von Projekten möglich, die für den Vergleich und die Bewertung verschiedener Lösungsansätze unverzichtbar sind.

Ohne teure und zeitintensive Hardwareaufbauten lassen sich so auch komplexe Anlagenlayouts entwickeln, Konzeptfehler vermeiden und Schwachstellen wie Kollisionen oder Engpässe schon frühzeitig aufdecken. Das sorgt für einen störungsfreien Serienanlauf und die Investitionssicherheit erhöht sich. Zudem ebnet die Simulation den Weg zu präzisen Taktzeituntersuchungen und -abschätzungen, zu einer zuverlässigen Kapazitätsplanung und zur hohen Anlagenauslastung.

Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine

Nicht zuletzt macht die 3D-Simulation auch die Kooperation Mensch-Roboter sichtbar und erleichtert die Auslegung eines ganzheitlichen Mensch-Roboter-Arbeitsplatzes einschließlich der Gestaltung der Arbeitsabläufe und Überwachungssysteme. Schon die letzten Jahre haben gezeigt, dass es nicht immer zielführend ist, den Automatisierungsgrad stetig weiter zu erhöhen. Bei einigen Fertigungsprozessen, insbesondere in der Montage, ist es sinnvoller, die jeweiligen Stärken von Mensch und Maschine zu nutzen. Haben Roboter ihre Stärken in der schnellen und präzisen Wiederholung von Tätigkeiten, verfügen Menschen über kognitive Fähigkeiten und können sich einfacher auf unterschiedliche Situationen einstellen.

Die Arbeitsräume des Menschen und des Roboters sind aber bisher aus Sicherheitsgründen strikt getrennt. In einer wandlungsfähigen Produktion der Zukunft aber muss es ein sinnvolles Miteinander von Mensch und Roboter geben, um schnell und flexibel auf Änderungen in der Produktion reagieren zu können. Die Kooperation Mensch-Roboter ermöglicht zudem eine gleitende Automatisierung, zum Beispiel bei kleinen Losgrößen oder bei komplexen Prozessen.

Dieses Miteinander aber birgt Probleme und die Überlappung der jeweiligen Arbeitsräume macht effiziente Sicherheitskonzepte nötig. Moderne Sicherheitssteuerungen mit der dazugehörigen Software ersetzen die Absicherung durch mechanische Komponenten, vermeiden die Kollision zwischen Mensch und Roboter oder anderen Anlagenteilen und ermöglichen ein situatives Anpassen der Roboterreaktionen. Statt einem Roboterstopp, zum Beispiel wenn eine Person in den Arbeitsbereich des Roboters gerät, reagiert der Roboter intelligenter auf die Störung. Er setzt die Bewegung mit verringerter Geschwindigkeit fort oder er weicht aus. Man kann sicher sein, dass die Roboterhersteller hier mit interessanten neuen Entwicklungen aufwarten werden.