Die Grundidee einer adaptiven Produktion ist die selbstständige Organisation von Fügefolgen, Prozessen, Materialfluss und Logistik innerhalb eines hoch individualisierten Produktionsablaufes. Das 'intelligente' Produkt definiert dabei:

■ was produziert werden soll (Produkt),
■ wie produziert werden soll (Pro­zesse),
■ wo produziert werden soll (Sequenzen) und
■ welche Einzelteile dazu benötigt werden (Logistik).

All dies ist in der Praxis aber nur dann umsetzbar, wenn die klassische, feste Zuordnung von Anlagenteilen zu einzelnen Produktionsschritten und der fixe Materialfluss durch die Produktionsli­nien aufgebrochen und durch neue Fertigungskonzepte ersetzt wird. Mit anderen Worten: Die Fabrik der Zukunft verfügt über 'intelligente' Betriebsmittel, die in Kommunikation mit dem Produkt dessen Herstellungsprozess mit all seinen Aspekten selbstständig umsetzen. Als eine 'Black Box' benötigt eine solche selbstorganisierende Fabrik im Idealfall:

■ keine Planung von außen (selbstorganisierend),
■ keine Konfiguration von außen (selbst-konfigurierend),
■ keine Logistik-Planung von außen (selbst-versorgend)
■ sowie keine Instandhaltung von außen (selbst-heilend).

Da bei Industrie 4.0 das zu fertigende Produkt nur sehr grob bezüglich seiner Einzelteile, seiner Fügefolgen und Fügeprozesse definiert werden soll, gelten hohe Anforderungen an die Adaptionsfähigkeit der Betriebsmittel. Das flexibelste Betriebsmittel ist und bleibt der Industrie-Roboter – allerdings wird er zukünftig neue und weit über den bisherigen Gebrauch hinausgehende Funktionen und Aufgaben übernehmen. Das heißt:

■ Roboter realisieren den flexiblen Materialfluss innerhalb des Produktionsprozesses.
■ Roboter verfügen über adaptive Greifer-Technik in Verbindung mit Vision-Systemen.
■ Roboter ersetzen stationäre Ablagen- und Werkzeug-Technik.
■ Roboter stellen Fügeprozesse variabel und ortsflexibel zur Verfügung.
■ Roboter organisieren mobil die Teilezuführung innerhalb der Intralogistik.

Adaptiver Produktionsfluss durch kooperierende Roboter

Adaptive Produktionskonzepte basieren auf einem flexiblen Produktionsfluss, da das intelligente Produkt seine Produktionssequenzen und die notwendigen Fügefolgen selbstständig definiert. Statischer Materialfluss und feste Fügefolgen, die zentral gesteuert werden, gehören somit der Vergangenheit an. Stattdessen wird der Weg des Produktes zu seiner Entstehung durch das Produkt indivi­duell geplant und an mobile Transport-Roboter übermittelt.

Adaptive Bearbeitung im Greifer: Zwei kooperierende Handlings-Roboter positionieren die zu fügenden Teile (gelber Greifer) während zwei Prozess-Roboter in kooperierender Bewegung die Teile verbinden (Punktschweißen).

© Kuka

Da der Weg durch die einzelnen Produktionsschritte vorab nicht planbar ist, können die klassischen Spurführungstechniken nicht mehr zum Einsatz kommen. Die Gründe hierfür sind: Eine induktive, passiv-induktive oder optische Spurführung, die bei heutigen FTS-Systemen üblich ist, definiert den Weg vom Start- zum Zielpunkt zwar eindeutig, jedoch ohne vom Fahrzeug nutzbare Freiheitsgrade. Hindernisse sorgen zudem für einen Stillstand und alternative Routen können nicht geplant werden.

Ergo sind künftig autonome Naviga­tionssysteme gefragt, mittels derer die Transport-Roboter der adaptiven Produktion selbstständig und ohne äußere Vorgaben den Weg vom aktuellen Standort zur nächsten Produktionseinheit finden – und zwar unter Berücksichtigung aller während der Fahrt auftretenden Situationen und Ereignisse. Das garantiert kurze Wege, Hindernisse werden erkannt und alternative Routen eigenständig geplant. Ein Flottenmanagement sorgt dabei für eine optimale Auslastung der Roboter und ermittelt für den  Transportauftrag den jeweils „günstigsten“ Roboter unter Berücksichtigung beispielsweise der Größe und des Gewichtes des Bauteils sowie der Anfahrwege.

Innerhalb einer Produktionseinheit übernehmen wiederum Transport-Roboter den individuellen Bauteil-Transport, der sich dynamisch der aktuellen Systemkonfiguration anpasst. Dabei lassen sich viele Fügeprozesse während der Bewegung kooperierend durchführen. Dies kann zu einer signifikanten zeitlichen Verkürzung der Fügesequenzen führen, da die reinen und damit nicht-wertschöpfenden Transport- und Wartezeiten nahezu entfallen. Durch das individuelle Handling des Bauteils und der optimalen Präsentation zum Prozess können darüber hinaus in vielen Fällen Reichweiten- und Zugänglichkeitsprobleme der Füge-Roboter intelligent ausgeglichen werden.

Die Greifer und Spannsysteme von morgen

Da Größe, Form und Gewicht der Teile, aus denen ein Produkt entstehen soll, in einer adaptiven Fabrik vorab nur sehr grob definierbar sind, benötigen Roboter eine adaptive Greifer-Technik. Das heißt: Wurde bei flexiblen Lösungen bisher oft auf bauteilspezifische Wechselgreifer zurückgegriffen, so muss sich in Zukunft die Greifer-Geometrie automatisch dem zu bewegenden Bauteil anpassen. Hierzu muss es möglich sein, Abstand und Lage der Spannstellen bauteilspezifisch einzustellen, sodass statt einer Vielzahl von Greifern ein einziger Greifer eine Vielzahl von unterschiedlichen Komponenten  aufnehmen kann.

Beim vertikalen Bauteil-Transport in eine höhere Produktionsebene könnten extrem flexible Schwerstlast-Roboter mit großen vertikalen Reichweiten die bisher eingesetzten unflexiblen Liftsysteme ersetzen.

© Kuka

Dieser Ansatz senkt nicht nur deutlich die Investitionskosten, sondern reduziert auch die benötigte Produktions­fläche, da keine Wechselgreifer mehr abgelegt werden müssen. Vision-Systeme unterstützen den Roboter schließlich bei der Identifizierung (um welches Bauteil handelt es sich) und der räumlichen Lokalisierung (wo liegt das Bauteil).

Informationen über die Bauteilgeometrie, die zulässigen Greifpunkte, den genauen Einbauort des Anbauteils und die Positionierung des Teils am entstehenden Produkt übergibt das Produkt selbst an die Handlings-Roboter.

Der eigentliche Fügeprozess erfolgt bisher fast immer in stationären Ablagen und Werkzeugen. Diese sind bezüglich ihrer Geometrie, den Bauteil-Auflagen und der Spanntechnik aus Kosten- und Komplexitätsgründen in der Regel nur für ein spezifisches Bauteil konstruiert und daher für eine adaptive Produktion wenig geeignet – denn hier müssen Ablagen und Werkzeuge sich einer Vielzahl unterschiedlichster Bauteile dynamisch anpassen können. In diesem Umfeld können roboterisierte Positioniereinheiten die geforderte Flexibilität garantieren.

Bei diesen Positioniereinheiten handelt es sich um kleine, drei- bis sechsachsige Roboter mit integrierter Spanntechnik. Im Sinne von „ortsflexiblen Spannern“ können Gruppen von Positionierern nahezu jede Werkzeugform dynamisch realisieren und eine große Vielfalt von geometrisch unterschiedlichen Bauteilen aufnehmen. Ähnlich wie beim adaptiven Greifer passen sich die einzelnen Positionierer der Form des Bauteils an und spannen Anbauteile für den folgenden Fügeprozess. Die Geometrie des Bauteils und die Lage der zulässigen Spannstellen wird wiederum vom intelligenten Bauteil an die Positionierergruppe übergeben.

Die vorab beschriebene adaptive Greifer-Technik lässt sich neben dem reinen Handling von Bauteilen auch dazu verwenden, Prozesse nicht im stationären Werkzeug sondern direkt im Greifer zu applizieren. Die enge Kooperation des Handlings-Roboters mit mehreren Füge-Robotern garantiert dabei eine prozessoptimale Positionierung des Bauteils. Durch diese intelligente Kooperation der Robotergruppen im Fügeprozess sind mehrere Prozessschritte in einer einzigen Fügesequenz realisierbar. Der Effekt: Nicht wertschöpfende Transportzeiten werden vermieden, zusätzliche Werkzeuge bei beidseitiger Bearbeitung werden überflüssig und die benötigte Produktionsfläche reduziert sich deutlich.

Sollten Form oder Gewicht des Bauteils die Fähigkeiten eines einzelnen Roboters übersteigen, so beauftragt das intelligente Bauteil eine Gruppe von Robotern mit dem Transport. Mit einer solchen Transport-Gruppe sind zudem Reichweiten- und Zugänglichkeitsprobleme der Füge-Roboter durch individuelle Positionierung des Bauteils kompensierbar. Nicht zuletzt erlaubt die kooperierende Gruppe den Einsatz von Robotern im Standard-Traglastbereich und macht somit die Investition in Schwerstlast-Roboter in vielen Fällen überflüssig.

Die mobilen Produktions­einheiten

Adaptive Produktionskonzepte basieren auf einer flexiblen Prozesstechnik, die sich dynamisch den benötigten Füge­sequenzen anpasst. Da der individuelle Produktionsfluss des Bauteils entlang des Entstehungsprozesses durch das Produkt selbst definiert wird, müssen benötigte Fügeprozesse zur richtigen Zeit am richtigen Ort zur Verfügung stehen. Während Standard-Fügeprozesse, die für die meisten Produkte nötig sind, von jeder Produktionseinheit angeboten werden, lassen sich Nischen-Prozesse in parallel ausgelagerten, speziellen Produktionseinheiten zur Verfügung stellen. Diese Vorgehensweise verlängert jedoch den Entstehungsfluss des Produktes zum Teil erheblich, da 'Umwege' zu diesen Sonderstationen in Kauf genommen werden müssen. Deshalb sollten in Zukunft alle Prozesse mobil und flexibel an allen Produktionseinheiten zur Verfügung gestellt werden können.

Beispiel für einen Prozess-Roboter mit einer Traglast von 120 kg und einer Reichweite von 2700 mm auf einer autonom navigierenden Plattform. Die Batteriekapazität erlaubt einen autonomen Betrieb von etwa acht Stunden.

© Kuka

Das intelligente Bauteil übermittelt in einem derartigen Szenario Informationen über die benötigten Prozesse, die Fügefolgen, den Produktionsort und die Produktionszeit an die Produktionseinheiten. Diese überprüfen, ob die benötigten Prozesse zur Verfügung stehen. Sollte dies nicht der Fall sein, beauftragt die Produktionseinheit selbstständig mobile Prozess-Roboter, die zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort die erforderlichen Prozesse umsetzen können. Die mobilen Roboter fahren daraufhin zum angegebenen Ort, integrieren sich selbstständig in die Robotergruppe der Produktionseinheit und nehmen die geforderten Fügeprozesse vor. Die hierfür benötigten Medien – etwa Stromversorgung, Druckluft oder Kühlwasser – werden vor Ort zur Verfügung gestellt und automatisch an die mobilen Prozess-Roboter angedockt.

Sollte innerhalb der Produktionsplanung die Möglichkeit bestehen, statt Losgröße 1 größere Chargen eines Produktes mit gleicher Fügefolge und gleichen Prozessen zu produzieren, könnte man sogar auf statische Produktionseinheiten verzichten. Mit anderen Worten: Stationäre Prozess- und Logistik-Roboter werden komplett durch mobile Roboter ersetzt. Entsprechend der einzelnen Folgen im Entstehungsprozess der Produkt-Charge gruppieren sich stattdessen mobile Prozess- und Logistik-Roboter spontan und selbstständig zu individuellen Bearbeitungszentren. Prozessausrüstung und Prozessmaterial können vorher dynamisch und entsprechend der Anforderungen des Produktes gewechselt und ausgetauscht werden.

Diese Selbst-Organisation von Robotergruppen wird auf der Makro-Ebene durch das intelligente Produkt selbst angestoßen. Sie bildet den Materialfluss, die Fügesequenzen und die logistischen Anforderungen des Entstehungsprozesses ab. Damit ist das 'Was ist das Ziel?' inhaltlich eindeutig definiert. Die Aufgabe der roboter-basierten Produktionseinheiten ist es dann, das 'Wie erreichen wir das Ziel?' selbstständig organisatorisch umzusetzen. Auf der Micro-Ebene der Produktionseinheit können in diesem Zuge neue Methoden der Selbst-Organisation von Robotergruppen zum Einsatz kommen, die auf 'biologisch inspirierten' Konzepten beruhen. So könnten auf dieser Ebene beispielsweise Ergebnisse aus den Untersuchungen zum 'Schwarmverhalten' und der kollektiven Zusammenarbeit zum Beispiel von Termiten einfließen. Letztere sind in der Lage, im Kollektiv große Bauten herzustellen, die die Möglichkeiten eines einzelnen Individuums bei weitem übersteigen. Ohne eine „zentrale Organisationseinheit“ folgen die einzelnen Individuen einem „gemeinsamen Plan“ und arbeiten daraufhin produktiv zusammen. Das Indivi­duum scheint dabei über kein Wissen des Gesamtkonzeptes zu verfügen. Wie Forschungen an der Havard Universität in USA zeigen, ließen sich solche Organisationsstrukturen in Zukunft durchaus auch auf Robotergruppen anwenden.

Die selbstorganisierende Robotergruppe der Zukunft benötigt am Ende keine Programmierung oder Konfiguration mehr. Auf den Punkt gebracht: Angestoßen durch das intelligente Produkt, organisieren sich die Roboter selbstständig und flexibel zu einer Gruppe, tauschen automatisch benötigte Informationen untereinander und mit der Prozess-Peripherie aus und setzen dann den benötigten Produktionsschritt um.

In der kommenden Ausgabe der Computer&AUTOMATION beschreibt der Autor unter anderem, welche neue Art der 'Sensitivität' von Robotern im Kontext von Industrie 4.0 gefordert sein wird, oder wie sich die In­tralogistik verändert. Schlussendlich geht er der Frage nach, welche Aspekte beziehungsweise Hindernisse einer konkreten Einführung von Industrie 4.0 in der Praxis derzeit noch im Wege stehen.

Autor: Peter Klüger ist bei Kuka Roboter für die strategische Produktentwicklung im Bereich Automobil-Industrie verantwortlich.