Auch wenn die Automobilindustrie bereits kundenindividuelle Varianten in einer Serienfertigung zeigt, bedeutet dies doch erheblichen Aufwand und existiert nur für bekannte Varianten. In einer High-Mix-Low-Volume-Produktion wiederum sind viele verschiedene Produkte im Sortiment, die unterschiedliche Produktionslinien erfordern und nur in geringen Stückzahlen verkauft werden. Sie müssen regelmäßig in kleinen Losgrößen produziert werden, um keine großen Lager notwendig zu machen. Das heißt, auf derselben Fläche im Anlagenpark müssen alle Produkte abwechselnd beziehungsweise rotierend hergestellt werden. Die Umsetzung der High-Mix-Low-Volume-Produktion verlangt ein häufiges Umrüsten und Umkonfigurieren von Produktionslinien, um die Auslastung des Produktionsequipments auf einem hohen Niveau zu halten. Ein Beispiel für kleine Stückzahlen sind zum Beispiel Vorserien. Solche Kleinstserien sind bisher häufig nicht automatisiert, sondern mit manuellen Montageabläufen realisiert.

Verhältnis von Losgröße zu Automatisierungsgrad. © Fraunhofer IPK

Die Automatisierung der Serienproduktion hingegen ist etabliert und wird kontinuierlich verbessert. Um am Standort Deutschland und in Europa aber weiterhin wirtschaftlich die Produktion und Wertschöpfung zu erhalten, ist auch die automatisierte Produktion von Kleinserien unerlässlich.

Gleiches Equipment nutzen

Um Kleinserien wirtschaftlich in einer automatisierten Produktionslinie fertigen zu können, ist es notwendig, möglichst viel des eingesetzten Equipments für alle zu fertigenden Produkte nutzen zu können. Zudem gilt es, alle nicht produktiven Nebenzeiten, insbesondere Umrüst- und Einfahrzeiten, zu minimieren.

Hierfür wurde am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK ein Standardisierungskonzept sowohl für die Hardware als auch für die Steuerungssoftware entwickelt. Begleitet wird dies von einer durchgängigen digitalen Prozesskette, um Parameteränderungen der Produkte und Fertigungsprozesse direkt in die Anlagen übertragen zu können.

Prototyp einer Montagezelle mit wechselbarem Werkzeug und Vorrichtung am Beispiel einer Schraubanwendung. Unten rechts ist der weiße Anschlag für die Wechselvorrichtung zu erkennen. Die Schraubenaufnahme- und Einschraubpositionen werden aus dem CAD-Modell der Zelle direkt an die Zelle gesendet. © Fraunhofer IPK

Das Konzept basiert auf Produktionszellen gleicher Größe mit dem Fokus auf Montagevorgänge. Daher ist zentral ein Handhabungsroboter installiert. Die Verkettung der Zellen zu einer Linie erfolgt über ein Werkstückträgertransportsystem, die Bauteilversorgung über einheitliche Zuführsysteme. In ihnen liegen die Bauteile magaziniert vor, die entweder bereits vereinzelt sind, oder während der Zuführung vereinzelt werden, und können so vom Roboter gegriffen werden. Die Montage erfolgt in produktabhängigen Vorrichtungen, die beim Umrüsten über ein standardisiertes Wechselsystem leicht und wiederholbar ausgetauscht werden können. Ebenso standardisiert sind die Roboterwerkzeuge und Bauteilmagazine. Sollten spezialisierte Prozessschritte wie Pressen, Kleben oder Schweißen notwendig sein, sind hierfür Erweiterungsplätze für Submodule in der Zelle vorgesehen, um das notwendige Equipment dort bei Bedarf einzusetzen.

Sind die Zellen und die daraus resultierende Linie zusammengesetzt, muss nur noch der Prozessablauf zugewiesen werden. Analog zu den modularisierten Hardwarekomponenten werden Softwaremodule definiert, die dem Steuerungssystem die Fähigkeiten der Hardware anbieten. Da damit sowohl die Hardware- als auch die Softwaremodule wiederverwendbar sind, ist das gesamte Prozesswissen in den Parametern enthalten. Diese Parameter werden aus den Planungs- und Entwicklungswerkzeugen extrahiert (zum Beispiel PMI im CAD-System), für jeden Prozessschritt zusammengestellt und als Konfiguration an die Zelle übergeben. Hierbei kann die Extraktion größtenteils automatisch erfolgen, sobald die relevanten Prozessparameter ausgezeichnet sind.

Die Zusammenstellung der Parameter für einen Prozessschritt und eine Zelle ist einmalig beim Design des Produktionsablaufs notwendig. Hier kann auf etablierte Standards wie die Verwaltungsschale (AAS) zurückgegriffen werden. Die Übertragung der Konfiguration erfolgt wieder vollautomatisch. Freigabe- und Freifahrprozesse lassen sich problemlos in den Ablauf integrieren.

Das Parameterkonzept

Zur Vereinfachung der Inbetriebnahme neuer Prozesse, insbesondere für Produktvarianten, werden die notwendigen Parameter zunächst in drei Kategorien aufgeteilt:

Prototyp von zwei Montagezellen mit gleicher Werkzeugaufnahme am Roboter und gleicher Vorrichtungsaufnahme. © Fraunhofer IPK

• Prozess- und Ablaufparameter, zum Beispiel Drehmomentkurve eines Schraubprozesses
• Bauteilparameter, zum Beispiel Schraubenlänge
• Stations- und hardwareabhängige Parameter, zum Beispiel Position der Schraubenzuführung

Die Programmierung und die endgültigen Werte für beispielsweise Roboterpositionen, Greiferöffnungen oder Zuführungsoperationen ergeben sich aus der Kombination der oberen drei Kategorien. Auf den beteiligten Steuerungen der Einzelgeräte befinden sich dabei nur Basisprogramme, die einen minimalen, parametrierbaren Funktionssatz abbilden. Der Aufruf einer konkreten Ausprägung dieser Basisprogramme erfolgt von der Zellensteuerung mit dem gegebenen Parametersatz entsprechend dem konfigurierten Prozessablauf.

Prozess- und Ablaufparameter

Als Beispiel für ein Basisprogramm sei hier eine einfache Pick-and-Place-Aufgabe dargestellt:

• Vorposition anfahren
• Zur Greifposition über oder an das Bauteil anfahren
• Greifen: Greifer schließend ansteuern
• Mit Bauteil in freien Raum fahren
• Transfer zur Ablageposition, gegebenenfalls über Stützpunkte, um Kollisionen in der Zelle zu vermeiden, bis zu einer Vorposition zum Ablegen
• Auf Ablageposition fahren
• Loslassen: Greifer öffnend ansteuern
• Rückzug in Freiraum

Dieser Ablauf besteht aus zwei sehr ähnlichen Teilen, die sich nur in der Ansteuerung des Greifers und den Positionen, die der Roboter anfahren muss, unterscheiden. Zwischen diesen beiden Basisaufgaben ist ein kollisionsfreier Transfer notwendig, der mit entsprechenden Modellen der Zelle und Bauteile automatisch berechnet werden kann. So entspricht dies dem Ablauf:

• A (Greifen an Aufnahmeposition)
• B (Transfer zwischen Aufnahme- und Ablageposition)
• A (Loslassen an Ablageposition)

Die Ausgestaltung von Basisprogramm A inklusive Interpolationsart und Greiferansteuerung wird in der Robotersteuerung als parametrierbares Basisprogramm abgelegt. Allerdings werden anstelle der tatsächlichen Koordinaten die Parameter verwendet. Für jeden Basisprozess werden die Bewegungen in einem eigenen Unterprogramm definiert. Die Basisprogramme werden wie Funktionen aus der übergeordneten Steuerung aufgerufen.

Stations- und hardwareabhängige Parameter

Die nun definierten Basisprogramme für Handhabungsoperationen erwarten im nächsten Schritt konkrete Koordinaten für die Positionierung und Orientierung des Roboters. Diese Koordinaten können zwar aus den Konstruktionsdaten der Montagezelle abgeleitet werden. Allerdings treten zum Teil deutliche Abweichungen zwischen CAD-Daten und physischem Aufbau auf. Um diese Abweichungen in Folge von Fertigungs- und Montagetoleranzen während des Aufbaus oder Umstellens der Zelle zu kompensieren, werden Referenzpunkte mit dem Roboter eingemessen und Korrekturwerte für die erzeugten Parameter ermittelt. Damit lässt sich ein Prozess auf unterschiedlichen Stationen ausführen und wiederverwenden.

Bauteilparameter

Eine weitere Vereinfachung und Erhöhung der Wiederverwendbarkeit von Hard- und Software basiert auf Parametern für die zu handhabenden Objekte. Daraus lassen sich Anpassungen an Koordinaten oder Greiferaktionen ableiten, die dann nicht mehr explizit eingelernt werden müssen. So lässt sich etwa die Handhabung zylinderförmiger Bauteile (zum Beispiel Kugellager) mit einem 2-Finger-Parallelgreifer in sehr vielen Fällen auf Durchmesser und Höhe reduzieren. Zusammen mit Prozessparametern zum Typ und Ablauf der Tätigkeiten und den Koordinaten für die Aufnahme- und Ablagepunkte in den Stationen sind überaus zügige Anpassungen, Übertragungen und Vervielfältigungen von Montageaufgaben möglich.

Zentralisierte Datenhaltung

Durch die Aufteilung der Programme in Programmlogik und Parameter lassen sich beide separat voneinander pflegen, verwalten und speichern. Üblicherweise treten Änderungen in der Programmlogik seltener auf als in den Parametern. Insbesondere Parameter können so an einer zentralen Stelle gespeichert werden. Sind Änderungen notwendig, etwa um Prozessverbesserungen einzubringen, wird die neue Version in die zentrale Datenhaltung eingespielt und durch einen unternehmensspezifisch zu definierenden Freigabeprozess für die Produktion freigegeben. Erst nach erfolgter Freigabe steht der aktualisierte Parametersatz der Anlage zur Verfügung.

Betrieb und Nutzung

Das vorgestellte Konzept der standardisierten Produktionszellen kombiniert mit prozessspezifischen Parametersätzen ermöglicht ein schnelles Umrüsten von Fertigungslinien zwischen verschiedenen Produkten und Baureihen. Hierzu ist eine hinreichende Ähnlichkeit zwischen den Baureihen notwendig. Unter Ähnlichkeit ist dabei folgendes zu verstehen:

Der Autor: Axel Vick ist wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin. © Fraunhofer IPK

• Gewicht und Größe sollten ähnlich sein, damit die gleichen Produktionszellen genutzt werden können.
• Anforderungen an Qualität und Genauigkeit sollten ähnlich sein, da die höchsten Anforderungen durch alle Zellen erfüllt sein müssen und damit die Kosten mitbestimmen.
• Die Prozessschritte sollten verwandt sein: Auch wenn ein Austauschen der Produktionszellen in der Linie möglich ist, so ist dies besonders aufwendig. Es sollten daher ähnlich viele Produktionszellen der gleichen Klasse eingesetzt werden.

Für die Inbetriebnahme eines neuen Produktes sind nur noch die produktspezifischen Teile herzustellen, wie Vorrichtungen, Greifer und Bauteilzuführungen. Diese werden über standardisierte Schnittstellen in den Produktionszellen eingesetzt. Die Entwicklung der Prozesse und insbesondere der Prozessparameter ist ähnlich dem bisherigen Vorgehen.

Den Automatisierungsgrad erhöhen

Der Autor: Moritz Chemnitz ist Senior Engineer beim Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin. © Fraunhofer IPK

Das vorgestellte Konzept flexibler Produktionszellen befähigt Unternehmen, auch kleine Losgrößen wiederkehrender Produkte auf automatisierten Produktionslinien herzustellen. Die vergleichsweise kleinen Produktionszellen lassen sich auch in eine manuelle Linie einbringen und können so schrittweise den Automatisierungsgrad erhöhen. Das Konzept schließt die Lücke zwischen manueller Fertigung von einzelnen individuellen Produkten und der hochoptimierten Serienproduktion von Massenprodukten. Es soll einen Beitrag leisten, die Wertschöpfung im Hochlohnland Deutschland zu halten, indem einfache Tätigkeiten von automatisierten Produktionszellen übernommen werden. Einrichtung und Programmierung der Zellen können durch Standardisierung schneller erfolgen und so die Personalkosten für Experten reduzieren. Darüber hinaus erlaubt das modulare Konzept der flexiblen Fertigung eine nahtlose Verschiebung von Produktionsschritten zwischen manueller und automatisierter Ausführung. (ik)