Die Intra-Logistik der Zukunft setzt auf mobile Logistik-Roboter und intelligente Handlings-Roboter.

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Ergo stoßen starre logistische Flüsse an ihre Grenzen, da der Weg des einzelnen Produktes durch seinen Herstellungsprozess nicht mehr übergeordnet geplant werden kann. Hinzu kommt, dass Logistik- und Produktionsfläche räumlich strikt getrennt sind und Anbauteile in einer Produktion mit Losgröße 1 nicht immer am gleichen Produktionsort benötigt werden. Nicht zuletzt bieten extrem kompakte Produktionsanlagen nur kleine logistische Flächen zum Lagern einer Vielfalt von Anbauteilen neben einer Produktionseinheit. Die Konsequenz ist, dass die Intra-Logistik der Zukunft auf mobile Logistik-Roboter und intelligente Handlings-Roboter setzt.

Wie in der Mai-Ausgabe bereits beschrieben, können induktive, passiv-induktive oder optische Spurführungen, wie sie bei heutigen FTS-Systemen zum Einsatz kommen, den Vorgaben einer adaptiven Intra-Logistik nicht gerecht werden. Aus diesem Grund verfügen die Logistik-Roboter der Zukunft über eine autonome Navigation und ein übergeordnetes Flotten-Management. Basierend auf einem „Hallenplan“ finden sie selbstständig die kürzeste Route vom Ausgangspunkt in der Logistikfläche zum Ziel in der Produktion. Der Logistik-Roboter – im ersten Schritt eine intelligente Zugmaschine – nimmt die in der Logistikfläche „just in sequence“ vorsortierten Bauteile auf und transportiert sie „just in time“ zum Verbauungsort. Die Bestückung der Bauteilbehälter übernehmen wiederum intelligente Handlings-Roboter.

Die Programmierung mittels „Vormachen“ vereinfacht die komplexen Fügestrategien, indem der Mensch dem Roboter den Fügeprozess zeigt und kann sie danach selbstständig durchführen.

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Am Verbauungsort erledigen dann in einem ersten Schritt vision-gestützte Handlings-Roboter der Produktionseinheit den Transport aus den Behältern in die Produktion. Mit Hilfe eines Kamerasystems kann der Roboter die Anbauteile identifizieren (ist es das richtige Bauteil?) und lokalisieren (wo und wie liegt das Bauteil im Raum?). Mittels zusätzlicher Bauteilinformationen kann der Handlings-Roboter seinen Greifer entsprechen adaptieren, das Bauteil greifen und der Produktion zuführen. In einem nächsten Schritt sind innerhalb der Produktionseinheit keine speziellen Handlings-Roboter mehr nötig, da diese auf der mobilen Logistik-Plattform mit integriert sein werden und sowohl die Beladung in der Logistikfläche als auch die Entladung in der Produktion übernehmen.

Sollte im Herstellungsprozess ein Produktionsschritt – das heißt eine vorab eingeplante Produktionseinheit – ausfallen, kann das Produkt selbstständig einen Ersatz für diese Einheit suchen und einplanen. Zentrale Fehler- und Ausfallstrategien sind daher überflüssig. Die extrem hohe Fehlertoleranz solcher Systeme steht und fällt jedoch mit der Fähigkeit der Intra-Logistik, sehr schnell und flexibel auf geänderte logistische Anforderungen zu reagieren.

Denn eine Neuplanung des Entstehungsflusses bedingt auch sofort eine Neuplanung des Logistikflusses. Schon heute sind große Bereiche dieser adaptiven Intra-Logistik in der Produktion umsetzbar. So sind beispielsweise bereits intelligente Zugmaschinen mit integrierter, autonomer Navigation verfügbar. Die größte Herausforderung liegt jedoch in der Geschwindigkeit, in der ein benötigtes Anbauteil zum Verbauungsort gebracht werden kann. Wurde der Logistik-Fluss bislang zentral geplant, muss er in Zukunft individuell und bedarfsgesteuert durch das Produkt definiert werden. Hier fehlen jedoch noch die benötigten, steuernden Logistik-Funktionen des intelligenten Bauteils zum direkten Zugriff auf die Logistik.

Die Zäune fallen

Auch in Zukunft wird es komplette Fertigungsschritte oder aber Teilschritte im Entstehungsprozess eines Produktes geben, die aufgrund ihrer Komplexität oder aufgrund der Automatisierungskosten nur ausschließlich oder teilweise von einem Werker ausgeführt werden können. Damit ergeben sich einerseits die Konzepte des „sicheren Miteinanders“, bei denen Werker und Roboter zusammen an einem Produktionsschritt arbeiten, und andererseits die Konzepte des „sicheren Nebeneinanders“, bei denen Werker und Roboter eigenständige Produktionsschritte ausführen. In beiden Fällen sind Werker und Roboter jedoch nicht mehr durch einen Schutzzaun getrennt.

Beim „sicheren Miteinander“ übernimmt der Roboter im Automatik-Betrieb selbstständig Teilaufgaben innerhalb der Produktionssequenz und dient dem Menschen als Produktionsassistent.

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Beim „sicheren Miteinander“ übernimmt der Roboter im Automatik-Betrieb selbstständig Teilaufgaben innerhalb der Produktionssequenz und dient dem Menschen als „intelligenter Manipulator“, der schwere oder großflächige Teile trägt und vom Werker direkt geführt werden kann. Zusätzlich wird der demografische Wandel dazu führen, dass die Arbeitsbedingungen und die Personalentwicklung nicht mehr mehrheitlich auf die jüngeren vollzeitarbeitenden Mitarbeiter abgestimmt werden. Dadurch wird die so genannte „Assistenz-Robotik“ auch im Umfeld von Industrie 4.0 eine wichtige Rolle spielen, da sie den längeren Verbleib der Mitarbeiter in der Produktion ermöglicht. Da diese Art der Kooperation ebenso adaptiv über die gesamte Produktion verteilt sein kann, sollten alle Roboter prinzipiell zur Kooperation fähig sein.

Durch die intelligente und vor allem sichere Kooperation ist ein sehr hoher Grad von adaptiver Flexibilität erreichbar, da der Werker – zumindest heute noch – sich wesentlich schneller auf neue Aufgabenstellungen einstellen kann als der Roboter. Aufgrund der sicheren Funktionen neuer Industrieroboter-Generationen kann bereits heute in einigen Fällen auf Schutzzäune verzichtet werden.

Auf den Punkt gebracht: Adaptive Konzepte basieren auch weiterhin auf der Integration des Menschen in die Produktion. Nichtsdestotrotz eröffnet die Kooperation zwischen Mensch und Maschine langfristig gesehen die Möglichkeit, einen schleichenden Prozess zur Vollautomatisierung in Gang zu setzen. Durch die konsequente Zusammenarbeit mit dem Menschen kann der Roboter „lernen“, viele Aufgaben nach und nach auch ohne Hilfe des Menschen selbstständig auszuführen.

Was stoppt die Show?

Nach soviel Theorie stellt sich zwangsläufig die Frage, in welchem Zeitraum eine Produktion nach den Konzepten von Industrie 4.0 in der Praxis umsetzbar ist? Wie geschildert, sind diverse Basisfunktionen in der modernen Robotik durchaus schon vorhanden. So ist eine freie und selbstständige Kooperation von Robotern untereinander in den Grundzügen bereits realisierbar. Auch für das sichere Neben- und Miteinander von Mensch und Maschine sind die normativen Grundlagen geschaffen. Schließlich werden die Einsatzfelder für sehende Roboter mit Unterstützung von Vision-Systemen immer größer und auch „fühlende“ Roboter wie zum Beispiel der LBR iiwa von Kuka finden sich bereits in der Produktion. Last but not least wurden im Bereich der mobilen Robotik und der autonomen Navigation in letzter Zeit große Fortschritte erzielt, wobei gerade in diesem Bereich jedoch noch auf eine hocheffiziente und vor allem platzsparende Batterie-Technik gewartet werden muss.

Zumindest funktional könnte also im Umfeld der Industrie-Robotik in Ansätzen mit einer Umsetzung der neuen Konzepte zeitnah begonnen werden. Vor einer voreiligen Euphorie sei jedoch gewarnt: Noch gibt es einige „Show-Stopper“, die der Einführung von Industrie 4.0 in der Produktion derzeit im Wege stehen!
Industrie 4.0 basiert auf einer service-orientierten Architektur (SOA). Das bedeutet: Im Prozess seiner Entstehung benötigt das intelligente Produkt genau definierte Dienste von den Betriebsmitteln und der Intra-Logistik. Diese Dienste beschreiben den Entstehungsprozess des Produktes bezüglich des Materialflusses, der Fügeprozesse und der Anbauteile. In diesem Sinne muss das intelligente Produkt mit den Betriebsmitteln „verhandeln“ können. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine genau definierte Semantik, im Rahmen derer die Anforderungen des Produktes genau beschreibbar sind.

Die Betriebsmittel müssen einerseits „verstehen“, was das Produkt benötigt, und auf der anderen Seite die eigenen Fähigkeiten einschätzen und beschreiben können. Die Kommunikation zwischen dem Produkt und den Betriebsmitteln bedarf daher einer gemeinsamen und standardisierten Beschreibungssprache, die zudem maschinen-lesbar und maschinen-interpretierbar sein muss. Aktuell ist eine solche universelle Semantik bedauerlicherweise nicht definiert. Daher ist es heute nicht möglich, die Fähigkeiten einer Robotergruppe beispielsweise bezüglich der Größe des Arbeitsraumes (Größe des Produktes), der Traglasten der Roboter (Gewicht des Produktes) und der verfügbaren Prozesse (Fügesequenzen des Produktes) zu beschreiben.

In den Arbeitskreisen der „Plattform Industrie 4.0“ gibt es Tendenzen, die Ausarbeitung einer semantischen Definition von Diensten in die einzelnen Verbände zu verlagern. Vom technischen Hintergrund ist diese Entscheidung durchaus richtig, doch verhindert sie die Entwicklung einer allgemeingültigen Dienstbeschreibung. Wie kann eine Werkzeugmaschine mit einem Industrie-Roboter verhandeln, wenn beide eine andere Sprache sprechen? Kurzum: Die Standardisierung einer universellen Semantik rückt in den Mittelpunkt von Industrie 4.0.

Noch einen weiteren Aspekt gilt es diesbezüglich zu beachten: Obwohl Industrie 4.0 eine deutsche Initiative ist, zeigen andere Industrie-Nationen zunehmendes Interesse an den neuen Konzepten. Sollte es daher nicht möglich sein, auf deutscher Seite das „semantische Problem“ möglichst schnell und universell zu standardisieren, kann es durchaus dazu kommen, dass andere diese Standardisierung vorantreiben und inhaltlich bestimmen.

Eine zusätzliche Herausforderung speziell für den Anlagenbau der Zukunft wird die Frage sein, inwieweit eine sich selbst organisierende Produktion vorab planbar ist und vor allem geplant werden soll. Auf der einen Seite wird es nicht funktionieren, alle intelligenten Betriebsmittel in eine Halle zu stellen, die Tore zu schließen und das System sich selbst zu überlassen in der Hoffnung, es werde sich schon selbst organisieren. Auf der anderen Seite kann eine klassische Planung die immanenten Freiheitsgrade von selbstorganisierenden Systemen wiederum so stark einschränken, dass keine Freiheiten zur Selbstorganisation mehr bleiben. In diesem Bereich fehlt es noch an Erfahrung, wieviel Planung und welche Freiheiten solche Systeme benötigen und vertragen. Hier gilt es einen Mittelweg zu finden und entsprechende Tools zu Verfügung zu stellen, die eine adäquate Planung von Anlagen nach den Konzepten von Industrie 4.0 erlauben.

Neben dem Planungsproblem stellt sich zusätzlich die Frage, in welchem Grade solche Anlagen im Betrieb noch eine zentrale Steuerung benötigen. Auch in diesem Punkt wird man einerseits die Anlage sich nicht komplett selbst überlassen können. Anderseits würden zu stark steuernde Eingriffe in den Produktionsablauf die gesamten Vorteile des Konzeptes zunichtemachen. – Aber auch hier fehlt noch die Erfahrung. Insofern werden die nächsten fünf bis zehn Jahre sehr spannend!

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