Roboter im Montageprozess.

Mithilfe intelligenter Automatisierungstechnologie lassen sich auch anspruchsvolle Montageprozesse mit Robotern ausführen. (Bild: Fraunhofer IPA/ Rainer Bez)

Die Popularität der Automatisierung mit Robotern, der sogenannte „market pull“, geht einher mit einem „technology push“, also zunehmend preisgünstigen und zugleich anspruchsvollen Technologien, die verbesserte oder ganz neue Einsatzmöglichkeiten bieten. Bedingt durch den demographischen Wandel müssen Mitarbeiter auch im höheren Alter mitunter körperlich belastende Aufgaben ausführen. Mehr Automatisierung und auch körpergetragene Hebehilfen können hier entlasten.

Der Fachkräftemangel macht sich in vielen Branchen bemerkbar. Mit Robotik und Automatisierung wird es möglich, das Produktionslevel konstant zu halten oder gar in Lastspitzen zu erhöhen, auch wenn das Personal knapp ist. Und schließlich ist für Produktionen der Trend hin zu individualisierten Produkten herausfordernd: Ein Roboter muss für jede Variante umprogrammiert und teilweise sogar umgebaut werden, etwa um einen anderen Greifer zu nutzen. Auch Prozesse müssen hinsichtlich der Qualität abgesichert werden. Die Robotik ist eine der Zukunftstechnologien, um diese Herausforderungen anzugehen.

Wann ist eine Automatisierung für ein Unternehmen sinnvoll?

Vieles spricht für Robotik – und dennoch ist eine Automatisierungslösung kein Selbstzweck, sondern muss zum Unternehmen, seinen priorisierten Key Performance Indicators (KPIs) und zur Anwendung passen. Jede Neuinstallation eines Robotersystems erfolgt unter bestimmten technischen, sicherheitsrechtlichen und wirtschaftlichen Voraussetzungen und muss in Summe die passenden Mehrwerte für das Unternehmen bieten.

Um Unternehmen hier eine fundierte Entscheidungsgrundlage zu geben, bietet sich die „Automatisierungs-Potenzialanalyse“ (APA) vom Fraunhofer IPA an. Bei dieser nehmen IPA-Experten während einer Produktionsbegehung oder virtuell mithilfe digitaler Tools zum Beispiel alle Montageschritte chronologisch auf und dokumentieren die einzelnen vier Prozessschritte. Da Bauteile häufig chaotisch angeliefert werden, müssen sie vereinzelt werden. Danach muss das Teil gegriffen und zur Montageposition gebracht werden. Im nächsten Schritt folgt das Positionieren an der Fügestelle und schließlich das eigentliche Fügen, etwa Klipsen, Einpressen oder Verschrauben des Bauteils. Jeder dieser vier Teilschritte besteht dann wieder aus einer Substruktur, deren Elemente mit unterschiedlicher Gewichtung in die Berechnung einfließen. Die Positionierung wird beispielsweise in die Kriterien Toleranzen der Zielposition, vorhandene Positionierhilfen, Zugänglichkeit, Fügebewegung, Fügetoleranzen und Haltestabilität untergliedert und jeder Prozess entsprechend bewertet. Unternehmen können die APA auch selbst mit einer App durchführen, die das Fraunhofer IPA über einen Lizenzvertrag anbietet. Neuerdings gibt es am Institut in Stuttgart auch einen Demonstrator zu Schulungszwecken, der auf das eigenständige Durchführen einer APA vorbereitet. Er besteht aus zwei beispielhaften Arbeitsplätzen für Montage, die die zu Schulenden mithilfe der APA-App bewerten sollen.

Ganz gleich, wie die APA ausgeführt wurde: Sie generiert für jeden Prozess eine Bewertung bezüglich der Machbarkeit einer Automatisierung. Diese Bewertungen werden in einer Matrix visualisiert und in drei Kategorien mit entsprechenden Handlungsoptionen klassifiziert. Für Roboter einfach auszuführende Prozesse wie etwa Pick & Place und typischerweise in Kombination mit Mehrschichtbetrieb lassen sich mit schnellem Return on Invest von ein bis zwei Jahren mit einer Standardautomatisierung umsetzen. Bei Prozessen, die wirtschaftlich ebenfalls interessant, aber zu speziell sind, bedarf es eines Systemintegrators, der eine individuell passende Automatisierungslösung entwickelt. Und bei technisch bislang nicht automatisierbaren Produkten (biegeschlaffe oder transparente Kunststoffbauteile) kann, wenn der Endkunde eine Änderung der Bauteile erlaubt, das Bauteildesign im Kontext des „Design for Automation“ automatisierungsgerecht verändert und damit der Prozess in den Bereich der Spezialautomatisierung verschoben werden.

Eine Matrix zeigt Unternehmen an, wie geeignet eine Anwendung für mehr Automatisierung ist.
Eine Matrix zeigt Unternehmen an, wie geeignet eine Anwendung für mehr Automatisierung ist. (Bild: Fraunhofer IPA)

Einstiegshürden müssen abgebaut werden

Hat die APA ergeben, dass eine Roboteranwendung sinnvoll ist, können Anwender aus einem reichen Angebot schöpfen. Der Mittelstand ist mittlerweile ein Hauptadressat von Roboterherstellern und auch den Forschungseinrichtungen, die sich mit Robotik beschäftigen. Das Bild der roboterbasierten Fertigung hinter Sicherheitszäunen beispielsweise in der Automobilproduktion ist zwar noch immer stark verbreitet und haben auch ihre Berechtigung. Diese Zellen einzurichten ist jedoch mit hohen zeitlichen und finanziellen Aufwänden verbunden. Sie lohnen sich, wenn ein Roboter über lange Zeit die immer gleiche Aufgabe ausführt. Für Fertigungen mit kleinen Losgrößen hingegen, typisch für den Mittelstand, sind solche Anlagen oft nicht passend.

Aktuell sind am Markt mehrere Trends zu beobachten: die Entwicklungs- und Integrationskosten sowie die Programmieraufwände für den Einsatz von Robotersystemen zu senken und somit die Bedürfnisse des Mittelstands zu adressieren und ihnen die Wettbewerbsvorteile zu ermöglichen, die mit Robotik einhergehen.

Das Programmieren von Robotern darf kein Hexenwerk sein

Eine der zentralen Stellschrauben für eine einfachere Roboternutzung ist die Programmierung. Diese muss einfacher und schneller werden. Hier ist zunehmend von einer „Demokratisierung der Robotik“ die Rede. Hierfür gibt es herstellerspezifische Angebote. Sie bieten etwa eine Kombination aus intuitiv bedienbarem Roboter und einer Art App-Store, über den Anwender Hardware- und Softwarekomponenten einbinden können. In der Forschung sind als zweite Variante frei verfügbare Baukastensysteme wie das „Robot Operating System“ ROS beliebt. Weiterhin gibt es als dritte Variante herstellerunabhängige Tools. Sie bieten ein und dasselbe Interface für die Programmierung von Robotern unterschiedlicher Hersteller. Ein Beispiel hierfür ist das Spinoff des Fraunhofer IPA „drag & bot“. Programmieren durch Vormachen ist die vierte Variante von Programmiertools. Und schließlich gibt es Online-Plattformen oder auch Ökosysteme wie das auch vom IPA mitentwickelte xito.one. Auf dieser können Hersteller, Anwender und Lösungsanbieter von Serviceroboter-Anwendungen Systeme kollaborativ entwickeln und ist zugleich Marktplatz für Hardware- und Softwarekomponenten.

So hilft Künstliche Intelligenz, die Autonomie eines Roboters zu erhöhen

Die Programmierung vereinfachen ist eine mögliche Stellschraube, um die Gesamtkosten zu senken. Eine zweite ist der Autonomiegrad eines Roboters. Je höher dieser ist, umso weniger explizite Programmierung ist dann überhaupt nötig. Die entscheidende Technologie hierfür ist die Künstliche Intelligenz (KI) und genauer: deren Teilgebiet maschinelles Lernen. Roboter können damit auf Basis von Sensordaten Entscheidungen treffen und so auch in unstrukturierten Umgebungen eingesetzt werden. Beispielsweise profitieren Roboteranwendungen von Fortschritten im maschinellen Lernen für die Bildverarbeitung, unter anderem zur Objekterkennung in Bildern oder zur Segmentierung. Vortrainierte neuronale Netze erlauben es, auch unbekannte Objekte oder sich verhakende Bauteile mit dem Roboter zu greifen.

Mehr Autonomie beim Einrichten einer Anwendung mit Mensch-Roboter-Kollaboration ermöglicht das Softwaretool „Computer-Aided Risk Assessment“ (Cara), indem es eine teilautomatisierte Risikobewertung bietet. Es prüft die einzelnen Prozessschritte verbunden mit den eingesetzten Ressourcen, die bereits in einer zentralen Datenbank hinterlegt sind und die ein Systemintegrator auswählen kann. Darauf basierend gibt das Tool mögliche Gefährdungen sowie geeignete Sicherheitsmaßnahmen aus.

Umfassende Hilfestellungen insbesondere für den Mittelstand von ersten Informationsangeboten bis hin zur Entwicklung eines Demonstrators bietet das KI-Fortschrittszentrum „Lernende Systeme und Kognitive Robotik“ der Fraunhofer-Institute IPA und IAO. Über 150 Unternehmen konnten bereits mithilfe der Einrichtung ihre KI-Expertise erweitern. Die Mitarbeitenden des Zentrums freuen sich auf Ihre Anfrage.

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