Die Automatisierung in der Metallverarbeitung wird immer mobiler

Aug 05, 2023

ABBILDUNG 1. Ein mobiler Roboter wird vor einem Automobilmontagevorgang bereitgestellt. Die meisten mobilen Roboter werden für die Lager- und Logistikbranche angeschafft. Dennoch nehmen die Hersteller die Technologie schnell an. Bilder: KUKA

Anmerkung des Herausgebers: Das Folgende basiert auf „How to Get Started With Integrating Mobile Robots“, vorgestellt auf der FABTECH 2022 von Denise Stafford, Business Development Manager bei KUKA Robotics Corp.

Stellen Sie sich einen automatisierten Präzisions-Blechbetrieb vor, der bei jedem Herstellungsschritt über alle technologischen Extras verfügt. Ein flexibles Fertigungssystem transportiert Bleche von einem Live-Inventar-Turmsystem zu einem Laserschneidbett. Die Rohlinge werden automatisch geschnitten, sortiert und gestapelt, wobei die Teileentnahme automatisch erfolgt. Anschließend werden sie zu einer Roboter-Abkantpresse mit automatisiertem Werkzeugwechsel und einem Roboter mit einem ultraflexiblen Greifer gebracht, der eine Reihe von Werkstücken handhaben kann.

Die geformten Teile werden gestapelt und dann zu nachgelagerten Prozessen wie Schweißen und Pulverbeschichten gebracht. Es ist der Inbegriff flexibler Fertigungsautomatisierung – außer für alle Arbeiter, die Gabelstapler fahren oder Karren voller Teile schieben. Der Materialtransport zwischen den Herstellungsschritten bleibt die letzte Bastion der Handarbeit. Traditionell hatten Hersteller nur begrenzte Möglichkeiten, aber neue Formen der flexiblen, mobilen Automatisierung beginnen, dies zu ändern (siehe Abbildung 1).

Die Auslieferungen mobiler Robotik nehmen außerordentlich schnell zu. Laut ABI Research werden von den 8 Millionen Robotern, die im Jahr 2030 voraussichtlich auf den Markt kommen, fast 6 Millionen mobil sein. Die mobile Automatisierung hat die Roboterindustrie verändert, und der Bereich der Präzisionsblechfertigung könnte diesen Wandel eher früher als später spüren.

Was genau sind mobile Roboter? Fast allen ist gemeinsam, dass sie bei richtiger Schutzeinrichtung und Anlagenkonstruktion darauf ausgelegt sind, auf Hindernisse zu reagieren und ihnen auszuweichen, indem sie anhalten und manchmal um sie herum manövrieren.

Die Branche verkauft mobile Robotersysteme unter verschiedenen Begriffen, von fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTS) bis hin zu autonomen mobilen Robotern (AMRs) mit fortschrittlicher Navigation. Einige betrachten bestimmte Arten der mobilen Automatisierung als mehr oder weniger intelligent und autonom als andere. Bestimmte Systeme benötigen physische Eigenschaften wie magnetisches oder reflektierendes Klebeband, während andere die fortschrittliche LiDAR-Bildverarbeitungstechnologie (Light Detection and Ranging) verwenden, um Paletten mit Teilen, Gebäudesäulen oder verschiedene andere Hürden zu umgehen.

Dennoch verschwimmen mit fortschreitender Technologie die Grenzen zwischen verschiedenen Produktklassifizierungen – zum Beispiel AMRs versus AGVs –. Manche sind in gewisser Weise autonomer, in anderer Hinsicht weniger autonom. Einige verfügen auch über manuelle Manipulationsoptionen, wenn sich der Roboter auf einzigartige oder ungewöhnliche Weise bewegen muss und sich die technischen Grundlagen für den autonomen Betrieb einfach nicht lohnen.

Ob man eine bestimmte Technologie nun diesen oder jenen Namen nennt, spielt eigentlich keine Rolle. Entscheidend ist, wie gut ein mobiler Roboter den Anforderungen einer bestimmten Anwendung entspricht.

Einige mobile Roboter verfügen beispielsweise über definierte Pfade, halten an, wenn ein Hindernis vorhanden ist, und fahren wieder fort, wenn das Hindernis beseitigt ist. Andere können ein Hindernis umgehen. Letzteres könnte in Lagerhäusern mit minimalem Fußgängerverkehr gut funktionieren, aber wie sieht es mit einer Produktionsumgebung mit viel Stau aus? In diesen Fällen möchten Sie Ihre mobilen Roboter möglicherweise auf einem definierten Pfad halten.

Mobile Roboter könnten omnidirektionale Antriebssysteme verwenden, was bedeutet, dass sie sich in jede Richtung bewegen können, einschließlich diagonaler und seitlicher Bewegungen („Krabbeln“) – hilfreich bei der Arbeit in sehr engen Räumen. Differenzialantriebssysteme sind außerdem sehr flexibel; Viele sind in der Lage, auf der Stelle zu wenden (Wenderadius Null).

ABBILDUNG 2. Mobile Roboter werden teilweise nach der Art und Weise klassifiziert, wie sie ihre Lasten tragen.

Einige mobile Roboter sind zum Kommissionieren und Tragen konzipiert, wie beispielsweise der häufig verwendete fahrerlose Gabelstapler. Andere verfügen über Förderbänder, die es ihnen ermöglichen, sich zu einem bestimmten Ort zu bewegen und dann eine Nutzlast auf eine Oberfläche oder ein anderes Förderband zu befördern. Andere Typen dienen zum Bewegen von Karren und Gestellen. Wieder andere ziehen Nutzlasten hinter sich her (siehe Abbildungen 2 und 3).

Jeder Typ und jede Bauart hat eine bestimmte Nutzlast, die von mehreren hundert Kilogramm bis hin zu mehreren Tonnen reicht. Einige der leistungsstärksten mobilen Roboter auf dem Markt transportieren große, mehrere Tonnen schwere Werkstücke von einem Ende der Werkstatt zum anderen – kein Brückenkran erforderlich (siehe Abbildung 4).

Freilich sind solche mobilen Roboter mit hoher Nutzlast immer noch in der Minderheit. Die meisten transportieren nur geringe Nutzlasten, und tatsächlich landen viele in Bereichen außerhalb der Fertigung, in Sektoren wie Lagerhaltung, E-Commerce und anderen logistikbezogenen Branchen. Diejenigen, die für die Fertigung geeignet sind, müssen für den Einsatz in bestimmten Umgebungen ausgelegt sein, staubbeständig sein und sich in besiedelten Gebieten bewegen können.

Mobile Roboter können stundenlang durch ein Lager manövrieren, ohne einer anderen Menschenseele zu begegnen. In der Fertigung passiert das normalerweise nicht. In Fertigungsanlagen gibt es Maschinenbediener, und in einigen Fällen interagieren mobile Roboter direkt mit oder neben ihnen – wie ein mobiler Roboter, der eine Palette mit geschnittenen Rohlingen einer manuellen Abkantbiegezelle zuführt. Wieder andere mobile Roboter, insbesondere solche mit Armen (siehe Abbildung 5), können zu Stationen manövrieren, um ihre eigenen Werkzeuge oder Endeffektoren zu wechseln, und sich dann zu einer nahegelegenen Maschine bewegen, um Teile zu laden und zu entladen. In der Fertigung geht die Anwendungskomplexität weit über den bloßen Transport von Punkt A nach B hinaus.

Nachdem Sie nun die verfügbaren Optionen kennen, wo fangen Sie an? Zunächst müssen Sie sich vier grundlegende Überlegungen ansehen, die jeder mobilen Roboteranwendung zugrunde liegen: Prozess, Besonderheiten bei der Teilehandhabung, Umgebung und Software. Und Sie müssen bei jedem Schritt auf dem Weg an die Sicherheit denken. Nur weil die meisten mobilen Roboter vor einem Hindernis anhalten, heißt das nicht, dass die gesamte Anlage sicher ist, wann und wo auch immer sie eingesetzt werden. Wie bei jeder Technologie müssen Sicherheitsmaßnahmen auf die Anwendung zugeschnitten sein.

Schritt 1: Prozess. Welche Rolle wird der mobile Roboter spielen? Geht es darum, Teile zu bewegen, eine Maschine zu bedienen oder um eine Kombination aus beidem? Welche Teilegrößen gibt es, wie werden sie dargestellt und was muss der mobile Roboter damit machen? Was passiert, wenn Teile verlegt, beschädigt oder defekt sind? Was die Sicherheit angeht: Wie viele Menschen sind in der Gegend und welche Hindernisse gibt es? Und was passiert, wenn die Maschine ausfällt?

Denken Sie bei der Analyse des Prozesses über die Beurteilungen und Entscheidungen nach, die der Vorgang erfordert. Stellen Sie sich einen mobilen Roboter mit einem Arm vor, der Rohlinge zu einem Förderband oder anderen nachgelagerten Prozessen transportiert. Wenn ihm eine Palette mit vier Stapeln vorgelegt wird, welchen Stapel nimmt der Roboter dann zuerst auf, wann und in welchem ​​Tempo und in welcher Reihenfolge? Sind integrierte Lösungen erforderlich, um unerwartete oder seltene Ereignisse zu bewältigen oder zu verhindern, wie z. B. ein Luftmesser oder eine andere Vorrichtung, um ein Doppelpicken von Rohlingen zu verhindern? Muss der mobile Roboter um verschiedene Hindernisse herum navigieren?

Welche Interaktionen zwischen Menschen, Software und Maschinen sind erforderlich, damit der Prozess funktioniert? Was sind die Wiederholbarkeitsanforderungen? Eine präzise Positionierung erfordert wahrscheinlich alternative Ansätze für die Werkzeugbestückung und Werkstückspannung.

Wie wird die Aufladung organisiert? Dies hängt vom Batterietyp ab (z. B. Bleisäure oder Lithium-Ionen). Werden sie während des Vorgangs oder an einer Station aufgeladen? Wenn Sie mehr als einen mobilen Roboter haben, welche Prioritäten gelten an den Abgabe- und Abholpunkten und Kreuzungen (d. h. welcher Roboter macht was zuerst und wann)? Und lässt das mobile Robotersystem eine mögliche zukünftige Erweiterung zu?

Wenn diese Details geklärt sind, können Sie mit der Durchführung einer Analyse beginnen, um Ihre Investition in einen mobilen Roboter zu rechtfertigen. Wie hoch sind die Zykluszeit und der Durchsatz heute und wie hoch müssen sie sein?

ABBILDUNG 3. Ein mobiler Roboter transportiert eine Palette mit verpackten Teilen in der Versandabteilung eines Herstellers. Diese Modelle sind zusammen mit fahrerlosen Gabelstaplern vielleicht die bekanntesten in der Metallverarbeitung.

Beachten Sie jedoch, dass Durchsatz- und Zykluszeitverbesserungen nur zwei zu berücksichtigende Faktoren sind. Es gibt viele andere. Mobile Roboter könnten beispielsweise Ihre Abhängigkeit von schwer zu findender Handarbeit verringern und Ihre Flexibilität erhöhen. Vor allem könnten sie die Sicherheit und Ergonomie verbessern.

Sie können auch die Qualität verbessern, vor allem weil mobile Roboter – wenn sie gut konzipiert und programmiert sind – ihre Arbeit auf die gleiche Weise und in einem konstanten Tempo erledigen, das gemessen werden kann. Ein Hersteller kann bei bestimmten Schritten Sensoren hinzufügen. Wenn der mobile Roboter eine Aufgabe erledigt, fließen die Daten sofort zurück zur Software und hinterlassen einen digitalen Fußabdruck für Statusaktualisierungen, Prozessoptimierung und Rückverfolgbarkeit.

Alles in allem gibt es ein Gleichgewicht. Einfacher ist normalerweise am besten. Ein mobiler Roboter könnte beispielsweise über Sensoren verfügen, die QR-Codes lesen, die sagen, welches Teil er trägt und wie viele – aber ist dieser Schritt notwendig? Oder gibt es einen einfacheren Weg? Wenn beispielsweise ein Teilestapel eine bestimmte Höhe erreicht, veranlasst ein Signal einen mobilen Roboter, diese von Punkt A nach B zu bewegen. Der mobile Roboter muss nicht wissen, um welche Teile es sich handelt; Es weiß lediglich, dass alle Teile von Punkt A nach Punkt B gelangen müssen. Die Anwendung gibt vor, welche Funktionen ein mobiles Robotersystem haben muss: In den meisten Fällen gilt: Je weniger komplex das System sein muss, desto besser.

Gleiches gilt für Fragen der Wiederholbarkeit und Präzision. Beispielsweise setzt ein Automobilhersteller mobile Roboter ein, um große Teile mehreren Schweißrobotern vorzulegen. Die mobilen Roboter selbst sind für den Einsatz in dieser Umgebung konzipiert, aber sie sind nicht so präzise wie die Schweißroboter. Ja, theoretisch könnte der Vorgang verschiedene Sensoren nutzen, damit der mobile Roboter das Werkstück „genau richtig“ innerhalb der Zelle positionieren könnte. Aber in diesem Fall entschieden sich die Ingenieure für die einfachere (und wahrscheinlich bessere) Option: die Verwendung mechanischer Geräte für die endgültige Positionierung des Werkstücks (siehe Abbildung 6).

Schritt 2: Teilehandhabung. Nachdem die Prozessgrundlagen geklärt sind und ein guter Anfang zur Rechtfertigung der Investition besteht, ist es an der Zeit, sich wirklich mit den Einzelheiten zu befassen. Erstens: Wie groß sind die Abmessungen und das Gewicht der zu transportierenden Teile und wo wird ihr Schwerpunkt liegen? Wie genau werden mobile Roboter sie be- und entladen? Wie werden sie für einen Prozess befestigt oder in einem Regal aufbewahrt?

Und wie wird der mobile Roboter mit Geräten und Werkzeugen interagieren? Dies hängt davon ab, was der mobile Roboter erreichen soll, mit dem Ziel, Ihren Fachkräften dabei zu helfen, so produktiv wie möglich zu sein. Ein mobiler Roboter könnte theoretisch mit einer Maschine interagieren, um einen Zyklus zu aktivieren oder ein Teil auf eine bestimmte Weise zu positionieren, aber wie kompliziert wäre das? Wäre es einfacher, dies manuell durchzuführen? Nichts ist für einen Facharbeiter frustrierender, als sich mit unzuverlässiger Automatisierung auseinandersetzen zu müssen, egal ob mobil oder anderweitig.

Vergessen Sie auch hier nicht die Sicherheit, insbesondere wenn Lasten zu und von einem mobilen Roboter bewegt werden. Wie erfolgt eine sichere Übertragung? Wie werden sie gesichert bzw. befestigt? Mobile Robotik soll die Prozesssicherheit aufrechterhalten und im Idealfall verbessern – und nicht verschlechtern.

Schritt 3: Umgebung. Berücksichtigen Sie anschließend die Umgebung, in der mobile Roboter eingesetzt werden – drinnen oder draußen (oder beides), Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie Partikel in der Luft. Diese und andere Details bestimmen die Art des mobilen Roboters, der in Ihrer Fertigungsumgebung eingesetzt werden soll. Auch hier gilt: Ein mobiler Roboter, der in einem E-Commerce-Lager perfekt funktioniert, funktioniert möglicherweise nicht in einem Metallverarbeitungsbetrieb.

Vergessen Sie auch nicht die Beschaffenheit des Bodens, einschließlich seiner Qualität und Ebenheit. Wie hoch wird die Reibung zwischen den Rädern des mobilen Roboters und der Bodenoberfläche sein? Befinden sich Hindernisse oder Flüssigkeiten auf dem Boden? Lücken? Wird der Roboter Hänge hinauf- und hinunterfahren?

Berücksichtigen Sie abschließend die Fahrbedingungen, einschließlich des Staugrades durch Fußgänger und andere Fahrzeuge, die Breite der Gänge und Kreuzungen sowie die Art und Weise, wie verschiedene Wege in der gesamten Anlage getrennt sind. Mobile Roboter benötigen Freiraum, insbesondere wenn sie lange Teile transportieren, die möglicherweise etwas über die Palette hinausragen. Der Umgang mit diesen Faktoren kann manchmal eine Herausforderung sein, aber wenn Sie frühzeitig damit umgehen, ist es wahrscheinlicher, dass Sie sie überwinden.

ABBILDUNG 4. Ein riesiger mobiler Roboter transportiert einen Teil eines Flugzeugrumpfs von einem Ende der Anlage zum anderen.

Schritt 4: Software. Berücksichtigen Sie abschließend die verschiedenen Softwareebenen, die interagieren müssen, damit Ihre mobile Roboterflotte funktioniert (siehe Abbildung 7). Ihre Anlagensoftware (z. B. Enterprise Resource Planning oder Manufacturing Execution System) muss mit Ihrer mobilen Flottenmanagementsoftware kommunizieren, die Ihre mobilen Roboter als Ganzes koordiniert – sozusagen den Bienenstock der mobilen Roboter. Es führt die Wegplanung durch, legt Vorfahrtsregeln fest und trifft andere damit verbundene Entscheidungen.

Die Flottenmanagementsoftware ist dann mit der Navigation auf dem Roboter verbunden, die die Lokalisierung (damit der mobile Roboter weiß, wo er sich befindet) und die Geschwindigkeitskontrolle durchführt. Dies wiederum ist mit der roboterinternen Steuerung (der Firmware) verbunden, die lokale Sicherheitsmaßnahmen und grundlegende Fahraufgaben ausführt.

Die Software könnte auch mit externen Systemen wie SPS, LED-Panels und Ampelsteuerungen verbunden werden, die auf einen Blick den Status der mobilen Flotte anzeigen, wo sie sich befindet und was sie tut. Verschiedene Softwareebenen können zusammenarbeiten, um Aufträge zu bearbeiten, Aufgaben zu priorisieren und auf verschiedene Mitglieder der mobilen Flotte aufzuteilen, die sie dann ausführen. Anschließend geben sie Daten zur Prozessüberwachung zurück (wie können wir das beim nächsten Mal besser machen?) und zur Korrektur von Ausnahmen und Fehlern.

Der Präzisionsmetallverarbeiter von heute zeichnet sich durch außergewöhnlich schnelles Laserschneiden, automatisierte Teileentladung, automatisierte Werkzeugwechsel beim Biegen und automatisiertes Schweißen aus – und höchstwahrscheinlich auch durch manuelle Materialhandhabung bei all diesen fortschrittlichen Fertigungsschritten.

Mobile Roboter könnten den nächsten großen Schritt in der Automatisierung der Metallfertigung darstellen. Werksbeobachter werden nicht nur Laser schneiden und Abkantpressen biegen sehen, sondern auch mobile Roboter, die in einem Logistikballett kontinuierlich Werkstücke transportieren und dabei den besten Weg für jeden Arbeitsablauf und jeden Wertstrom finden.

Keine Technologie kann jede Fertigungsherausforderung lösen, und mobile Roboter bilden da keine Ausnahme. Hersteller müssen mit einer großen Vielfalt an Teilegrößen, -gewichten und -formen umgehen. Aber auch an mobilen Robotern ist heute eine außergewöhnliche Vielfalt im Einsatz, von extrem kompakten Modellen bis hin zu Schwerlastmodellen, die Strukturträger und sogar Flugzeugrümpfe tragen können. Zumindest einige dieser Technologien könnten bald in weiteren Metallverarbeitungsbetrieben Einzug halten.