Kollaborierende Automation

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1 Bildquelle automationspraxis.de Kollaborierende Automation Interaktion von Mensch und Maschine 4.0 Max Edelmann, Roland Anderegg Institut für Automation FHNW 1

2 Inhalt Grundlagen der Automation im Umfeld von Industrie 4.0 Aus den Grundlagen abgeleitete Anforderungen an die Mensch-Maschine-Interaktion Praktische Lösungen und Erfahrungen 2

3 Technologietreiber: Internet, Cyber Physische Systeme (CPS) Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer

4 Produkte werden individualisiert: Losgrösse 1 mit Hilfe von Massenproduktionsmitteln Produktion wird in der virtuellen Welt geplant und mit Istdaten abgeglichen 4

5 Cyber-Physisches System (CPS): digitales Modell Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer 2014 Ein Produkt entsteht virtuell und wird laufend mit gemessenen Echtzeitdaten aufdatiert Der Fertigungsprozess passt sich auf Basis des Cyber-Physischen Modells laufend an Fertigungs- & Entwicklungsprozess erlauben die Losgrösse 1 mit Massenproduktionsmitteln 5

6 Losgrösse 1: Einsatz von Massenproduktionsmitteln Bildquelle: mav-online.de Bildquelle: grueter.com Losgrösse 1: für jedes einzelne Fertigungsteil liegt ein eigenständiger Produktionsablauf vor Losgrösse 1: Massenproduktionsmittel müssen für eine Einzelanwendung programmiert werden Es liegen digitale Prozessdaten vor, aus denen eine Produktionsplanung abgeleitet werden kann oder der Mensch interagiert direkt mit dem Massenproduktionsmittel Der Roboter steht stellvertretend für ein Massenproduktionsmittel, das im Umfeld der Industrie 4.0 eingesetzt wird Grundfrage: wie kann der Roboter einfach und für jedes Fertigungsteil einzeln (Losgrösse 1) programmiert werden? 6

7 Roboter: Grundprinzipien der Technologien automatisierte Handhabungstechnik Manuell gesteuert kooperierender Roboter programmgesteuert taktile Prozessführung frei programmiert fest programmierbar Teleoperatoren Manipulatoren Kobot Industrieroboter Mensch Roboter Kooperation automatisierte Geräte 7

8 Technologien der Prozessinteraktion Roboterprogrammierung Roboterinteraktion 8

9 Industrie 4.0 Anforderungen Massenproduktion Kleinserien Losgrösse 1 taktile Prozessführung Kobot automatisch programmiert autonom programmierter Roboter PC-basierte Programmierung 9

10 Beispiel: robotergestütztes Schleifen Schleifen von Armaturen basiert auf den Fähigkeiten des Schleifers robotergestützte Schleifautomaten werden von erfahrenen Schleifern mit zusätzlicher Ausbildung in Robotik programmiert der Programmieraufwand lohnt sich erst für grössere Armaturenserien (mehrere Hundert, Tausende) Bedarf, Roboterprogrammierung zu automatisieren, erfahrener Schleifer wird zum Spezialisten für die Cyber-Physischen Systeme CPS 10

11 Robotergestützte Schleiftechnik im Gesamtprozess Design Armatur Gussform nicht möglich Werkzeugbau Fertigungsmittel Kontur Kostenintensive Iterationen CAD- Daten Freiformen nicht schleifbar Einrichten Programmieren Fertigen Programmieren Einrichten Kontrolle Einrichten Kontrolle Gussformen, - kerne, -material Geometrie, CNC- Programmierung Schleifgeometrie Oberflächenqualität Schichtdicke Prozessdaten Giessen Drehen/Fräsen Schleifen/Polieren Galvanisieren 11

12 Konstruktion Industrie 4.0: das Cyber-Physische System CPS Giessen Mechanische Bearbeitung Einrichtzeitpro Armatur: < 4 h 1 Modell Digitaler Einrichtprozess Model based Design Prozessmodell Schleifen & Polieren Gussdaten 1 Einheit Losgrösse Keine Einrichtzeit Geometriedaten Digitale Prozessdaten Datentransfer Galvanisieren Digitales Modell/Geometrie Bahnplanung Roboter Regelung Schleifen Bahnplanung Roboter Regelparameter Schleifen Giessen Mech. Bearbeitung Schleifen Galvanisieren p Automation des Einfahrens eines neuen Armaturendesigns Losgrösse 1 für ein Unikat einer Armatur Digitales Modell als Grundlage der vollautomatisierten Fertigung 12

13 Losgrösse 1: Prozessintegration mittels CPS 13

14 Losgrösse 1: CPS ist die Grundlage für die Mensch- Maschine-Interaktion Losgrösse 1 erfordert eine simple Programmierung der Massenproduktionsmittel Im Fall eines Roboters geschieht die Programmierung entweder durch direkte Interaktion im Sinne eines Playback-Verfahrens oder eine Interaktion auf taktiler Basis (Kobot) eine automatische Roboterprogrammierung ist Teil des übergeordneten CPS und liefert direkt die Bahnplanungsdaten für die Roboterprogrammierung die Robotersteuerung entspricht der Standardlösung und wird nicht angepasst, die Interaktion mit übergeordneten Systemen basiert auf dem Internet of Things IoT der Programmierspezialist arbeitet zunehmend in virtueller Umgebung am Bildschirm, «Büro» und «Werkstatt» verschmelzen CPS 14

15 Fazit: Industrie 4.0 und die Mensch-Maschine- Interaktion Evaluation der aktuellen Fertigungssituation, Definition der Automationsstufe (Massenproduktion, Losgrösse 1) Wahl der Automationsmittel: eigenständige Technologien oder Standardmittel wie z. B. Roboter, Bildverarbeitung, etc. klassische Programmierung, automatisierte Programmierung, kollaborierender Roboter (Kobot) Modell des zu automatisierenden Prozesses, Cyber-Physisches System CPS vollständig zu automatisierende Prozessschritte teilweise zu automatisierende Prozessschritte Einsatz von Bildverarbeitung automatisierte Bahnplanung CPS-basierter Fertigungsprozess, primäre Interaktion: PC-basierte Prozessprogrammierung und -überwachung 15

16 Institut für Automation (IA) Automatisieren von Anlagen und Produkten 16

17 Angewandte Forschung und Entwicklung Kernkompetenzen Elektrotechnik Maschinenbau Anwendung modernster theoretischer Verfahren der Mess- und Regelungstechnik in industriellen Anwendungen Mess- und Regelungstechnik (Systemtheorie) Problemanalyse Modellierung, Identifikation Verifikation, Simulation Informatik Automation Fertigungstechnik Regel- und/oder Messalgorithmus, industrielle Automationslösung Implementierung Realisierung 17

18 Zusammenarbeit mit dem Institut für Automation Studierendenprojekte in den Bereichen Systemtechnik (Automation, Mechatronik), Elektrotechnik, Energie- und Umwelttechnik Masterarbeiten Angewandte Forschung und Entwicklung: Zusammenarbeit im Rahmen von drittmittelfinanzierten Forschungsprojekten (z. B. KTI-Projekt) Dienstleistungsaufträge Zusammenarbeit bietet nebst der gemeinsamen Erarbeitung von industriellem Kern-Know-How die Möglichkeit, Absolventen zu rekrutieren 18