Beginnend mit dem Faustkeil haben Menschen schon immer versucht, sich mittels Werkzeuge die tägliche Arbeit zu erleichtern. Lange Zeit war jedoch die menschliche Muskel- und Geisteskraft erforderlich, um solche Werkzeuge zielgerichtet einzusetzen. Erst mit dem Beginn der industriellen Revolution Ende des 18. Jahrhunderts wurden Maschinen mithilfe von Wasser- oder Dampfkraft statt menschlicher oder tierischer Muskelkraft angetrieben, seit der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts dann auch mithilfe elektrischer Antriebstechnik. Die \’Steuerung\‘ von Maschinen erfolgte zunächst mechanisch, beispielsweise durch eine Königswelle. In den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts begann die Einführung programmierbarer Steuerungen, was der Produktionstechnik eine neue Flexibilität verlieh. Für eine wirkliche Flexibilisierung der Produktion, mussten auch die Maschinen selbst flexibler werden. Es ist somit kein Zufall, dass etwa zur selben Zeit Industrieroboter in die Produktionsanlagen Einzug hielten. Mit ihrer Hilfe lassen sich Werkzeuge (z.B. Schweisszangen oder Greifer) flexibel in allen sechs Freiheitsgraden bewegen. Was jedoch auch bei dieser \’Industrie 3.0\‘ bis heute noch fehlt, ist die Kommunikations- und Kooperationsfähigkeit zwischen Mensch und Maschine bzw. zwischen Maschine und Maschine. Genau dies verspricht das \’Update\‘ von \’Industrie 3.0\‘ auf \’Industrie 4.0\‘.
Praktisches Szenario
Doch was bringt dieses \’Update\‘ in der Praxis? Angenommen, ein mittelstän-discher Produktionsbetrieb erhält einen dringenden Produktionsauftrag. Eine der Produktionsmaschinen, die für diesen Auftrag benötigt wird, stellt selbst fest, dass sie mit dem aktuellen Auftrag noch bis Ende der Woche ausgelastet sein wird. Mit dem neuen Auftrag kann also frühestens am Samstag begonnen werden. Über ihr Smart-Phone melden sich die Mitarbeiter, die prinzipiell an diesem Samstag arbeiten können. Neben Menschen und Maschinen müssen aber auch die benötigten Werkzeuge und Materialien bereitstehen. Ein Roboter, der für die ursprünglich produktionsfreie Zeit am Samstag bereits einen Service-Techniker und ein neues Getriebe bestellt hat, dirigiert beides auf die nächste Produktionspause um. Die zu produzierenden Werkstücke \’kennen\‘ zwar ihre eigene Geometrie, ihren Werkstoff und die Arbeitsschritte, die mit ihnen durchzuführen sind, und teilen dies auch den jeweiligen Maschinen mit. Die eigentliche Prozess-Durchführung, die das Werkstück von einem Start- in einen Zielzustand überführt, ist aber Aufgabe der jeweiligen Maschine. So muss beispielsweise ein Roboter selbst erkennen, dass ein benötigtes Werkzeug nicht vorhanden ist, und dies dann selbsttätig im Internet bestellen, sodass es bis zum Produktionsbeginn am Samstag verfügbar ist. Ebenso muss sich der Roboter die benötigten Prozessparameter zur Bearbeitung des Werkstücks aus einer entsprechenden Datenbank im Internet besorgen.
Selbstorganisierte Produktion
Das Beispiel zeigt, wie eine wandlungsfähige, hochflexible, sich in Teilen selbstorganisierende Produktion ermöglicht wird, die sich in kurzer Zeit auf unterschiedlichste Marktanforderungen einstellen kann. So wird eine ebenso stückzahl- wie auch variantenflexible Produktion ermöglicht, wie sie bei immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen und immer größerer Variantenvielfalt längst gefordert ist. Doch welche Technologien werden benötigt, um dieses Szenario Realität werden zu lassen? Aus Sicht der Informationstechnik sind heute bereits viele Technologien verfügbar, etwa Service-orientierte Architekturen (SOA) mit in sich gekapselten Software-Diensten, welche über ein Netzwerk miteinander kommunizieren und sich erst zur Laufzeit organisieren. Die einzelnen Software-Services können so gemeinsam Aufgaben erfüllen, an die der Programmierer zum Erstellungszeitpunkt noch gar nicht gedacht hat. Die Übertragung dieser Konzepte aus der Welt der \’Bits und Bytes\‘ in die harte Realität gestaltet sich jedoch als nicht ganz so einfach. Schließlich bedeutet dies, dass Automatisierungskomponenten erst zur Laufzeit gemeinsam eine Aufgabe erfüllen, welche die Konstrukteure und Programmierer zum Zeitpunkt ihrer Entwicklung noch gar nicht vorhersehen konnten. So müssen etwa zwei Steuerungen miteinander Informationen austauschen können (und zwar auf syntaktischer und semantischer Ebene), die zum ersten Mal in einem Produktionsumfeld aufeinandertreffen. Dies ist nur durch Festlegung und Einhaltung von Kommunikationsstandards möglich.
Flexibler Roboter
Einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu Industrie 4.0 bilden sicherlich Industrieroboter als die flexible Automatisierungskomponente schlechthin. Roboter können Werkzeuge wechseln und diese frei und ggf. sensorgeführt durch den Raum bewegen. Was fehlt also noch? Während Industrieroboter flexibel hinsichtlich ihrer Bewegung sind, sind sie noch unflexibel bezüglich ihres Einsatzortes: Sie sind meist am Hallenboden festgedübelt und durch einen starren Schutzzaun von der Umgebung abgetrennt. Benötigt werden stattdessen Roboter, die sich dorthin bewegen können, wo sie gebraucht werden. Hierfür sind kleine, leichte, energiesparende Roboter von Vorteil, welche auf mobilen Plattformen mithilfe von Umgebungs-Scannern frei (d.h. ohne feste Spurführung) navigieren können und dabei keine Menschen gefährden, denen sie unterwegs begegnen. Die mobilen Plattformen müssen idealerweise auf engster Produktionsfläche manövrieren können. Hierfür sind besonders omnidirektionale Plattformen geeignet. In bestimmten Industrien müssen auch Schwerlast-Roboter bewegt werden können, beispielsweise zur Bearbeitung großer Flugzeugteile oder Rotorblätter von Windkraftanlagen. Hier ist es einfacher, den Roboter zum Werkstück zu bewegen als umgekehrt.
Kritischer Faktor Sicherheit
Neben der Mobilität spielt die Absicherung des Arbeitsbereiches eines Roboters eine große Rolle. Alle potentiellen Einsatzorte eines Roboters mit starren Schutzzäunen abzusichern, widerspräche dem Flexibilitätsgedanken von Industrie 4.0. Entweder muss der Roboter also von sich heraus sicher sein, indem er nur geringe Massen und ungefährliche Werkzeuge bewegt und sicher auf Annäherung oder Berührung reagiert. Oder aber der Arbeitsbereich des Roboters wird dynamisch mittels sicherer Sensoren abgesichert. Solche \’sicheren Roboter\‘ bilden wiederum die Voraussetzung für eine direkte Mensch-Roboter Kooperation, in der sich die Arbeitsräume von Mensch und Roboter absichtlich überschneiden. Der Roboter holt beispielsweise ein Bauteil aus dem Lager und übergibt es an den Menschen. Oder er fixiert das Bauteil, während der Mensch daran arbeitet (\’intelligente dritte Hand\‘ für den Werker).
Standardisierte und offene Lösungen
Neben reinen Handhabungsaufgaben wird ein Roboter aber auch direkt Bauteile bearbeiten, fügen, montieren oder prüfen müssen. Die Robotersteuerung muss also Integrationsmöglichkeiten für solche Prozesse bereitstellen. Offene Steuerungsplattformen bieten bereits heute die Möglichkeit, beispielsweise einen NC-Kern oder ein Vision-System zu integrieren, sodass der Roboter Fräsbearbeitungen oder Prüfaufgaben direkt ausführen kann. Um mit anderen Steuerungen kommunizieren zu können, beispielsweise mit anderen Maschinen oder externen Prozess-Steuerungen, ist es von Vorteil, wenn die Robotersteuerung Mainstream-Technologien aus dem IT-Umfeld nutzt, z.B. PC- und Netzwerktechnologien oder moderne Betriebssysteme, wie Microsoft Windows. Standardisierte Kommunikationsprotokolle auf syntaktischer und semantischer Ebene lassen sich so direkt nutzen. Ebenso von Vorteil ist der Einsatz von Mainstream-Technologien im Bereich der Programmiersprachen und integrierten Programmierumgebungen. Hier eignet sich beispielsweise Java als die Internet-Programmiersprache schlechthin, selbstverständlich erweitert um robotikspezifische Bibliotheken.
Intelligenter Werkzeugwechsel
Die durch moderne informationstechnische Ansätze gewonnene Flexibilität reicht jedoch nicht aus, um auch in der physikalischen Realität bestehen zu können. Zwar sind Roboter sehr flexible Bewegungsmaschinen, jedoch sind die Werkzeuge an ihm häufig starr und können nur eine ganz bestimmte Aufgabe erfüllen. Flexibilisierung kann hier durch intelligente Werkzeugwechselsysteme erreicht werden. Darüber hinaus gibt es heute Ansätze, die mechanische Anpassungsfähigkeit eines Werkzeugs, die beispielsweise durch Federn erreicht wird, bereits im Roboterarm abzubilden, indem dieser durch eine geeignete Parametrierung zur Laufzeit verschiedene mechatronische Eigenschaften annehmen kann, etwa eine größere Nachgiebigkeit in die eine und eine größere Steifigkeit in die andere Richtung. Dadurch werden die Werkzeuge am Roboterflansch einfacher, ohne an Flexibilität einzubüßen. Zu sehen sind solche Ansätze heute bereits an Leichtbaurobotern, deren Eigenschaften sich achsweise oder kartesisch zur Laufzeit festlegen lassen, die durch integrierte Momentensensoren in allen Achsen nachgiebig und feinfühlig sind und Bauteiltoleranzen ausgleichen können, ohne dass deshalb gleich das Werkzeug umkonstruiert werden muss. Da solche Roboter dem menschlichen Arm nachempfunden sind, verfügen sie zudem über Redundanzen, sodass ein und dieselbe Zielstellung des Werkzeugs durch verschiedene Stellungen des Roboters angefahren werden kann. Dies ist besonders in schwer zugänglichen Bereichen von Vorteil.
Aufbau einer Wissensbasis
Während die bislang genannten Voraussetzungen durch heutige moderne Roboter und Robotersteuerungen bereits erfüllt werden, hält die Trickkiste der Forscher noch Methoden und Werkzeuge bereit, die noch nicht ihren Weg in kommerziell verfügbare Roboter gefunden haben, die aber Industrie-4.0-Ansätze unterstützen. Aufgrund der Variantenvielfalt der herzustellenden Produkte wird es nicht mehr möglich sein, jede einzelne Bewegungssequenz eines Roboters a priori zu programmieren und gegebenenfalls simulativ abzusichern. Vielmehr wird dem Roboter entweder an Ort und Stelle durch einen Menschen gezeigt, welche einzelnen Schritte durchzuführen sind (\’Programmieren durch Vormachen\‘) oder der Roboter verfügt über ein automatisches Planungssystem, welches in der Lage ist, einen aktuellen Startzustand Schritt für Schritt in einen vorgegebenen Zielzustand zu überführen. Mithilfe von Verfahren zum Maschinellen Lernen kann sich der Roboter mit der Zeit eine Wissensbasis aufbauen, in welche alle bisherigen \’Erfahrungen\‘ einfließen und auf die für künftige, neue Aufgaben zurückgegriffen werden kann. Sollte die eigene Wissensbasis zur Lösung einer neuen Aufgabenstellung nicht ausreichen, kann auf entsprechende Wissensquellen im Internet zurückgegriffen werden. Gerade für mobile Roboter sowie Roboter, die mit dem Menschen interagieren, sind darüber hinaus Verfahren zur Wahrnehmung, also der sensorischen Erfassung und Interpretation der sich verändernden Umwelt, notwendig.
Robotersysteme leisten wichtigen Beitrag
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Voraussetzungen für Industrie 4.0 auf der informationstechnischen Seite bereits ganz gut erfüllt sind. Bei der Übertragung dieser Ansätze in die physikalische Wirklichkeit leisten intelligente Robotersysteme aufgrund ihrer Flexibilität einen entscheidenden Beitrag. Werden beide Bereiche miteinander kombiniert, sind flexible Produktionsprinzipien möglich, in denen der Mensch von planerischen und \’handwerklichen\‘ Routine-Aufgaben entlastet wird, um seine Kreativität und Geschicklichkeit genau da einzubringen, wo die Maschinen versagen. Wie in den vorangegangen \’Updates\‘ auch, wird der Mensch auch bei \’Industrie 4.0\‘ seine Rolle nicht verlieren. Ganz im Gegenteil – Industrie 4.0 wird dazu beitragen, den Anteil der industriellen Produktion an der Wirtschaftsleistung in Europa wieder zu steigern und damit Arbeitsplätze zu sichern.
