Der Roboter ist der Verbindungsarm zwischen IT und Produktion

Industrie 4.0 oder „die vierte industrielle Revolution“ ist das derzeitige Megathema in der Industrie. Von der intelligenten Vernetzung von allen produktionsrelevanten Komponenten erwarten sich Unternehmen nicht nur hierzulande einen Quantensprung in Produktivität, Flexibilität und Effizienz und damit die Sicherung von Wettbewerbsvorteilen. Robotersysteme der neuen Generation spielen darin die Schlüsselrolle.
Von Dr. Christian Schlögel, CTO der KUKA AG.

Noch gibt es keine umfassenden Standards oder eine einheitliche Sichtweise auf die Industrie 4.0. Schlagworte wie „smart factory“, „smart production“ oder das „Internet der Dinge“ beschreiben nur den Zustand, wie die Fabrik der Zukunft aussehen könnte. Einig ist man sich darin, dass Industrie 4.0 ein wichtiges, wenn nicht gar entscheidendes Zukunftsfeld ist.

Es geht also um nichts Geringeres als die Zukunft des Industriestandortes Deutschland. Intelligente Produktionskonzepte für die Zukunft können nicht nur bestehende Arbeitsplätze hierzulande sichern, sondern sogar bis dato ausgelagerte Produktionskapazitäten zurückholen. Die Fabrik von morgen soll dafür ihre Produktionsprozesse selbst organisieren und kontinuierlich optimieren und damit einer weiteren Entwicklung vorbeugen: dem demografischen Wandel. Denn die rückläufigen Geburtenzahlen und die Überalterung der modernen Industriegesellschaften erfordern dringend neue Lösungen. Im Jahr 2030 werden von heute 100.000 Arbeitnehmern im produzierenden Gewerbe in Deutschland bis zu 20.000 im Ruhestand sein. Die verbleibenden 80.000 müssen dann deutlich produktiver sein als alle Generationen zuvor. In anderen Industrieländern ist die Situation vergleichbar. Ohne die „smart factory“ ist eine Produktivitätssteigerung in dieser Größenordnung bei gleichzeitiger Schonung der vorhandenen, natürlichen Ressourcen schlicht nicht realisierbar.

Der Weg zu einheitlichen Kommunikationsstandards

Um die Vision von Industrie 4.0 sukzessive Wirklichkeit werden zu lassen, müssen mittel- bis langfristig noch einige Herausforderungen gemeistert werden. Drei technologische Schwerpunkte hat das Thema: die Vernetzung von Cyber-Physical Systems, die Nutzung von Internet-Technologien als führende Infrastruktur und die smarte Nutzung von Daten. Die konsequente Umsetzung wird die Produktion und Logistik radikal verändern. Dafür müssen die IT-Welt und die Produktion z.B. weiter miteinander verschmelzen; noch vorhandene Barrieren zwischen digitaler und realer Welt eingerissen werden. Maschinen, intelligente Werkstücke oder andere Objekte, Systeme, Services, einzelne Fabriken oder die Cloud sollen langfristig problemlos miteinander kommunizieren können – auch in Echtzeit. Anlagen sollten in der Lage sein, im Produktionsprozess selbstständig und schnell auf Kundenwünsche, die Verfügbarkeit von Ressourcen oder Energiepreise zu reagieren. Dafür bedarf es eines neuen, globalen, leistungs- und echtzeitfähigen Kommunikationsstandards. Denn die die großen Chancen der Fabrik der Zukunft liegen in der intelligenten Verbindung führender Mechanik-Kompetenz mit den heutigen Möglichkeiten der IT.

KUKA hat als aktives Mitglied der Plattform 4.0 im März 2015 eine Initiative gestartet, um den sich abzeichnenden Kommunikationsstandard OPC UA (IEC 62541) für den Maschinenbau um die wichtige Echtzeit-Eigenschaft zu erweitern. Die Initiative wird von mehreren Verbänden und Unternehmen unterstützt, u.a. von Bosch Rexroth, Deutsche Telekom, Festo, Trumpf oder HARTING. Da Industrie 4.0 im Zentrum der KUKA Strategie steht, werden wir auch dem Industrial Internet Consortium (IIC) beitreten. Das IIC ist eine offene, internationale Non-Profit-Organisation, die das Internet der Dinge als ihren Tätigkeitsschwerpunkt ansieht. Für KUKA ist die Teilnahme eine ideale Ergänzung zum eigenen Engagement: Außerdem kann uns das IIC als Plattform dienen, um die in Deutschland erarbeiteten Standards auch international bekannt zu machen. Aber auch andernorts gibt es Bewegung: Der VDI Verein Deutscher Ingenieure wird bis Herbst 2015 im Auftrag der Bundesregierung die Geschäftsstelle der neuen „Plattform Industrie 4.0 – Made in Germany“ einrichten, die Standards und Normen parallel zur technischen Entwicklung erarbeiten wird. Die Bundesregierung hat die Bedeutung von Industrie 4.0 für den Standort Deutschland erkannt und zur Chefsache erklärt. Es ist davon auszugehen, dass mit den neuen Initiativen der Weg zu einheitlichen Kommunikationsstandards nun forciert beschritten wird.

„Cloud in a box“ als erster Schritt hin zur „smart factory“

Der erste Quantensprung in der Produktivität kann jedoch schon heute erreicht werden, wenn die Idee der der globalen Vernetzung vorerst in einem definierten Umfeld umgesetzt wird; quasi als „Cloud in a box“. Realistisch ist dies sowohl für eine oder mehrere Fabriken als auch für ein ganzes Unternehmen oder einen Unternehmensverbund. Wenn es gelingt, die diversen Produktivsysteme mit flexiblen Schnittstellen durchgängig zu vernetzen und um IT-Technologien wie Cloud oder Big Data zu erweitern, ist der erste Schritt zur „smart factory“ bereits getan. KUKA bietet dafür schon heute alle nötigen Komponenten: die Einbindung der Software von Dritten, eine modulare Steuerungsarchitektur für höchste Skalierbarkeit, die Unterstützung international anerkannter Standards, eine maximale Interoperabilität dank Mainstream-IT, eine umfangreiche Software-Bibliothek für Entwickler sowie eine gemeinsame Datenbasis für höchste Flexibilität.

Warum Roboter die vierte industrielle Revolution anführen

Egal, welche Normen am Ende dieses Prozesses erarbeitet werden, sicher ist schon jetzt: Der Roboter wird bei Industrie 4.0 die Schlüsselrolle spielen. Als das flexibelste Produktionselement sammelt er bereits heute die Daten in der Produktion und liefert sie an das IT-System. Er ist der Arm der IT in die Produktion, das Verbindungsglied. Zukünftig wird die IT diese Daten verarbeiten und über den Roboter zurück an die Produktion geben, die sich dann auf deren Basis sukzessive optimieren kann. Keine andere Komponente im Produktionsprozess ist derzeit in der Lage, diese tragende Rolle so gut auszufüllen wie moderne Robotersysteme. KUKA hat bereits in den 1990er Jahren erkannt, dass Schnittstellen auf Basis von Mainstream-IT-Technologien unverzichtbar sein werden, um mit hoher Flexibilität auf die Wünsche der Industrie reagieren und digitale Steuerungen unterschiedlicher Systeme effizient miteinander vernetzen zu können. Das Gebot der Stunde ist die offene Kommunikation und einfache Integration – ausgerichtet auf die Cloud und ihre potenziellen Services. Das macht KUKA Roboter zu Allroundern für smarte, vernetzte Produkte und Lösungen, die in absehbarer Zeit Automatisierungslösungen mit Dienstleistungen und Datenbanken verbinden werden. Dennoch bleibt die rein roboterbetriebene Fabrik eine Illusion; es wird sie auch in der „smart production“ von morgen nicht geben. Der Mensch bleibt im Mittelpunkt, der Roboter wird primär als sein Diener und Helfer in der Fabrikhalle agieren und ihn bei den sich permanent wandelnden Tätigkeiten jederzeit tatkräftig unterstützen. Der Mensch kann dann seiner Arbeit noch effizienter, konzentrierter, präziser und ergonomischer nachgehen.

Im Fokus: autonome Kooperation von technischen Systemen

Damit Roboter diese sehr anspruchsvolle Aufgabe wahrnehmen können, werden sie kontinuierlich weiterentwickelt. Herausforderungen gibt es dabei für Hersteller auf verschiedenen Ebenen: die Sensitivität der mechanischen Teile, die Einbindung von Vision, sprich der Sehfähigkeit des Roboters, mit schneller Objekterkennung im Raum, die autonome Navigation – in Verbindung mit der Datenwelt und der Konnektivität. Hinzu kommen neue Usability-Konzepte, um die Roboternutzung neuen Anwendergruppen zugänglich zu machen. All diese Fähigkeiten sind wichtige Bausteine, um eine autonome Kooperation von technischen Systemen auf breiter Basis ein einigen Jahren zu ermöglichen.

Wenn Kollege Roboter mit dem Menschen eng zusammenarbeitet

Bis vor kurzem war die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter noch beschränkt. Kollege Roboter stand im abgesicherten Schutzraum auf Distanz, überwacht vom Menschen. Das wird sich schon kurzfristig grundlegend ändern. Mit dem LBR iiwa (intelligent industrial work assistent) hat KUKA den Grundstein für eine völlig neue Arbeitsbeziehung zwischen Mensch und Roboter gelegt. Dank sensitiver Technik ermöglicht der LBR iiwa erstmals eine reibungslose Mensch-Roboter-Kollaboration, da er seine Handlung exakt auf den Menschen abstimmt. Und wo kein Zaun die Spielräume mehr einengt, eröffnen sich ganz neue, flexiblere und effizientere Produktionsprozesse. Kurz: der Roboter wird universell einsetzbar, da er in der Lage ist, ohne Visionssysteme und komplexe Greifer z.B. Gummistopfen zu setzen, biegeschlaffe Teile zu montieren oder Werkstücke präzise zu justieren. Als Komponente der „smart factory“ ist der LBR iiwa sogar in der Lage, von seinem menschlichen Kollegen zu lernen. Angebunden an die Cloud, kann er die Ergebnisse seiner Arbeit selbstständig überprüfen, optimieren und dokumentieren. Die Rückmeldung, die der Roboter in den vernetzten Datentransfer gibt, sorgt zudem für maximale Transparenz innerhalb der Produktionsprozesse.

Der Roboter wird mobil

Für die nachhaltige Flexibilisierung der Produktion reicht die Mensch-Roboter-Kollaboration alleine nicht aus. Roboter müssen zudem mobil einsetzbar sein statt wie bisher zumeist fixiert an einem festen Platz. Auf mobilen Plattformen bewegen sich Roboter z.B. selbstständig, um Waren zu transportieren oder Werkstücke zu bearbeiten. Sie richten sich millimetergenau am Werkstück aus oder drehen Abläufe um, indem sie zum Werkstück gehen statt umgekehrt. KUKA hat dafür ein ganzes Spektrum an Lösungen entwickelt – von verfahrbaren Leichtbaurobotern bis hin zu völlig autonom agierenden Systemen. Gerade in der Logistik und speziell in der Lagerhaltung werden sich neue Einsatzmöglichkeiten ergeben – getrieben durch wachsenden E-Commerce. Doch auch der Einsatz mobiler Roboter im Büro, im Service oder in Krankenhäusern ist durchaus realistisch.

In Fabrikhallen bewegen sich die mobilen Roboter dank moderner Navigationssoftware schon heute gänzlich ohne Bodenmarkierungen, Induktionsschleifen oder Magnete. Mehr noch: die mobilen Plattformen von KUKA erstellen Karten ihrer Umgebung und können diese anderen Einheiten zur Verfügung stellen. Dadurch entsteht ein gemeinsamer Fahr- und Wegeplan, in dem alle Roboterbewegungen aufeinander abgestimmt sind. Ändert sich das Produktionsumfeld in der Halle oder Fabrik, passen sich die Roboter in kürzester Zeit flexibel den neuen Gegebenheiten an. Langfristig ist es auch durchaus möglich, dass der Mitarbeiter morgens in die Fabrik kommt und seinen Roboter mit an den Arbeitsplatz nimmt – genau so wie Büroangestellte ihren mobilen Arbeitsplatz.

Ziel ist das „Internet of Automation“

Bereits heute ist KUKA in der Lage, die von Industrie 4.0 geforderte Vernetzung von Produktion und digitaler Welt umzusetzen. Längst werden automatisierte Produktionsanlagen weltweit realisiert. Das „Internet of Robotics“ existiert schon. Allerdings sind diese hocheffizienten, flexiblen Anlagen bis heute spezifische Einzellösungen, die an die jeweiligen Kundenbedürfnisse individuell angepasst sind. Wenn es der Industrie gelingt, offene Kommunikations- und Datenstandards zu definieren und weltweit zu etablieren, werden Produktionsprozesse auch weit über das Fabriktor hinaus interoperabel werden. Erst dann entsteht das „Internet of Automation“ – eine Cloud-Lösung, die das volle Potenzial aus der Kombination von durchgehenden Produktionsdaten, neuartigen Fertigungsprozessen, flexibler Vernetzung und reaktiven Komponenten ausschöpft. Das wäre der endgültige Durchbruch zu smarten Fertigungslösungen. Ein konkretes Beispiel: Ein automatisch lernendes System analysiert Orderdaten und Energiepreisschwankungen, identifiziert Spielräume in der Produktionsauslastung und optimiert im Produktionsprozess autonom die Fertigungsreihenfolge von Produkten hinsichtlich des Energieverbrauchs bei der Herstellung. Das „Internet of Automation“ kann also nicht nur die Produktivität steigern, sondern auch Ressourcen schonen und so das Ziel des nachhaltigen Wirtschaftens unterstützen.

Offene Vernetzung und Kollaboration sind der Kern der Idee von Industrie 4.0. Dieser Paradigmenwandel wird von KUKA bereits heute gelebt und bewusst vorangetrieben. Denn der Roboter spielt die Schlüsselrolle in der Fabrik der Zukunft. Mit deren Realisierung werden die Industrienationen – allen voran Deutschland – ihre Wettbewerbsfähigkeit ausbauen und gleichzeitig dem demografischen Wandel entgegenwirken. Industrie 4.0 ist daher weder ein Big Bang noch ein inhaltsleerer Modebegriff, sondern ein nachhaltiges Investment in unsere Zukunft.

Dr. Christian Schlögel
Dr. Christian Schlögel ist CTO der KUKA AG und Mitglied der Geschäfstführung KUKA Roboter GmbH.

Kontakt:
Dr. Christian Schlögel
Zugspitzstraße 140
86165 Augsburg
Tel.: +49 821 797 – 0

E-Mail: Sales.Robotics.DE@kuka.com
Web: www.kuka-robotics.com