Kollaborierende Systeme

Kollaborierende Systeme

Effizienter Materialfluss (für Losgröße 1) in Produktion und Logistik

In Anbetracht volatiler Märkte, von Handelskonflikten und epidemiologischen Ereignissen werden Flexibilität, Wandelbarkeit und losgrößenunabhängige Produktionssysteme zunehmend zu Schlüsselmerkmalen „wetterfester“ Unternehmensstrategien. Ansätze zur Effizienzsteigerung in der Logistik könnten daher in der Fragmentierung von Arbeitsprozessen liegen, bei denen autonome Roboter und Menschen in Koexistenz agieren und aktiv kollaborieren. Hierzu wurde am Institut für Fördertechnik und Logistik der Universität Stuttgart das System „Mobiler Supermarkt“ entwickelt.

1. Bedarfs­gesteuerte Materialzuführung zu einer mobilen Montageinsel mithilfe mobiler und semimobiler Komponenten (Quelle: IFT)
2. Prototyp des Mobilen Supermarktes, bestehend aus Mini-RBG, Schlepper-FTF und mobilen Regalmodulen (Quelle: IFT)
3. Visualisierung der Messdaten der Laserscanner: Umrisse sind in blau (Scanner 1) und grün (Scanner 2) dargestellt und werden in einer maximalen Entfernung von 25 m detektiert. (Quelle: IFT)
4. Akustische und visuelle Unterstützung der Mitarbeiter bei den kollaborativen Arbeitsprozessen;
a) Überwachung der Schutz- und Warnzone des Mini-RBG mit Lichtprojektion von visuellen Hinweisen am Boden
 b) Materialübergabe als Form der Mensch-Maschine-Interaktion. (Quelle: IFT)
5. Flexible Zugangsabsicherung für den An- und Abtransport von Regalmodulen per FTF am Mini-RBG (Quelle: IFT)
Bauernhansl, T.; Fechter, M.; Dietz, T. et al.: Entwicklung, Aufbau und Demonstration einer wandlungsfähigen (Fahrzeug-) Forschungsproduktion. Berlin, Heidelberg: Springer 2020.
Hofmann, M.: Intralogistikkomponenten für die Automobilproduktion ohne Band und Takt – erste Prototypen. Logistics Journal: Proceedings, Vol. 2018 (urn:nbn:de:0009-14-47616).

Die deutsche Wirtschaft, vor allem der Maschinen- und Anlagenbau, sieht sich derzeit mit Herausforderungen von bisher nie dagewesenem Ausmaß konfrontiert. Während für die Automobilproduzenten, deren Zulieferbetriebe und Fabrikausrüster bereits erste Auswirkungen eines strukturellen Wandels der Mobilitätsformen spürbar wurden, haben im Jahr 2020 Handelskonflikte und epidemiologische Ereignisse branchenübergreifend zu einem massiven Auftragsrückgang geführt. Neben einer ohnehin gegenwärtigen Volatilität der Märkte haben die zurückliegenden Ereignisse die Bedürfnisse nach effizienten, losgrößenunabhängigen Fertigungskonzepten erneut verstärkt. Für die OEM der Automobilbranche besteht jedoch bereits infolge des Fließbandprinzips eine Limitation der Fertigungsflexibilität und Skalierbarkeit [1]. Demgegenüber sind es in kleinen und mittelständischen Betrieben ohne Fließfertigung gerade die manuellen Prozesse in Montage und Logistik, die in Verbindung mit einem kurzen Planungsvorlauf einerseits Flexibilität schaffen, andererseits aber infolge hoher Personalbindung die Gestehungskosten treiben und damit die Gewinnmargen im internationalen Wettbewerb schrumpfen lassen. Gleichwohl war die Binnen- und Exportwirtschaft der vergangenen Jahre von starken Wachstumsquoten geprägt. Damit sich das generierte Wachstum jedoch nicht nur im Umsatz, sondern auch im betriebswirtschaftlichen Ergebnis niederschlägt, sind effiziente Prozesse gefordert. Der Druck, flexibel aber gleichzeitig effizient bei geringer Stückzahl zu produzieren, korreliert unmittelbar mit der Position des Unternehmens bzw. des Produktes innerhalb der Wertschöpfungskette und ist daher vor allem bei kleinen und mittleren Betrieben der Metall- und Elektroindustrie präsent. Angesichts kleiner Auftragslosgrößen auch bei Serienprodukten lassen sich Fixkosten, die mit der Einrichtung/Anpassung einer Produktion verbunden sind, nicht mehr über die Stückzahl kompensieren. Deshalb sind Maßnahmen zur Rationalisierung in Anbetracht des immensen Lohnkostengefälles im internationalen Vergleich dringend geboten, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Flexibilität und Wandelbarkeit sind Schlüsselmerkmale effizienter Fertigungsprozesse, auf die es die intralogistischen Prozesse jedoch zunächst auszurichten gilt. Die Produktionslogistik darf nicht Schranke, sondern muss innovativer Wegbereiter für die Wertschöpfung sein. Mit darauf abzielenden Fragestellungen befassen sich die Abteilungen Logistik sowie Maschinenentwicklung und Materialflussautomatisierung des Instituts für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stuttgart im übergreifenden Forschungsbereich „Produktionslogistik der Zukunft“.

Kostenfaktor Materialbereitstellung

Die Prozessstufen der Materialbereitstellungskette stehen im Fokus, wenn es gilt, die Abläufe in der Produktionslogistik und Montage effizienter zu gestalten. So sind vor allem die Kommissionierung und Zuführung von Bauteilen und Materialien bis an den Verbauort nach wie vor stark von manuellen Tätigkeiten geprägt. Infolge der notwendigen Personalbindung stellt dies signifikante Kostenfaktoren in sämtlichen Sparten des Maschinen- und Anlagenbaus, aber auch generell für das produzierende Gewerbe, dar. Als Konsequenz der Nachfrage und des darauf ausgerichteten Angebots an stark differenzierten individualisierten Produkten ergibt sich zwangsläufig eine große Teilevarianz, weshalb die innerbetrieblichen Logistikprozesse zunehmend komplexer und umfangreicher werden. Bereits hieraus resultiert ein dringender Bedarf zur Rationalisierung der produktionslogistischen Prozesse in all jenen Betrieben, wo aus einem großen Teilespektrum bedarfsgerecht die Bereitstellungssequenz für kleine Produktionslosgrößen gebildet werden muss.

Die Automatisierung des innerbetrieblichen Materialflusses mithilfe statischer Lagersysteme und Förderstrecken scheidet jedoch überall dort aus, wo Layoutflexibilität gefordert ist. Vollautomatisierte Lösungen erweisen sich indessen auch gerade dort als nur bedingt respektive nicht anwendbar, wenn ein hohes Maß an Flexibilität und Anpassungsfähigkeit in der Handhabung von Teilen gefordert ist. Der Mensch mit seinen empfindlichen Sinnen, kognitiven Fähigkeiten und seiner Bewegungsgeschicklichkeit ist bis dato der Automatisierung stets dort überlegen, wo ein schnelles, situatives Erfassungs- und Anpassungsvermögen erforderlich ist. Ansätze zur Effizienzsteigerung könnten daher in der Fragmentierung von Arbeitsprozessen mit teilautomatisierten Lösungen liegen, bei der autonom agierende Roboter und Menschen in Koexistenz agieren und aktiv kollaborieren. Dieser Intention folgend, beruht ein am IFT – erstinstanzlich mit Fokus Automobilproduktion – entwickeltes Konzept für eine flexible und wandelbare Produktionslogistik [2] auf einer ausgeprägten Mensch-Maschine-Interaktion (Bild 1).

Sequenzierung erst am Verbauort

Das am IFT entwickelte und als Funktionsprototyp bereits realisierte Materialbereitstellungssystem „Mobiler Supermarkt“ ist ein zentraler Bestandteil des Konzepts und speziell darauf ausgelegt, Bauteile mit hoher Verbauquote und Varianz ohne aufwändige Vorsequenzierung direkt an Montagearbeitsplätzen bereitzustellen. Insofern stellt der „Mobile Supermarkt“ eine Art kleinskaliges ortsbewegliches Automatisches Kleinteilelager (AKL) dar und wurde in Anlehnung an die aus dem automobilen Umfeld bekannten Logistik-Supermärkte benannt. Kernstück des Systems ist ein semimobiles Mini-Regalbediengerät (Bilder 1 und 2) zur Handhabung von Kleinladungsträgern mit maximal 30 kg Gesamtgewicht, die in mobilen Regalmodulen per Fahrerlosem Transportfahrzeug (FTF) an die Montageplätze transportiert werden. Das Mini-RBG ist so konzipiert, dass es Kleinladungsträger (KLT) mit dem Grundmaß 600 mm × 400 mm doppelttief ein- und auslagern kann, dabei aber nur einfachtief baut – mit einer Breite von 660 mm (Bild 2).

Während ein klassischer Logistik-Supermarkt eine der Produktion vorgelagerte Kommissionierzone darstellt, soll der Mobile Supermarkt vor allem direkt an Montagearbeitsplätzen zum Einsatz kommen. In den Regalmodulen befindet sich ein Teileportfolio, aus dem die Bauteilsequenz dem realen Bedarf vor Ort entsprechend gebildet wird. Das benötigte Material wird den Mitarbeitern automatisiert nach dem Ware-zum-Mann-Prinzip angereicht, so dass manuelle Umschlag- und Kommissionierprozesse sowie Fehlerquellen deutlich reduziert werden können. Dies kommt nicht nur in agilen Manufaktur- und Werkstattfertigungen zum Tragen, sondern vielmehr auch in der variantenreichen Serienproduktion mit Fließprinzip, wenn sich infolge unkalkulierbarer Ereignisse die Durchlaufsequenz der Werkstücke ändert. Das System ist deshalb geeignet, Flexibilität hinsichtlich der Materialbereitstellung zu erzielen, gleichzeitig aber auch durch die Mobilität der kleinskaligen Komponenten ein hohes Maß an Strukturflexibilität zu schaffen.

Sichere Kollaboration

Für die Etablierung eines derartigen Materialflusssystems in der Praxis sind jedoch innovative Sicherheits- und Bedienkonzepte für die sichere und intuitive Mensch-Maschine-Interaktion erforderlich. Sie dienen auch dazu, eine Interoperabilität auf Maschinenebene zu realisieren. So gilt es, den Anforderungen an ein möglichst offenes Anlagenlayout und eine hohe Umschlagleistung bei gleichzeitiger Gewährleistung der Personensicherheit uneingeschränkt gerecht zu werden. Dazu ist eine Gesamtbetrachtung der Anlagensteuerung sowie zugehöriger Sicherheits- und Bedienkonzeptionen zwingend erforderlich. Für die Kollaboration müssen sich Personen zwangsweise im Bewegungsbereich der Maschine bzw. in unmittelbarer Nähe dazu aufhalten (Bild 1). Bereits die Eckdaten des Mini-RBG mit einer Fahrgeschwindigkeit von bis zu 2 m/s und einer maximalen Nutzlast von 60 kg lassen erkennen, dass das Gefährdungspotenzial ungleich höher ist als bei bisher bekannten Kollaborationsrobotern [1].

Klassische Prinzipien der Absicherung mithilfe von Zäunen und Lichtgittern scheiden jedoch bereits wegen ihrer Immobilität und der geforderten Offenheit der Anlage aus. Zur Erfüllung der fundamentalen Anforderungen hinsichtlich der Personensicherheit werden zwei Sicherheitslaserscanner eingesetzt, die direkt am Mini-RBG verbaut sind, um die Mobilität der Maschine zu wahren.

Intuitive Bedienung

Um eine sichere Kollaboration mit flüssigen Arbeitsabläufen zu gestalten, ist Sicherheit stets auch im Kontext der Bedienung der Anlage zu sehen. Neben den Laserscannern kommen daher 3D-Kameras, optional implementierbare ortsauflösende Sicherheitsschaltmatten und diverse Interaktionsschnittstellen zum Einsatz. Schnittstellenfunktion übernehmen dabei auch die Laserscanner, indem deren Messdaten zur dynamischen Anpassung der Position für die Materialübergabe genutzt werden. Um unnötige Laufwege einzusparen, soll die Übergabeposition möglichst variabel sein. Die Person, die das Material benötigt, kann intuitiv durch die Laufbewegung die Stelle für den Übergabevorgang beeinflussen. Hierfür wird die Position der Person entlang der x-Achse des Mini-RBG von den Scannern detektiert (Bild 3).

In Abhängigkeit von den Betriebs- und Fahrzuständen wird eine dynamische Anpassung für die Zonierung der Warn- und Schutzfelder der Laserscanner vorgenommen. Diese dynamische Anpassung ist letztlich zwingend erforderlich, um eine Kollaboration für die Materialübergabe zu realisieren. Dabei wird zwischen Fahrbewegungen, die der Be- und Entladung der Regale dienen, und dem eigentlichen Übergabeprozess differenziert. Für das finale Anreichen des KLT ist lediglich die z-Achse (Teleskoptisch) aktiv, so dass die Gefahr des Quetschens und Scherens infolge Fahrbewegungen der x- und y-Achse hier nicht gegeben ist und nur ein reduziertes Schutzfeld erforderlich ist. Stehen letztlich alle Achsen still, wird den Mitarbeitern akustisch und/oder visuell signalisiert, dass die Materialentnahme vom Teleskoptisch des RBG möglich ist. Damit die Übergabe in ergonomischer Griffhöhe möglich ist, bezieht das Mini-RBG personenbezogene Tag-Informationen zur Steuerung der y-Achsenposition. Während der Materialübergabe ist lediglich ein Warnfeld der Laserscanner aktiv. Das Betreten und Verlassen dieses Warnfeldes ist aktiver Bestandteil für die Detektion der Beendigung der Materialübergabe. Das Verlassen des Warnfeldes stellt den Trigger für die anschließende Umschaltung der Zonenkonfiguration an den Laserscannern auf Schutzfeld dar, so dass ein automatischer Anlauf des Mini-RBG für den nachfolgenden Fahrauftrag möglich ist.

Während die Möglichkeiten des Eingriffs der Benutzer für die Bedienung der Abläufe entscheidend sind, kommt der zielgerichteten Information von Seiten der Maschine an die Personen in der Umgebung eine ebenso große Bedeutung zu. Dies ist vor allem unter dem Aspekt zu sehen, dass im Sinne einer effizienten Kollaboration Missverständnisse und gefahrbringende Situationen präventiv zu vermeiden sind. Insofern zielt das entwickelte Konzept für die sichere Mensch-Maschine-Interaktion auch darauf ab, die Benutzer sowie die in der Umgebung befindlichen Personen über die bevorstehenden Aktionen und Betriebszustände der Maschine zu informieren (Bild 4). Ziel dabei ist, dass die Zusammenarbeit mit der Maschine von Verlässlichkeit geprägt ist, d. h. Eindeutigkeit und Vorhersehbarkeit der Situationen. Nur so kann letztlich das für eine gelingende Kollaboration mit autonom agierenden Maschinen erforderliche Vertrauen beim Menschen geschaffen werden.

Absicherung über „Shared Safety“

Ein in den Betriebsabläufen des Mobilen Supermarktes besonders sensibler Vorgang, der ein gesteigertes Maß an Kommunikation und Interaktion erfordert – sowohl die Mensch-zu-Maschine-Kommunikation als auch die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation betreffend –, ist der An- und Abtransport der mobilen Regalmodule per FTF. Die regalseitigen Zugänge zum Aktionsbereich des Mini-RBG sind grundsätzlich dem Gefahrenbereich zuzuordnen, so dass sich die Schutzfelder auch auf diese Bereiche erstrecken. Gleichzeitig liegen diese Bereiche aber im Fahrkorridor der FTF. Um die Regale verfahren zu können, ohne eine Verletzung der Schutzfelder und damit einen Nothalt der Anlage herbeizuführen, müssen die Schutzfelder partiell deaktiviert werden. Gleichwohl muss die Personensicherheit auch in dieser Betriebsphase gewährleistet bleiben. Um diese zunächst konträren Belange in Einklang zu bringen, bedarf es einer flexiblen Zugangsabsicherung mithilfe einer „Shared Safety“-Funktion zwischen den in diesem Moment am Gesamtprozess beteiligten Komponenten. Das bedeutet, dass die Sicherheitsfunktionen des FTF, das ein Regal aktuell an- respektive abtransportiert, mit denen des Mini-RBG intelligent verknüpft werden. Insofern dient in dieser Betriebsphase des Mobilen Supermarktes die Vorfeldüberwachung des FTF nicht nur zur Sicherstellung, dass sich niemand in dessen Fahrweg befindet, sondern gleichzeitig auch zur Überwachung des Zugangs zum Aktionsbereich des Mini-RBG (Bild 5).

Eine Besonderheit besteht darin, dass sich die Grenzen der Maschinen für deren Interaktion nicht nur im Sinne der Sicherheitsbetrachtung flexibel ändern und dies in formeller und normativer Hinsicht komplexe Anforderungen birgt, sondern auch die temporäre Verknüpfung der Sicherheits- und Maschinensteuerungen mehrerer Betriebsmittel bedingt. Am IFT sind derzeit mehrere Forschungsprojekte in Bearbeitung, die sich der Umsetzung dieser Ziele widmen. Die daraus hervorgehenden Ergebnisse werden an Prototypen in einem realen Versuchsumfeld am Stuttgarter Forschungscampus „ARENA2036“ validiert.

Technische Logistik 12/2020 PDF-Download (1.72 MB) Autor: Dipl.-Ing. Matthias Hofmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) der Universität Stuttgart