Automatisierung hautnah

Die Anforderungen an Ingenieure verändern sich rasant – und mit ihnen die Lehre. An der TH Köln können Studierende moderne Produktionsprozesse daher nicht nur theoretisch verstehen, sondern mit einem Industrie-4.0-Demonstrator auch praktisch erleben. Möglich wurde dies durch die Unterstützung engagierter Industriepartner wie der MK Technology Group, die kostengünstig Fördertechnik bereitstellte und mit technischem Knowhow zur Realisierung beitrug.

Demonstrator simuliert Pick&Place-Prozess

Beim Demonstrator handelt es sich um einen kompakten Tisch, 900mm breit und 1.200mm lang, der sich auf Rollen von Hörsaal zu Hörsaal schieben lässt. Auf diesem Tisch ist ein geschlossener Kreisprozess installiert, wie er auch in einer realen Produktionsumgebung zum Einsatz kommt. Das zentrale Element ist ein Gelenkarmroboter, der eine Pick&Place-Aufgabe übernimmt: Er greift nacheinander zwei Scheiben mit Durchmessern von 100 und 150mm und stapelt diese auf einem Förderband übereinander. Hier startet die Förderstrecke. Am Ende dieses Förderbandes wird der Stapel auf eine zweite Förderstrecke überführt, die im rechten Winkel verläuft. Über diesem zweiten Förderband ist eine Kamera montiert. Sie prüft, wie präzise die Scheiben übereinander liegen. Das IT-System klassifiziert die Stapel dann in gute und schlechte Exemplare. Nach dieser Qualitätsprüfung erfolgt eine zweite Umlenkung des Stapels um 90° auf ein drittes Förderband, das auf die andere Seite des Roboters zuläuft. Auf diesem Band trennt ein Abstreifer die Scheiben wieder voneinander. Am Ende der Förderstrecke kann der Roboter die vereinzelten Scheiben dann wieder aufnehmen. Der Prozess beginnt von vorn.

Zentrale Konzepte praktisch erleben

Der neue Demonstrator an der TH Köln schafft es, Studierende mit Konzepten von Industrie 4.0 vertraut zu machen. „Dafür sind nicht nur alle wesentlichen physischen Prozesse der Automatisierungstechnik abgedeckt – sprich Handhabung, Materialtransport und Qualitätsprüfung“, sagt Yannick Liebertz, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für Fertigungssysteme Köln der TH Köln. Das System mache es auch möglich, Produktionsprozesse in Echtzeit zu analysieren und zu optimieren. Alle Komponenten, von Roboter, über Förderbänder bis Kamera, sind vernetzt, sodass das IT-System z.B. Taktzeiten, Gut-Schlecht-Anteile und Verfügbarkeiten in Relation setzen kann, um daraus Erkenntnisse für eine Verbesserung abzuleiten. So ließe sich etwa erkennen, wenn die Produktionsgeschwindigkeit über ein sinnvolles Maß gesteigert würde, mit dem Ergebnis, dass die Produktqualität, also die Genauigkeit des Stapels, abnimmt. „Durch die direkte Beobachtung und Analyse der Prozessdaten können zentrale Konzepte wie die Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness) nicht nur theoretisch vermittelt, sondern auch praktisch erlebt werden.“ Langfristig sei daher geplant, den Demonstrator auch für Projektarbeiten, Abschlussarbeiten sowie interdisziplinäre Lehrformate zu nutzen.

Kompakt, mobil und flexibel erweiterbar

Der Demonstrator sollte so platzsparend und so leicht wie möglich sein, damit ihn eine Person von Hörsaal zu Hörsaal schieben kann. Der Rebel von Igus erwies sich hier als die richtige Wahl. Da der Cobot aus Kunststoff gefertigt ist, bringt er nur 8kg auf die Waage. Zudem wurde der Tisch mit modularen Aluminiumprofilen gebaut, die sich für leichte Maschinengestelle, Schutzeinrichtungen und Montagearbeitsplätze eignen. Auf dem Tisch sind zudem drei Gurtförderer GUF-P Mini montiert, die insbesondere für den Transport und das Vereinzeln von kleinen und leichten Fördergütern entwickelt wurde. Mit Breiten von 50 bis 300mm, Längen von 350 bis 3.000mm und einer Einbauhöhe von nur 35mm bieten die Förderer flexible Einsatzmöglichkeiten in beengten Einbausituationen.

Eine übergeordnete SPS übernimmt dabei die Synchronisation der Bewegungsabläufe, sodass ein reibungsloser Ablauf zwischen der Förderstrecke und der Pick&Place Aufgabe des Roboters gewährleistet ist. Wenn der Rebel die vereinzelten Scheiben aufnimmt, stellt die Steuerung z.B. sicher, dass die Förderbänder am Streckenauslauf abbremsen und sich die Scheiben in einem Prisma zentrieren. Somit findet der Roboter stets ein stabiles und reproduzierbares Übergabefenster vor, ohne durch zu schnelle Bewegungen der Bänder gestört zu werden. Die Steuerung macht es zudem möglich, verschiedene Ablaufvarianten zu testen und gezielt Prozessparameter zu verändern, was für die Lehre und Analyse besonders wertvoll ist.

Aufgrund der offenen Struktur und modularen Bauweise könne man das System in Zukunft zudem flexibel und nachhaltig erweitern: etwa durch nachrüstbare Industrie-4.0-Komponenten, weitere Kamerasysteme oder den Einsatz von KI um z.B. das Greifen der Scheiben in der Bewegung zu ermöglichen, ohne die Fördertechnik zu stoppen. Auch komplexe Szenarien ließen sich dadurch praxisnah untersuchen, etwa die Analyse der Stabilität von Stapeln bei variierender Kurvengeschwindigkeit und Reibung. So könnte ermittelt werden, wie genau und schnell man werden kann, um dennoch kostengünstig eine sehr hohe Prozesssicherheit zu erreichen. Die Plattform bietet damit nicht nur technisches Potential, sondern auch eine ideale Grundlage, um zentrale Kompetenzen in der modernen Automatisierung praxisorientiert zu vermitteln und weiterzuentwickeln.