Ein wichtiger Faktor für die verstärkte Automatisierung der Qualitätssicherung ist nach Ansicht aller Experten auch der Fachkräftemangel: „Der Fachkräftemangel führt dazu, dass Unternehmen vermehrt auf digitale Lösungen und Automatisierung setzen, um die Effizienz und Präzision zu steigern“, stellt Dr. Sven Schmidt-Rohr fest, CEO von Artiminds, einem Karlsruher Start-up, das Software entwickelt, die die Roboter-Programmierung erleichtert und vereinfacht. „Der Einsatz von Robotern in der Qualitätssicherung ist eine direkte Folge des Fachkräftemangels“, sagt auch Andrea Alboni, General Manager Western Europe bei Universal Robots. „Viele Unternehmen teilen uns mit, dass das Halten oder auch die Zunahme von Produktionskapazitäten bei gleichbleibend hoher Qualität ohne die Automatisierung in der Qualitätssicherung nicht zu gewährleisten ist.“
„Der starke Einsatz von Robotern in der Qualitätssicherung wird ganz klar getrieben durch die Automatisierung in der Produktion“, nennt Dr. Kai-Udo Modrich, Leiter Inline Inspection & Metrology bei Zeiss, einen weiteren Grund. „Seit gut zehn Jahren wandert die Messtechnik zunehmend aus dem Messraum in die Fertigungslinie, um dort Daten zu generieren, die helfen, die Regelkreise in der Produktion zu etablieren. Bildverarbeitung und Roboter sind wichtige Werkzeuge für die Digitalisierung der Fertigung.“ Modrich beobachtet, dass vor allem bei der Planung neuer Produktionslinien die Messtechnikhersteller schon früh mit ins Boot geholt werden: „Die Frage an uns lautet immer: Können wir die Mess- und Prüftechnik in die Linie integrieren? Oder müssen wir die Aufgaben mit Mikroskopen oder CT außerhalb der Linie erledigen?“
Dirk Klenner, Business Development Sales Automation bei Hexagon Manufacturing Intelligence, bestätigt diese Einschätzung: „Die Nachfrage nach automatisierter Mess- und Scantechnologie hat in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen. Viele Unternehmen wollen Prozesse schneller und nutzerunabhängiger gestalten. Dabei haben viele Bediener einer Automation heute gar keine Kenntnisse über die Messtechnik und können auch keine Roboter programmieren. Die gute Nachricht ist: Dank der Nutzerfreundlichkeit moderner Systeme brauchen sie diese auch nicht.“
„Insbesondere die robotergestützte Vermessung von großen Bauteilen und die robotergestützte Bildverarbeitung zur Kontrolle von Oberflächen haben in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen“, stellt Viktor Mirkovic, Sales Engineer EMEA – Automated Quality Control bei Creaform, fest. Artiminds-CEO Schmidt-Rohr berichtet ebenfalls vom Trend der 100-Prozent-Vermessung der Oberflächenqualität. „Ein weiterer neuer Ansatz ist der Einsatz von Automatisierung in Klimakammern, um die Lebensdauer von mechatronischen Systemen unter Grenzbedingungen zu prüfen.“
„Insgesamt kann man sagen, dass der Fokus bei der Automatisierung in der Qualitätssicherung in den letzten Jahren auf der Automatisierung komplexer Prüfaufgaben und der Nutzung von fortgeschrittenen Technologien liegt“, so Mirkovic. „Es wird vermehrt versucht, auch komplexere und anspruchsvollere Prüfaufgaben zu automatisieren. Dazu gehören beispielsweise die automatische Erkennung von Form- und Lageabweichungen, die Prüfung von Bauteilen auf Funktionalität und die Überwachung von Prozessen in Echtzeit. Dabei kommen auch vermehrt Technologien wie künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Bildverarbeitung zum Einsatz, um automatisierte Systeme zu entwickeln, die in der Lage sind, komplexe Prüfaufgaben zu lösen.“
Muss der Roboter mit Sensor selbst präzise sein?
Bei Inline-Messaufgaben setzt sich das Messen mit dem Roboter, der einen optischen Sensor trägt, immer mehr durch. Doch welche Anforderungen muss der Roboter dafür erfüllen? „In der Qualitätssicherung ist die absolute Genauigkeit ein besonders wichtiger Faktor, insbesondere, wenn keine externe Referenzierung möglich ist. Dies bedeutet, dass Roboter sehr präzise sein müssen, um eine hohe Qualität und Konsistenz bei der Messung und Überprüfung von Teilen sicherzustellen“, betont Artiminds-CEO Schmidt-Rohr. Creaform-Experte Mirkovic präzisiert: „Die Präzision und Genauigkeit des Messsystems hängen in keiner Weise vom Roboter ab. Vielmehr wird die Genauigkeit durch das Tracking-System erreicht, das Bauteile und Scanner im Raum trackt. Die Genauigkeit wird ausschließlich durch das Verhältnis dieser drei Komponenten zueinander definiert. Daher ist es wichtig, dass das Tracking-System eine hohe Genauigkeit und Präzision aufweist, um genaue Messungen zu gewährleisten.“
„An die eingesetzten Roboter stellt die Messtechnik keine besondere Anforderung. Die Sensoren sind relativ leicht und die Präzision der Messung wird ausschließlich über unsere absolut messenden Absolute Tracker sichergestellt, der Roboter hat darauf keinen Einfluss“, bestätigt auch Hexagon-Experte Klenner. „Mit Tracking-Systemen adaptieren wir im Grunde die Kinematiken der Koordinatenmessgeräte auf die Roboter“, erklärt Zeiss-Manager Modrich. „Tracking-Systeme beobachten den sogenannten Tool Center Point, an dem die kinematischen Bewegungen des Robotersystems ausgeführt werden. Der TCP wird als Referenzpunkt für die Bewegung des Roboters verwendet, um sicherzustellen, dass der Sensor in der richtigen Ausrichtung und Position bleibt, während er sich bewegt. Der Tool Center Point lässt sich damit auch im Mikrometer-Bereich sicher erkennen – ist somit machen wir den Roboter für die Messtechnik genau.“
Doch nicht nur in der Linie, sondern auch bei der Atline- sowie bei der Messtechnik im Messraum kommen immer mehr Roboter zum Einsatz. „Im Segment der Qualitätssicherung bleibt das Teilehandling ein zentraler Aspekt, bei dem Roboter beispielsweise dazu genutzt werden, produzierte Elemente in eine Prüfeinrichtung zu positionieren und sie danach nach IO/NIO-Kriterien zu sortieren“, sagt Jens Riegger, CEO des Konstanzer Roboter-Startups Fruitcore Robotics. „Ziel der Automatisierung atline und im Messraum ist es, die Messmaschinen so stark wie möglich auszulasten“, so Modrich. „Dabei können Roboter helfen, aber auch automatisierte Beladesysteme und Handlingsysteme werden stark nachgefragt.“ Auch Cobots können seiner Meinung nach in diesem Bereich Messaufgaben unterstützen, indem sie Teile zum Beispiel auf dem Messgerät aufspannen.
Cobots gehören ebenso wie die Low Cost Robotik zu den Entwicklungen, welche dem Automationsmarkt generell einen Wachstumsschub verpasst haben. Doch profitiert davon auch die Qualitätssicherung? „Insbesondere der Messraum profitiert von Cobots und Low Cost Robotik, weil beides flexibel, einfach zu bedienen und jederzeit für kurzfristig neue Messaufgaben einsetzbar ist“, sagt Axel Binder, Director Global Engineered Solutions bei Mahr. „Durch den Einsatz von Low-Cost-Robotik und Cobots können insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen, die oft begrenzte Ressourcen haben, die Automatisierung in der Qualitätssicherung schrittweise und kosteneffizient umsetzen, ohne dabei hohe Investitionskosten zu tragen“, so Mirkovic, Creaform. Der kanadische Messtechnikhersteller setzt Cobots in Kombination mit seinem tragbaren 3D-Scanner Metrascan-R ein – hauptsächlich für Anwendungen, bei denen eine standortflexible Lösung für kleinere Bauteile gefragt ist. „Hierbei sehen wir den großen Vorteil, dass der Cobot ohne Sicherheitsumhausung eingesetzt werden kann“, so Mirkovic.
Schmidt-Rohr, Artiminds, sieht einen weiteren Vorteil: „Die Programmierung von Robotern war in der Vergangenheit oft eine separate Domäne, die ein hohes Maß an Expertenwissen erforderte. Mit Low Cost Robotik und Cobots können Messtechniker auf einfache Programmiermethoden zurückgreifen, um roboterbasierte Mess- und Prüfaufgaben zu automatisieren, ohne spezielle Programmierkenntnisse zu benötigen.“
Cobots senken die
Hemmschschwelle
Mahr hat in Kundenprojekten bereits Erfahrungen mit Cobots im Messraum bei der automatischen Beladung von Messplätzen gesammelt. „Der große Vorteil von Cobots ist die geringe Hemmschwelle zur flexiblen, individuellen Nutzung“, stellt Binder fest. „Allerdings spielen sie aktuell noch keine große Rolle. Das wird sich aber ändern, denn der Fachkräftemangel und Notwendigkeit von Produktivitätssteigerung auch im Messraum werden das Thema treiben.“ Er stellt jedoch klar: „Cobots habe ihren Platz im Messraum, Industrieroboter in der Fertigung bei Inline-Messungen. Das sind zwei vollkommen unterschiedliche Automationsansätze.“
Andrea Alboni, Universal Robots, sieht im „Einsatz von kostengünstigeren und intuitiv zu programmierenden Cobots für viele Unternehmen einen echten Game Changer“. Der Anspruch von Universal Robots war es nach seiner Darstellung „von Anfang an, die Hemmschwellen für den Einsatz von Cobots so gering wie möglich zu halten – die intuitive Programmier- und Bedienbarkeit sind dafür der ausschlaggebendste Faktor. Während früher gerade die Inbetriebnahme zeitaufwendig war, ist das heute teilweise innerhalb weniger Stunden im laufenden Betrieb möglich und Programmierkenntnisse dank intuitiv zu bedienender Softwares nicht mehr erforderlich.“
Artiminds-CEO Schmidt-Rohr verweist aber darauf, dass „der Trend der leichteren Programmierung nun auch auf Industrieroboter überschwappt und entsprechende Tools und Softwarelösungen entwickelt werden, um die Einstiegshürde zu senken“. Als Beispiele nennt er die beiden Low-Code-Software-Lösungen RPS und LAR von Artiminds mit modernen Bedienoberflächen und Programmierwerkzeugen.
Auch Mahr-Manager Binder stellt fest, dass „die leichte, intuitive Programmierbarkeit auch bei Industrierobotern generell gegeben ist. Aber meist werden Industrieroboter in sehr komplexe Aufgaben mit absolutem Ausreizen einer Taktzeit eingebunden. Die Anwendung fordert hier eine komplexere Programmierung mit erweiterten Programmierkenntnissen.“
Roboterhersteller Fruitcore betont, dass „eine nutzerfreundliche Programmierung keineswegs nur bei Cobots möglich, sondern auch bei anderen Roboterherstellern längst üblich ist: „Unsere Bediensoftware Horst-FX ermöglicht es sowohl Robotik-Experten als auch -Neulingen, das Gesamtsystem zu programmieren und die Ablauflogik zu erstellen – entweder textuell oder grafisch“, erklärt CEO Riegger. Cobots machen für ihn „nur dann Sinn, wenn Mensch und Roboter definitiv denselben Arbeitsraum teilen. Beim Handling von spitzen, scharfkantigen oder auf andere Weise gefährlichen Teilen ist diese Zusammenarbeit jedoch nicht oder höchstens teilweise möglich, da eine Gefährdung nicht ausgeschlossen werden kann. Weitaus geeigneter für Anwendungen in der Qualitätssicherung sind Robotersysteme, die genau die technischen Eigenschaften bereitstellen, die dort auch benötigt werden: Ein leistungsstarkes Robotersystem mit allen Hardware- und Software-Schnittstellen, das eine Qualitätsprüfung so schnell und einfach wie möglich umsetzt. Nicht mehr und nicht weniger.“
Diese Meinung vertritt auch Zeiss-Manager Modrich: „Attraktiv scheinen Cobots vor allem deshalb, weil sie so wenig Platz beanspruchen; sie müssen ja nicht eingehaust werden. Doch Cobots haben mehrere große Nachteile im Vergleich zu Industrierobotern: Ihnen fehlen die Präzision und die Wiederholgenauigkeit, die wir für die Messtechnik benötigen. Und zudem fehlt ihnen die Geschwindigkeit, die für das Messen in der Linie notwendig ist. Da wird der Cobot zum Flaschenhals.“ Auch für ihn lohnt sich der Einsatz von Cobots nur dann, „wenn Mensch und Maschine wirklich zusammenarbeiten. Ein Cobot kann zum Beispiel Messaufgaben unterstützen, indem er Teile auf dem Messgerät aufspannt. Solche Anwendungen entstehen aber gerade erst. Ein Ersatz für Industrieroboter ist ein Cobot definitiv nicht.“
Auch Low Cost Robotic muss
robust und präzise sein
Ebenso erteilt Modrich der Low Cost Robotik eine Absage – zumindest wenn es um messende Roboter in der Linie geht: „Die Messetechnik ist aufgrund der geforderten Präzision innerhalb der Automatisierung im High-End-Bereich angesiedelt. Mit einem Low-Cost-Roboter hochgenau zu messen, funktioniert noch nicht. Wenn es hingegen zum Beispiel um das Be- und Entladen von Messgeräten geht, spielt Low Cost Robotik durchaus schon eine große Rolle. Automationsprojekte sind für uns immer kundenspezifische Projekte – und in diesem Rahmen bedienen wir uns natürlich der Low-Cost-Robotik-Komponenten, um die Kosten für den Kunden zu reduzieren. Voraussetzung ist aber immer, dass die Komponenten robust und präzise genug sind. Billigkomponenten aus dem Lego-Baukasten kommen für uns nicht infrage, unsere Kunden wollen die funktionierende Komplettlösung aus Messtechnik und Automation aus einer Hand von uns.“
„Low Cost Robotik erleichtert Unternehmen insbesondere im Messraum den Einstieg in die Automation, weil es hier meist nur sehr begrenzte Budgets für Investitionen gibt“, sagt Mahr-Manager Binder. „Bei Inline-Messungen und der dafür notwendigen Integration in den Produktionsbetrieb stößt sie aber an ihre Grenzen. Generell birgt Low Cost Robotik ein großes Potential. Lohnintensive Arbeitsplätze können dadurch zum Teil kompensiert werden. Voraussetzung ist aber, dass sich in den Betrieben ein konsequentes Return-on-Invest-Denken etabliert.“
„Unternehmen, die sich für Low-Cost-Roboter entscheiden, müssen zwangsläufig Kompromisse bei der Leistungsfähigkeit eingehen, beispielsweise in Bezug auf Geschwindigkeit, Genauigkeit oder die Fähigkeit zur Integration mit Peripheriegeräten. Es wäre eine fast unüberwindbare Aufgabe, dies mit den Anforderungen an Anwendungen in der Qualitätssicherung in Einklang zu bringen“, argumentiert auch Fruit-
core-CEO Riegger. „Deshalb haben wir uns entschieden, die Low-Cost-Robotik bewusst zu meiden. Die entscheidende Prämisse für zukunftsorientierte Robotersysteme besteht darin, dem Kunden leistungsfähige Produkte zur Verfügung zu stellen, die sich vielfältig integrieren lassen. Diese Robotersysteme sollten außerdem in der Lage sein, Prozessdaten zu erzeugen, diese in übergeordneten Systemen bereitzustellen oder direkt zu verarbeiten und zu visualisieren.“
Ein entscheidender Aspekt bei der Qualitätsprüfung sollte laut Riegger die Integrationsfähigkeit des Roboters sein: „Da für die meisten Anwendungen eine oder mehrere Komponenten integriert werden müssen – beispielsweise Kamerasysteme, Greiftechnik oder Messsensorik – sollte dies nahtlos und unkompliziert möglich sein. Hierbei geht es nicht nur um die Anbindung von Hardware und Elektronik. Für Nutzer ist es ebenso bedeutend, dass die Software mühelos integriert und einfach programmiert und bedient werden kann.“
Automatisierte Messzellen
als Alternative
Eine weitere Form der Automation für Atline-Messungen sind automatisierte Messzellen, wie sie etwa Creaform mit dem Cube-R, Zeiss mit seinen Scanboxen und Hexagon neuerdings mit der Zelle namens Presto anbietet. „Mit unserer neuen vollautomatischen Scanzelle Presto decken wir die Nachfrage der Kunden nach schlüsselfertigen Lösungen ab“, erläutert Klenner, Hexagon. „Eine solche Zelle lässt sich in wenigen Tagen aufbauen und in Betrieb nehmen. Kunden aus verschiedenen Branchen haben zwar unterschiedliche Bauteile, unsere Scanzellen decken aber die gängigsten Anforderungen ab. Durch die Modularität unserer eingesetzten Komponenten – Messtechnik, Roboter, Sicherheitstechnik und Software – lässt sich nahezu jede Kundenanforderung umsetzen.“
„Eine Scanbox ist für uns das gleiche wie eine Koordinatenmessmaschine mit einer Umhausung, bestehend aus einem optischen Sensor, einem Roboter und einer Software – verfügbar in verschiedenen Größen und für verschiedene Applikationsfelder“, erklärt Zeiss-Manager Modrich. „Das bedeutet für den Kunden: die Lösung ist standardisiert, man muss kein Projekt dafür anstoßen. Das Messen erfolgt quasi auf Knopfdruck durch Mitarbeiter in der Produktion, die nicht über Messtechnik-Know-how verfügen. Auch das Kalibrieren ist deutlich vereinfacht.“ Auf der Control hat Zeiss eine neue Scanbox speziell für E-Motoren vorgestellt, die ein schnelles und präzises, vollflächiges, automatisiertes Scannen von einzelnen oder mehreren Hairpins sowie von kompletten Statoren ermöglicht.
