Digitalisierung manueller Arbeitsprozesse - Flexibilisierung und Qualitätssicherung durch smarte Sensoren und intelligente Objekte in der Produktion

Jochen Seitz, André Hanak und Steffen Meyer

Die Anforderungen für effiziente Produktionsabläufe steigen im weltweiten Wettbewerb stetig. Durch Digitalisierung und Datenanalyse sollen neben der Effizienz auch die Flexibilität und die Qualität gesteigert werden. Zur Lösung beitragen können hier sogenannte „Cyber-Physische Systeme“, die durch smarte Sensoren und Vernetzung mit den Produktionssystemen eigenständig Prozessschritte erkennen, protokollieren und steuern. Diese können an vielen Arten von Werkzeugen angebracht werden und damit auch manuelle Arbeitsprozesse erfassen. Dieser Beitrag zeigt, wie intelligente Objekte mit Kommunikations- und Ortungsfunktionalität ein zu fertigendes Produkt durch den Produktionsprozess begleiten und wie dabei auch manuelle Schraubprozesse durch smarte Sensoren erfasst und analysiert werden.

Die Automatisierung der Produktionsabläufe wird in vielen Branchen und Unternehmen auf unterschiedliche Weise gelöst. Der Grad der Automatisierung richtet sich vor allem auch nach Stückzahlen, Marktpreisen der Produkte, Qualitätsanforderungen und nicht zuletzt nach der Komplexität der Fertigungsprozesse. In der Automobilindustrie wird hierbei beispielweise ein hoher Automatisierungsgrad erreicht, Qualität und Effizienz stehen im Vordergrund.
 

Qualitätssicherung am Beispiel von Schraubprozessen

Am Beispiel von Schraubprozessen lassen sich die Anforderungen an die Qualität und deren Auswirkungen anschaulich erklären: Nach [1] sind neben den Mindestanforderungen an verwendete Montagewerkzeuge sogenannte Schraubfallklassen als VDI-Richtlinie definiert. Schraubfälle der Klasse A bergen bei Ausfall ein Risiko für Leib und Leben sowie die Umwelt, Schraubfälle der Klasse B bergen bei Ausfall ein Risiko für einen Funktionsausfall und Schraubfälle der Klasse C bergen kein Risiko in der Höhe der anderen beiden Klassen.
Als logische Konsequenz werden Klasse A und B Schraubfälle besonders gründlich abgesichert. Diese werden nach Möglichkeit vollautomatisch durchgeführt, gleichzeitig durch Sensorik überwacht und deren korrekte Ausführung für die Qualitätssicherung dokumentiert. Dabei kommen sogenannte EC-Schraubsysteme mit Steuerungseinheiten und mit integrierten Sensoren zur Prozessüberwachung zum Einsatz. Die eingesetzten Sensoren messen z. B. Drehmoment und Drehwinkel mit hoher Präzision. Der Vorteil ist, dass so die Mindestanforderungen für die Fehlerentdeckung eingehalten werden und damit die Qualität gesichert wird, ein Nachteil ist vor allem der hohe Installationsaufwand und der hohe Preis für Einzelsysteme.
Bei Schraubfällen der Klasse C besteht keine Dokumentationspflicht für die Hersteller und es können einfache Schraubwerkzeuge mit mechanischer Abschaltung bei Erreichen eines eingestellten Drehmoments eingesetzt werden. Dadurch entstehen deutlich geringere Aufwände und um ein vielfaches geringere Kosten. Solche Schraubfälle gibt es beispielsweise bei der Befestigung von Kunststoffabdeckungen am Unterboden eines Fahrzeugs als Unterbodenschutz. Da hierbei über Kopf gearbeitet wird, ist auch relevant, dass das Gewicht einfacher Schraubwerkzeuge meist geringer ist. Fehlerhafte Schraubverbindungen der Klasse C können aber durchaus ein Ärgernis, vor allem für den Kunden, darstellen, wenn beispielsweise klappernde Geräusche auftreten, oder sich mit der Zeit Teile lösen. Daher werden Lösungen gesucht und entwickelt, um mit geringerem Aufwand auch diese Schraubprozesse zu erfassen, zu dokumentieren und damit die Qualität zu sichern.
Naheliegend ist die Integration von Sensoreinheiten und Kommunikationsmodulen in die einfacheren Schraubsysteme, um, wenn auch mit reduzierter Genauigkeit, die notwendigen Messdaten zu erfassen, zu übertragen und zentral mit einem Arbeitsauftrag abzugleichen und zu dokumentieren. Einige Hersteller von Schraubwerkzeugen haben hier bereits reagiert und bieten herstellerspezifische Produkte an. Bei elektrisch angetriebenen Schraubsystemen ist dies auch vergleichbar einfach, bei pneumatisch angetriebenen Systemen fehlt allerdings als Grundlage eine Stromversorgung, weshalb es auch keine gängigen Lösungen am Markt gibt. Nachteilig ist außerdem, dass auch bei Elektroschraubern die bestehenden Werkzeuge im Einsatz durch neue ersetzt werden müssten.
 


Bild 1: Manuelle und visuelle Qualitätssicherung in der BMW Group Plant Oxford. © BMW Group.

Smarte Sensoren erfassen manuelle Arbeitsprozesse

Werden Arbeitsprozesse wie Verschraubung manuell durchgeführt, erhöht sich die Komplexität in Bezug auf die Qualitätssicherung, da unterschiedliche Werkzeuge für eine Schraubverbindung von unterschiedlichen Personen auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden können. Daher sind zur Erhöhung der Qualität Regeln und oftmals ein Anlernen notwendig. Zur Qualitätssicherung werden die erfolgten Arbeiten in vielen Fällen manuell quittiert oder auch in zunehmendem Maße nachträglich durch zusätzliche Sensorik, wie beispielsweise durch stationäre Kamerasysteme und Algorithmen zur Bildverarbeitung, oder in nachgelagerten Arbeitsschritten erneut manuell kontrolliert.
Im Rahmen des Projekts „Technologien und Lösungen für die digitalisierte Produktion“ [2] wird unter anderem der Einsatz smarter Sensoren zur Erfassung manueller Arbeitsprozesse erforscht und gemeinsam mit der BMW Group im Werk Regensburg getestet [3]. Die Kernidee ist die Erfassung von Bewegungsabläufen und Ereignissen mit kostengünstiger Elektronik – ähnlich der in einem einfachen Smartphone – und Methoden der Datenanalyse und des maschinellen Lernens. Es kommen Sensoren zum Einsatz, die Beschleunigungen, Drehbewegungen und magnetische Felder messen. Diese 3 Sensortypen sind am Markt bereits kombiniert in einem Chip, kompakt durch MEMS-Technologie (Mikro-Elektro-Mechanisches-System), für wenige Euro erhältlich. Aus den Sensorsignalen werden z. B. Eigenschaften und Merkmale extrahiert und über sogenannte Entscheidungsbäume miteinander zu Zuständen und Ereignissen verknüpft. Es wird z. B. erfasst, ob ein Werkzeug in Bewegung oder im Ruhezustand ist, ob ein Schraubvorgang gestartet wurde, in welche Richtung gedreht wird, wie lange die Drehbewegung andauert, ob eine Last anliegt und ob ein voreingestelltes Drehmoment erreicht wurde. Durch die Verknüpfung dieser Informationen ist nachvollziehbar, ob insgesamt ein Arbeitsauftrag erfüllt wurde, wie beispielsweise eine vorgegebene Anzahl erfolgreicher Schraubvorgänge zur Befestigung eines Unterbodenschutzes.
Da der smarte Sensor batteriebetrieben wird, lässt er sich nachträglich an Werkzeugen anbringen. Größe und Gewicht der aufsteckbaren Module spielen im Vergleich zum Werkzeug eine geringe Rolle für die Handhabung. Um Aufträge entgegenzunehmen, die erfassten Schraubprozessdaten und insbesondere die Information über die Erfüllung eines Arbeitsauftrags zu übermitteln, wird der smarte Sensor über ein Kommunikationsmodul mit den Produktionssystemen vernetzt. LEDs realisieren gleichzeitig auf einfache Weise ein Echtzeit-Feedback für den Werker, ohne dabei die Arbeitsprozesse zu stören.
Der Begriff smarter Sensor steht hier für die Kombination von Sensorik, Software zur Auswertung und Kommunikationsfähigkeit, um die Daten bereits auf dem Sensormodul am Werkzeug zu verarbeiten und das Ergebnis anzuzeigen.
Derartige smarte Sensoren können zukünftig eine kostengünstige Alternative im Vergleich zum Austausch bestehender Werkzeuge durch Werkzeuge mit integrierter Sensorik und Kommunikationstechnik sein. Auch sind sie als Technologie zur Überbrückung bis zum Austausch denkbar oder als eine Lösung zur digitalen Erfassung von manuellen Arbeitsprozessen, für die es aktuell noch keine Lösung gibt, wie z. B. bei rein pneumatischen Werkzeugen.
 


Bild 2: Prototyp eines smarten Sensormoduls des Fraunhofer IIS
auf einem Akkuschrauber © Fraunhofer IIS

Lokalisierungssysteme erhöhen die Prozesssicherheit

Eine weitere Herausforderung der Qualitätssicherung bei manuellen Arbeitsprozessen ist die Zuordnung der Tätigkeiten zu einem Werkstück und zu den erforderlichen Komponenten und Bauteilen. Im Falle von Schraubverbindungen ist z. B. bei Akkuschraubern nicht sichergestellt, dass bei einer erkannten korrekten Verschraubung auch am richtigen Werkstück oder sogar an der richtigen Schraubstelle geschraubt wurde. Eine Kombination mit einem Lokalisierungssystem ist hier naheliegend.
Im Rahmen des Projekts „Technologien und Lösungen für die digitalisierte Produktion“ [2] werden daher die smarten Sensoren mit unterschiedlichen Lokalisierungssystemen kombiniert und getestet. Ziel ist es, die Eignung einzelner Lokalisierungssysteme für ein Einsatzszenario zu erforschen und gegebenenfalls zusätzlich Systeme durch Methoden der Sensorfusion zu kombinieren. Es werden drei Anwendungsszenarien untersucht: Für das Finden von Werkzeugen in einer Produktionsumgebung ist oft eine Genauigkeit im Bereich mehrerer Meter ausreichen, wodurch einfache Lokalisierungssysteme auf WLAN- oder Bluetooth-Basis in Frage kommen. Diese werden auch von den oben beschriebenen smarten Sensoren bereits für die Kommunikation verwendet. Für eine Lokalisierung im Arbeitsbereich, wie beispielsweise an einem Fahrzeug in der Automobilfertigung, ist eine Genauigkeit von wenigen Metern bis hin zu unter einem Meter bei kleinen Werkstücken notwendig. Für diese Anforderung eignen sich Funkortungssysteme, von denen die sogenannten Ultra-Breitband Systeme (UWB) bereits in einzelnen Produktionshallen zum Einsatz kommen. Zur Lokalisierung der Spitze eines Schraubers an einer Schraubstelle ist eine Genauigkeit im Bereich weniger Zentimeter notwendig. Diese Genauigkeit im Produktionsumfeld ist sehr herausfordernd und wird in Einzellösungen durch Kamera-Ortungssysteme und zum Teil durch Ultraschall-Ortungssysteme erreicht. Mit der Anforderung an die Genauigkeit und an die abzudeckende Produktionsfläche steigen jedoch auch Aufwand und Kosten in Bezug auf ein Lokalisierungssystem. Daher sollten die Anforderungen am tatsächlichen Bedarf ausgerichtet werden. Oft ist eine Lokalisierung an einem Werkstück ausreichend, wenn diese Information mit den von einem smarten Sensor erkannten Zuständen und Ereignissen der Schraubfallklassifikation kombiniert werden. Für das Beispiel Unterbodenschutz reicht es aus die Anzahl an erfolgreichen Schraubvorgängen zu prüfen, da eine Schraubreihenfolge nicht relevant ist.

 


Bild 3: Ein Akkuschrauber wird im Arbeitsbereich an der richtigen Schraubstelle eingesetzt.
Dies wird durch einen smarten Sensor erfasst und über eine LED
auf dem Sensormodul (schematisch als Ampel) angezeigt. © Fraunhofer IIS

Intelligente Objekte steuern die Produktion

Ein Trend, den die meisten produzierenden Unternehmen derzeit aufgreifen, ist die zunehmende Individualisierung der Produkte. Kundenwünsche sollen einfach und kosteneffizient realisiert werden, bis hin zur Einzelfertigung. Am Fraunhofer IIS werden im Rahmen des Projekts „Technologien und Lösungen für die digitalisierte Produktion“ [2] bereits jetzt Lösungen für die Digitalisierung und Vernetzung dieser individualisierten Produktionsabläufe erarbeitet. Außerdem wird die Nutzung der dabei generierten Daten für eine Flexibilisierung und Effizienzsteigerung in der Produktion erforscht.
Für einen grundsätzlichen Ansatz, die Wertschöpfungskette innerhalb der Produktion zu digitalisieren, werden Werkstücke mit elektronischen Tags, welche Kommunikations- und Ortungsfunktionalitäten besitzen, ausgestattet. Diese werden damit zu intelligenten Werkstücken (sogenannten Smart Objects, also Intelligente Objekte), die in ein Kommunikationsnetz eingebunden sind. Man spricht hier auch vom Industrial Internet of Things IIoT. Das Tag kann ein zu fertigendes Produkt durch den gesamten Produktionsprozess begleiten. Anhand der mitgeführten individuellen Produktdaten und der gewonnenen Kontextinformationen durch Lokalisierung und Sensoren kann dann das intelligente Werkstück eigenständig Prozessschritte erkennen, protokollieren und die Produktion für geringe Losgrößen steuern.
Im Produktionseinsatz bedeutet dies beispielsweise, dass bereits beim Start der Produktion Produktionsprozesse und Auftragsdaten auf dem elektronischen Tag hinterlegt werden, das auf dem Werkstück angebracht wird. Über die Lokalisierung erkennt es die Einfahrt in die einzelnen Fertigungszellen und kommuniziert daraufhin mit den dort verfügbaren Werkzeugen und Systemen. So kann das intelligente Werkstück beispielsweise den Werker direkt unterstützen, indem ihm signalisiert wird, welche Komponenten und Kleinteile zu montieren sind. Die Signalisierung kann hier durch ein sogenanntes Pick-by-localLight-System erfolgen, welches vom intelligenten Werkstück direkt angesteuert werden kann. Die dazu notwendigen Stücklisten sind auf dem Tag vorhanden. Weiterhin kann ein Schraubauftrag von dem Smart Object auf den smarten Sensor des oben beschriebenen Druckluftschraubers übermittelt werden. Der intelligente Sensor überwacht anschließend die Arbeitsschritte und teilt sowohl dem Werker als auch dem elektronischen Tag den Stand der Auftragserfüllung inklusive Qualitätsinformationen mit. Wurden alle Verschraubungen korrekt ausgeführt, ist der Arbeitsschritt abgeschlossen.
Auf dem Weg hin zu solch hoch-automatisierten Entscheidungen und Anpassungen von Produktionsabläufen sind unzählige Stellschrauben zu berücksichtigen. Als Voraussetzung müssen alle Produktdaten und Informationen zu Produktionsschritten sowie die aktuelle Verfügbarkeit von Arbeitszellen und viele weitere Informationen digital und in Echtzeit vorliegen. Die Digitalisierung manueller Arbeitsprozesse, hier am Beispiel von Schraubprozessen, ist ein notwendiger Schritt auf dem Weg dorthin. Smarte Sensoren können hierbei aber bereits jetzt die Qualitätssicherung bei manuellen Arbeitsprozessen unterstützen.

 

Schlüsselwörter:

Digitalisierung, Produktion, Cyber-Physische Systeme, Sensor-Daten-Analyse, Qualitätssicherung

Literatur:

[1]  VDI-Richtlinie: VDI/VDE 2862 Blatt 1 Mindestanforderungen zum Einsatz von Schraubsystemen und -werkzeugen – Anwendungen in der Automobilindustrie. 2012.
[2]  Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS: Projekt Technologien und Lösungen für die digitalisierte Produktion. URL: www.digitalisierte-wertschoepfung.de, Abrufdatum 26.03.2018.
[3]  Fraunhofer IIS Magazin: Der Assistent, der im Werkzeug wohnt – Qualität sichern in der Montage. Interview mit Jonathan Röske, Projektleiter bei BMW, und Jochen Seitz vom Fraunhofer IIS. URL: https://www.iis.fraunhofer.de/de/magazin/2017/werkzeugtracking.html, Abrufdatum 26.03.2018.