Lernfabrik 4.0 für Nachwuchs an Industrierobotern

In Reutlingen hat ein Kompetenzverbund von Unternehmen der Region für Auszubildende und Schüler der Fachbereiche Metall, Elektro und IT eine Lehranlage realisiert, die wesentlichen Merkmale der Industrie 4.0 für Menschen erlebbar macht. Bestandteile der Anlage sind zwei Robotertypen von Mitsubishi Electric mit unterschiedlicher Kinematik. Jeder Robotertyp erfüllt durch kompakte Bauweise, einfache Programmierung und Offenheit der Schnittstellen die Anforderungen sowohl des Schulumfelds als auch der industriellen Vernetzung.

Die Lernfabrik der Ferdinand-von-Steinbeis-Schule

Durch Ausbildung, die sich stark am industriellen Bedarf orientiert, erhoffen sich das Land Baden-Württemberg und die Wirtschaft der Hightech-Region Stuttgart eine Stärkung des lokalen Fachkräftemarkts. Seit Ende September 2018 verfügt die Reutlinger Ferdinand-von-Steinbeis-Schule über eine Lernfabrik 4.0. In dieser Laboranwendung lernt ein Großteil der rund 2300 Auszubildenden und Schüler der gewerblichen Schule mit technischem Gymnasium die digitalisierten Automatisierungsprozesse kennen. Initiiert und wesentlich finanziert wurde dieser Lernort durch den Landkreis Reutlingen als Schulträger.

Die Anwendung stellt eine Pick&Place Produktionslinie für Modellautos dar, die aus vier Montagezellen mit Robotertechnik besteht. Zelle 1 ist mit einem 6 Achsen Knickarmroboter vom Typ RV-2F-1D1 ausgestattet, welcher zwei Achsen aus der Bauteilebereitstellung entnimmt und den zugeführten Werkstückträger bestückt.

Zelle 2 hat die Aufgabe, dass eine Lineareinheit den Grundkörper greift und ihn mit den Achsen zusammenfügt. Zelle 3 beherbergt einen 4 Achsen Scara Robotics RH-3FH5515. Dieser nimmt einen Motor aus der Bauteilebereitstellung und fügt ihn auf den Grundkörper. In Zelle 4 schließlich prüft ein Kamerasystem, ob die Konfiguration korrekt ausgeführt wurde, bevor das Produkt zur Ausgabe freigegeben wird.

Die steigende Roboterdichte in der Automobilindustrie hat dazu beigetragen, den Umsatz von Industrierobotern weltweit zu steigern. Der Industrie 4.0 Aspekt und die Besonderheit dieser Lehranlage bestehen darin, dass jedes Auto anders konfiguriert und als Einzelstück produziert wird: Der Kunde stellt sein Wunschauto aus Optionen (Chassisfarbe, Räderbreite, Motorgröße – repräsentiert durch unterschiedliche Elemente des Modellbaukastens) am Handy, Tablet oder PC zusammen und sendet seinen Auftrag direkt an die Anlage, die in Echtzeit mit der Montage der gewünschten Kombination von Bausteinen beginnt.

„Die Schule wollte den Industrie 4.0 Gedanken sichtbar und nachvollziehbar abbilden“, sagt Wolfram Zielke, Roboterspezialist bei ME. „Abgebildet sind I4.0 sowie das „Internet der Dinge“ (IoT – „Internet of Things“) dann, wenn ich eine modulare Anlage habe, bei der alle Komponenten über das Internet vernetzt und beeinflussbar sind und diese maximal offen, flexibel und erweiterbar ist. Das ist hier in besonders anschaulicher Weise gelungen.“

Industrielle Realität im Kleinen

Auch wenn die Lernfabrik Spielzeuge produziert, entspricht die Anlage in kompakter Form den Applikationen in der produzierenden Industrie, in der die Losgröße 1 längst keine Zukunftsmusik mehr ist. Die Anlage unterscheidet sich zu ihrem industriellen Pendant lediglich, dass zu Lehrzwecken möglichst ein großes Sortiment dan verschiedenen Automatisierungskonzepten wie unterschiedliche Roboter Kinematik, Lineareinheiten, Pneumatik, Visionsysteme, Steuerungstechnik usw. eingebracht wurden, während das kostenorientierte Engineering in der Industrie die Zielerreichung mit möglichst wenigen Komponenten anstrebt.

Georg Seifriz, stellvertretender Schulleiter der Ferdinand-von-Steinbeis-Schule, lobt die Roboter-Modelle: „Der kleinste Industrieroboter wiegt lediglich 18 kg. Das sind sehr kompakte Geräte, die für unser begrenztes Platzangebot optimal sind. Außerdem ist die einfache Programmierung für die Schüler zum Kennenlernen ein toller Einstieg. Dabei handelt es sich um ganz normale Industrieroboter mit voller Funktionalität.“ Er führt außerdem gute Erfahrungen mit der Betreuung durch den Automatiseriungsspezialist  an – die Bildungseinrichtung setzt bereits zwei autarke Roboter des Unternehmens im Unterricht ein.

Intuitive Software für Programmierung und Inbetriebnahme

Die Lehrkräfte kennen daher bereits Software RT Toolbox3 zur Erstellung von Roboterprogrammen und zur Planung von Anwendungen. Diese ist nicht nur auf beliebig vielen PCs installierbar, sondern ermöglicht auch die Einbindung von CAD-Daten, um die Umgebung zu simulieren. Hierdurch können mehrere Schüler zeitgleich offline und risikolos Programme ausprobieren und in 3D visualisieren.

Dabei handelt es sich keineswegs um ein didaktisch aufbereitetes Lehrprogramm, sondern um das Standardpaket für die industrielle Anwendung – mit einem wichtigen Einzelaspekt: „Die Software macht Spaß und führt schnell zum Ziel“, sagt Frank Kugler, technischer Lehrer an der Steinbeis-Schule. „Extra motivieren muss ich hierfür niemanden. Wenn wir an und mit der Anlage arbeiten, sind alle voll dabei.“

Gleichermaßen relevant für Lehre wie Industrie ist die einfache Inbetriebnahme der Industrieroboter durch Einstecken einer Optionskarte wie Profibus in den Controller oder dem Anschließen von Ventilen für die Greifertechnik. Es entfällt so ein Großteil der manuellen Eingabe von Daten ebenso wie die Durchführung umständlicher Nullpunktfahrten.

Auch die Teaching-Box zur Eingabe von Raumpunkten des Roboters unterstützt eine schnelle Zielerreichung. Ihre intuitive Benutzerführung erleichtert bei umfassender Leistungsfähigkeit Neueinsteigern und erfahrenen Anwender gleichermaßen die Steuerung der Bewegungen von Robotern und die Ausführung umfangreicher Diagnose- und Überwachungsfunktionen.

Offenheit als Grundvoraussetzung für Industrie 4.0

Alle Systeme vom Hersteller von Industrierobotern zeichnen sich durch Offenheit aus – eine grundlegende Voraussetzung für I4.0. Sie sind flexibel, erweiterbar, großzügig mit Schnittstellen ausgestattet, kommunizieren per Ethernet direkt mit der Außenwelt und erlauben die Ausgabe von Betriebsdaten sowie die Ausstattung mit intelligenter Sensorik. Als echte I4.0-Anlage ist die Lernfabrik in Reutlingen denn auch alles andere als statisch.

„Sie lebt“, sagt Herr Seifriz und schwärmt bereits von geplanten Erweiterungen. „Wir stellen uns eine Lageranbindung mit automatischer Bestückung vor und die Virtualisierung der gesamten Anlage, indem wir ein digitales Spiegelbild (Digital Twin) in der Cloud haben. Dann können wir mit der Anlage auch im Klassenzimmer arbeiten und zum Beispiel Wartungsanwendungen realisieren. So etwas eignet sich hervorragend für Projekte in der Technikerausbildung.“