Vernetzte Messtechnik ermöglicht Industrie 4.0

Vermittler zwischenzwei Welten

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Auf dem Weg ins Industrie-4.0-Zeitalter wird die Mess- und Prüftechnik zum Steuerungsinstrument der Fertigung. In dieser Rolle muss sie Qualitätsdaten jedoch noch flexibler und schneller an unterschiedlichen Orten erfassen können: im Messraum, an der Produktionslinie und in der Linie. Und sie muss diese zentral zusammenführen, auswerten und als Steuerungsinput zur Verfügung stellen.

Produktionstechnik und Informationstechnik verschmelzen, mit dem Ziel, die Effizienz der Produktion zu erhöhen. Der Messtechnikspezialist Carl Zeiss beschäftigt sich daher bereits seit einigen Jahren sehr intensiv mit der Produktion der Zukunft, insbesondere mit den Auswirkungen dieser Entwicklungen auf die Messtechnik.

„Die Mess- und Prüftechnik wird zu einem Steuerungsinstrument in der Smart Factory werden“, sagt Dr.-Ing. Kai-Udo Modrich, Geschäftsführer der Carl Zeiss Automated Inspection. „Denn die intelligente Fabrik wird sich nur dann selbst organisieren können, wenn parallel zur Produktion permanent Qualitätsdaten der Werkstücke erfasst werden.“
Die industrielle Mess- und Prüftechnik wird also die Schnittstelle bilden zwischen der virtuellen Welt, in der Produktionsabläufe automatisch geplant und simuliert werden, und der realen Welt, in der nicht immer alles nach Plan läuft. Nur mit Feedback aus der realen Produktionswelt via Mess- und Prüftechnik lässt sich verhindern, dass Ausschuss produziert wird. Denn nur so erkennen Menschen wie Maschinen, dass beispielsweise das Bearbeitungswerkzeug trotz vorausschauender Wartung früher abgenutzt ist als geplant, oder die Qualität der verarbeiteten Materialien unerwarteten Schwankungen unterliegt.
„Die Mess- und Prüftechnik hat jedoch nicht nur die Aufgabe, die Qualität zu erfassen. Sie muss die gewonnenen Daten auch auf das Wesentliche reduzieren, auswerten und digital an den Stellen des Unternehmens zur Verfügung stellen, an denen sie benötigt werden“, erläutert Modrich. Unternehmen müssen in Sachen Messtechnik in Zukunft mehrgleisig fahren. Hochgenaue Offline-Messtechnologien im Messraum, prozessintegrierte Inline- sowie prozessbegleitende Atline-Technologien in der Produktionsumgebung werden sich die Messaufgaben in Zukunft teilen.
Inline: 100-%-Prüfung in der Linie
Während in der Vergangenheit die Messtechnik entkoppelt vom Produktionstakt agierte, wächst derzeit die Bedeutung der Inline-Inspektion im Fertigungstakt. Eine solche produktionsintegrierte 100-%-Prüfung wird heute beispielsweise im Karosseriebau bereits praktiziert. Durch sie wird die Prozesskontrolle oder gar -regelung in der Fabrik von morgen überhaupt erst möglich. Damit Fehler vermieden werden, bevor sie entstehen, werden die Prüfdaten in Echtzeit ausgewertet und als Trends in den Datenreihen laufend visualisiert. Zeigen sich statistische Auffälligkeiten, so kann rasch auf die ersten Anzeichen von Störungen reagiert werden, etwa bevor ein Schneidewerkzeug so weit abgenutzt ist, dass Ausschuss entsteht.
„Eine solche fertigungsintegrierte Kontrolle erfordert von der Mess- und Prüftechnik auch unter Produktionsbedingungen wie Staub und Temperaturschwankungen eine relativ hohe Genauigkeit und Bildauflösung – und das bei einer Geschwindigkeit, die der Fertigungslinie gerecht wird“, sagt Modrich. „Gegenwärtig wird dies insbesondere durch optische Sensoren an Robotern erreicht, die beispielsweise Karosseriekomponenten automatisch prüfen.“
Atline: Vollflächig digitalisieren
Ergänzend zu den Inline-Messsystemen, welche durch ihre 100-%-Prüfung Trendanalysen und eine Prozesskontrolle der eingesetzten Fertigungstechnik ermöglichen, werden zunehmend so genannte Atline-Messsysteme eingesetzt. „Mit diesen Systemen lassen sich die Bauteile vollflächig digitalisieren und somit messtechnisch flexibel analysieren“, erläutert Modrich. Der Fertigungsbereich erhält mit diesen Technologien ein messtechnisches Assistenzsystem, welches fertigungsnah den Werkern an der Linie unmittelbar Messergebnisse liefert und somit den Umweg über den Messraum spart.
Die Technologien geben zum Beispiel Mitarbeitern in der Karosseriefertigung in Form einer Stichprobe schnell und einfach einen Überblick, wie sich ein gesamtes Bauteil hinsichtlich seiner Form und Lagetoleranzen entwickelt oder wie die Freiformfläche in Bezug auf den Sollzustand aus dem CAD-Modell aussieht. Derartige Atline-Systeme reduzieren den Aufwand im Messraum, liefern fertigungsnah Daten zum Geometrie Soll-Ist-Vergleich und ergänzen als Messtechnik an der Linie die zur Prozesskontrolle eingesetzte Inline-Messtechnik.
Offline: Messraum bleibt Alltag
„Obgleich immer mehr Qualitätsdaten in oder an der Linie erfasst werden, gehören Messungen im Messraum auch in der Fabrik der Zukunft zum Alltag“, ist Modrich überzeugt. Mit ihrer hohen Präzision, wie sie in absehbarer Zeit weder im Produktionstakt noch in der Produktionsumgebung erreicht werden kann, werden sie noch lange die Referenz bleiben. Gefragt werden sie nach wie vor dann sein, wenn umfassende Analysen und/oder hochgenaue Messwerte benötigt werden, etwa um ein Qualitätsproblem unbekannter Ursache zu lösen, eine Konstruktion zu verbessern oder um die Qualität hochsensibler Produkte zu sichern.
„Doch auch im Messraum steht die Zeit nicht still. Immer mehr Multisensor-Messmaschinen machen den Messprozess auch hier immer flexibler und schneller“, berichtet Modrich. Messtechnik-Anbieter werden in Zukunft alle drei Messtechnologien bereitstellen und weiterentwickeln müssen, wenn sie ihren Kunden eine ganzheitliche Lösung bieten möchten: in der Linie, an der Linie und im Messraum. Und sie werden sich gemeinsam mit ihren Kunden überlegen müssen, wie sie die drei Ansätze sinnvoll kombinieren. „An Effizienz gewinnt die Mess- und Prüftechnik erst dann, wenn Unternehmen die richtige Technologie in der richtigen Dosis für den richtigen Zweck einsetzen“, betont Modrich.
Messdaten 4.0
Nicht nur die Datenerfassung, auch die Verarbeitung der Messdaten wird sich im Industrie-4.0-Zeitalter wandeln: „Dezentrale intelligente Systeme werden die Daten noch im Sensor vorverarbeiten und vor dem Weitertransport auf das Wesentliche reduzieren“, sagt Modrich. Nur so verringern die Unternehmen Übertragungszeiten und vermeiden, dass die Datenberge ins Unermessliche steigen.
Und noch ein Punkt wird in Zukunft ganz entscheidend sein: Auf der Basis der Messdaten werden Softwarelösungen der Fertigung automatisch Anweisungen erteilen. Erste Ansätze lassen sich bereits heute in den Fabriken beobachten. „Zahlreiche Autobauer und Zulieferer führen beispielsweise ihre Prozess- und Qualitätsinformationen auf der zentralen Softwareplattform Zeiss PiWeb zusammen“, berichtet Modrich.
Zwar entscheidet heute noch der Mitarbeiter auf Basis der Auswertungen z. B., wie er den Schweißroboter justiert, um auf Abweichungen bei den Messwerten zu reagieren. Doch das wird sich mit Sicherheit ändern. Die Softwareplattform wird solche Anpassungen künftig selbstständig initiieren: Entwickeln sich die Messdaten in eine bestimmte Richtung, erhält zum Beispiel der Roboter vom System die Anweisung, die Schweißparameter, wie z. B. den Schweißstrom oder die Elektrodenkraft, entsprechend den Vorgaben des intelligenten Softwaremoduls zu verändern. Ganz im Sinne der sich selbst regelnden Produktion in der Fabrik der Zukunft. ↓
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
„Die intelligente Fabrik wird sich nur dann selbst organisieren können, wenn parallel zur Produktion permanent Qualitätsdaten der Werkstücke erfasst werden.“
Dr.-Ing. Kai-Udo Modrich, Carl Zeiss Automated Inspection

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