DÜSSELDORF (pi) - Bei der Prozeßautomatisierung, früher auch Automatisierung verfahrenstechnischer Anlagen genannt, lag der Ausstellungsschwerpunkt bisheriger Interkama-Veranstaltungen, Mittlerweile ist ein Bereich der Automatisierungstechnik in den Mittelpunkt des Interesses gerückt, der noch ziemlich am Anfang seiner Entwicklung steht: die Automatisierung der Fertigung. Immerhin werden heute in den USA rund 50000 Dollar pro Industriearbeitsplatz gegenüber 2000 Dollar pro Büroarbeitsplatz investiert.
Bisher wurden die verschiedensten EDV-gestützten Werkzeuge zur Fertigungsautomatisierung eingesetzt, ferner fanden Produktionsplanungs-, Produktionssteuerungs- und Betriebsdatenerfassungssysteme, Bildschirmarbeitsplätze im Entwicklungs- und Konstruktionsbereich, CNC-Maschinen (als Vorläufer der Industrieroboter) sowie Einrichtungen zur Qualitätskontrolle nebeneinander Verwendung - mit den bekannten Nachteilen: ungleicher, teilweise fehlerhafter Datenbestand durch Mehrfacherfassung gleicher Ursprungsdaten, stockender Informationsfluß und mangelnde Flexibilität.
Der Vorteil einer integrierten Fertigungsautomatisierung (Computer Integrated Manufacturing = CIM) - die heute in der Anfangsphase allerdings erst individuell für jeden einzelnen Anwendungsfall realisiert werden kann - ist nicht allein die kontinuierliche Steuerung und Überwachung der gesamten Produktionsabläufe, sondern vor allem die Anbindung an organisatorische und dispositive Aufgaben wie Materialwirtschaft, Finanzbuchhaltung mit Kostenrechnung oder Personalwesen aber auch an den gestalterischen Bereich mit Forschung, Entwicklung, Konstruktion und Test.
Auf diese Weise werden Regelkreise geschaffen, die es ermöglichen, Daten (Stücklisten) aus der Konstruktion automatisch an die Materialwirtschaft oder Maßeinheiten direkt an eine CNC-Maschine (Computerized Numerical Control) oder technische Daten zur Vorbereitung der Vertriebsaktivitäten direkt an Marketing- und Verkaufsabteilung zu übertragen. Umgekehrt erhalten die Konstruktionsstellen Rückmeldungen über Ausschußquoten und sonstige Konstruktionsprobleme, der Vertrieb kann über den Fertigungsfortschritt aktuell informiert werden. Das ständige "Gerangel" zwischen Verkaufs- und Fertigungsbereich um die Termineinhaltung wird neutralisiert - zum Vorteil der Wettbewerbsfähigkeit.
Wichtige Funktionen in der integrierten Automatisierung sind rechnergestützter Entwurf (Computer Aided Design = CAD), Planung per Computer (Computer Aided Planning = CAP), Fertigungsleittechnik (Computer Aided Manufacturing = CAM) und Qualitätssicherung (Computer Aided Quality Assurance = CAQ) oder auch Computer Aided Testing = CAT. Insgesamt bezeichnet man den ingenieurmäßigen Einsatz von Computern in der Fertigungsautomatisierung mit CAE = Computer
Aided Engineering.
Planung kontra Terminjäger
In der Prozeßtechnik (Stahl, Kunststoff, Papier, Chemiestoffe) betrug der elektrotechnische/elektronische Anteil 1982 weltweit bereits 13 Milliarden Mark bei Steigerungsraten von nur drei Prozent jährlich. In der Fertigungstechnik dagegen liegt er einschließlich der Montage (Beispiel Automobilbau) erst bei sechs Milliarden Mark - allerdings mit 23 Prozent Zuwachs pro Jahr. Ein großer Nachholbedarf besteht vor allem in der mittelständischen Industrie mit ihren kleinen Losgrößen, die jedoch durch immer preiswertere Mikroprozessoren den Anschluß an die Automatisierungsanforderungen finden und damit ihre Wettbewerbsfähigkei steigern kann.
Wichtigste Voraussetzung für eine effektive Fertigungsautomatisierung ist die Sicherung eines kontinuierlichen, innerbetrieblichen Informationsflusses mit völliger Transparenz in allen Stadien des Produktionsgeschehens. Durch ständige Soll-Ist-Vergleiche zusammen mit direkten Eingriffs- und Steuerungsmöglichkeiten läßt sich das jeweilige terminliche und wirtschaftliche Optimum im Fertigungsbereich erzielen.
Die bisher übliche Fertigungsplanung mit Großrechnern einerseits und die Automatisierung einzelner Fertigungsmaschinen andererseits - oft sogar ohne Bindeglied in Form eines manuell oder halbautomatisch betriebenen Leitstandes, geschweige denn einer computerunterstützten Betriebsdatenerfassung - läßt eine breite Lücke im Informationsfluß offen. Sie kann mit Fertigungsleitsystemen (CAM) geschlossen werden, die auf der Basis eines oder mehrerer online gekoppelter Prozeßrechner aufgrund der Fertigungsaufträge aus dem Großcomputer die detaillierten Arbeitsanweisungen für Bearbeitung, Montage, Prüfung und Einlagerung ausgeben und die aktuellen Rückmeldungen empfangen und bearbeiten.
Im Optimalfall arbeiten alle an der Abwicklung eines Auftrages beteiligten Abteilungen zusammen und tauschen ihre Informationen automatisch über elektronische Kommunikationssysteme aus. Alle nur einmal am Ort ihrer Entstehung über Bildschirm erfaßten Daten werden zentral und für alle auf dem gleichen aktuellen Stand zugriffsbereit in Form einer Datenbank gespeichert. Mit jederzeitiger Eingriffsmöglichkeit durch den Menschen werden eingehende Aufträge sofort vom Computer in Material- und Zeitbedarf zerlegt, die Kosten kalkuliert und die Fertigung eingeplant.
Vom Fertigungsleitsystem lassen sich wiederum direkte Verbindungen zu numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen ziehen (Direct Numerical Control = DNC). Als DNC-System bezeichnet man mehrere mit einem Prozeßrechner online gekoppelte CNC- oder NC-Maschinen. Der Rechner übernimmt die Speicherung und Verteilung der Programme zum Steuern der Maschinen sowie den Datenaustausch mit übergeordneten Computern. Zusätzliche Funktionen können das Erfassen und Verarbeiten von Maschinenzuständen, Materialflußdaten usw. aus dem Betriebsdatenbereich sein.
1982 wurden in der Welt programmierbare Steuerungen im Wert von 3,5 Milliarden Mark eingesetzt - mit Zuwachsraten von jährlich 20 Prozent. In Japan sind bereits 45 Prozent der einschlägigen Maschinen mit NC ausgerüstet, in Europa dagegen erst 20 Prozent. So verwundert es nicht, daß die Produktivität in Japan in den letzten 20 Jahren um den Faktor fünf gesteigert werden konnte, während es in Deutschland nur halb soviel war. Japanische Arbeiter fertigen pro Kopf beispielsweise im Haushalts-Großgerätebereich mehr als doppelt so viele Einheiten pro Jahr als deutsche.
Neben den "traditionellen" NC-Maschinen sind in Fertigungs-Abteilungen zunehmend Roboter gefragt. Mit ihrer Hilfe lassen sich neuartige Fertigungsmethoden mit Umweltbedingungen einführen, die für den Menschen nicht zumutbar sind (zum Beispiel Steigerung der Lösungsmitteldichte und Verarbeitungstemperatur in Lackierstraßen). Andere Roboter (die meisten der derzeit eingesetzten) dienen als Handhabungsgeräte zum Punkt- und Bahnschweißen, Schleifen, Zerspanen und Beschichten, das heißt sie führen (noch) relativ einfache Wiederholarbeiten aus.
Für komplexere Montagearbeiten sind eine Vielzahl unterschiedlicher Bewegungen erforderlich. Dazu benötigt man Roboter mit mehreren Sensoren zur Identifikation und Lagebestimmung (Bildverarbeitung), zum Messen physikalischer Großen sowie mit Mehrzweckgreifern und mehreren Freiheitsgraden. Hier ist die Technik noch sehr im Fluß und der Mensch der Maschine eindeutig überlegen. Die Entwicklung geht jedoch in Richtung modular aufgebauter Robotersysteme in Form von "Baukästen", die sich flexibel ausbauen lassen.
A la longue soll auch hier - wie in anderen Fertigungsbereichen - die Muskelarbeit durch Denkarbeit ersetzt, erstere also der Maschine übertragen werden. Von den Fachleuten der "Robotics-Szene" wird insbesondere die Montage als Schlüsseltechnologie zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit gesehen (Prof. Dr. H. J. Warnecke, Fraunhofer-Insitut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart).
Explosion des Robotermarktes
Zur Zeit kann man von einer Explosion des Robotermarktes sprechen. Nach Angaben der Fachgemeinschaft Montage, Handhabung, Industrieroboter im VDMA, Frankfurt, (Leitung Dr. G. Widl) waren bis Ende 1982 bei deutschen Unternehmen 3500 Roboter im Einsatz: im Jahr zuvor waren es nach einer amerikanischen Untersuchung (Jablonski, American Machinist) in der BRD erst 1420, in den USA dagegen 4100 und in Japan sogar 14246 (1982: 22000). Die japanischen Zahlen sind nur unter dem Aspekt einer großzügigen Auslegung richtig, denn hierzulande versteht man unter Roboter nur computergesteuerte Automaten, die ohne mechanische oder gar menschliche Steuerung und Eingriffe auskommen. Danach wären es in Japan lediglich 4600.
In der Bundesrepublik stellen zur Zeit 22 Firmen Roboter her (1983 etwa 2000 Stück). Sie machten im vergangenen Jahr einen Umsatz von 1,8 Milliarden Mark. Die Produktion soll bis zum Ende der achtziger Jahre auf 7500 Einheiten jährlich ansteigen. Das Wachstumspotential speziell in der Montage- und Handhabungstechnik liegt bei 15 bis 40 Prozent pro Jahr, zumal erst gut 100 Maschinen dieser Art in Deutschland installiert sind. Nach Schätzungen des Gewiplan-Insituts in Frankfurt mögen es l985 1100 und 1990 6200 sein.
Auf der gesellschaftspolitischen Seite ist es wichtig, diese Entwicklung realistisch einzuschätzen. Natürlich werden Arbeitsplatzeinbußen durch die rund um die Uhr "ermüdungsfrei" einsetzbaren Roboter nicht zu umgehen sein. Die US "Denkfabrik" Rand Corporation spricht sogar - und geht darin konform mit den Prognosen des Club of Rome 1982 - von grundlegenden Umstrukturierungen der Arbeitswelt: Sind derzeit fast 50 Prozent aller Arbeitnehmer in der Produktion eingesetzt, so könnten es Anfang des 2. Jahrtausends nur noch 5 Prozent sein.
Die gegenwärtigen Überlegungen zielen jedoch nach Aussage von Vertretern der einschlägigen Industrie nicht allein in Richtung Abbau von Personalkosten, sondern heben die zunehmende Flexibilität des Einsatzes bei gleichbleibender Produktqualität hervor. Dennoch ist die Industrie von der Realisierung sogenannter "Universalroboter" noch weit entfernt - falls diese überhaupt angestrebt werden. Zukunft haben vor allem Roboter-Anbieter, die komplette schlüsselfertige Systeme (mit Hardware und Software) für bestimmte Einsatzzwecke liefern.
Bildschirm statt Reißbrett
Von der NC-Steuerung und den Robotern in der Fertigung können wiederum Schnittstellen zur Konstruktion (Computer Aided Design) gezogen werden. So können zum Beispiel Werzeugmaschinen direkt von CAD-Systemen programmiert werden, indem sie Modelle der Werkstücke rechnerintern speichern. Die in der Detaillierungsphase der Konstruktion erzeugten Geometriedaten lassen sich sofort für die Steuerung der Werkzeuge übernehmen. Es müssen nur die Technologiedaten hinzugefügt werden. Dieser Art der Programmierung im "integrierten System" werden die größten Zukunftschancen eingeräumt.
In den Bereichen Entwicklung, Konstruktion und Fertigungsplanung werden heute in zunehmendem Maße CAD-Systeme eingesetzt, die - meist noch ohne Direktanschluß an andere Fertigungscomputer - Zeichnungen, Stücklisten, Arbeitspläne und NC-Steuerlochstreifen bearbeiten und erzeugen, und zwar im direkten Dialog mit Konstrukteur oder Arbeitsvorbereiter am Bildschirm statt am Reißbrett oder an der Plantafel. Es handelt sich bei CAD-Systemen also weniger um Automatisierungs- als um Rationalisierungsinstrumente im Sinne der Entlastung von Routinetätigkeiten. Die Produktivitätssteigerungen liegen bei Werten bis zu 30 Prozent.
Der neue CAD-Arbeitsplatz des Konstrukteurs besteht aus farbigen oder schwarz-weißen grafischen Sichtgeräten. Zum Eingeben von Daten und Befehlen werden Tastatur, Lichtstift, grafisches Tabelau und ähnliches benutzt. Alphanumerische Bildschirmgeräte dienen zusätzlich zur komfortablen Bedienerführung im Dialog. Digitalisierungsgeräte ermöglichen die Eingabe bereits vorhandener grafischer Darstellungen automatischer Zeichenmaschinen (Plotter), die schnelle und exakte Ausgabe der Zeichnungen von Konstruktionsteilen, Stücklisten und technischen Illustrationen.
Besonders interessant ist die Möglichkeit, Konstruktionen mit veränderten Daten in kürzester Zeit zu simulieren, um zum optimalen Design zu gelangen. Nicht umsonst kommt die CAD-Entwicklung aus der Luft- und Raumfahrt-Industrie sowie aus dem Automobilbau.
Neurdings setzt man CAD auch bereits zur Gestaltung von Robotern ein. Bewegungen des künftigen Roboters können bereits als "Bildschirmmodell" ausgetestet und etwaige Konstruktionsfehler, aber auch Mankos in den Steueranweisungen leicht gefunden werden, bevor der Roboter überhaupt gebaut, geschweige denn Material beschädigt wurde.
Software-Ergonomie entscheidend
Entscheidend für den CAD-Arbeitsplatz (wie natürlich auch für die anderen Fertigungsbereiche) ist die Software. Aus Kostengründen geht man immer mehr dazu über standardisierte Bausteinlösungen zu schaffen, die sich, beliebig kombiniert, häufig einsetzen lassen und trotzdem der Individualität des einzelnen Anwendungsfallen genügend Rechnung tragen. Dazu bedarf es geeigneter höherer Programmiersprachen, Werkzeuge für Programmentwicklung und Dokumentation und vor allem eines erhöhten Augenmerks auf die Ausstattung der Nahtstelle zum Menschen. Dafür wurde der Begriff der "Software-Ergonomie" geprägt.
Programmiersysteme in der Fertigung müssen mit den heute vorhandenen Fähigkeiten der Mitarbeiter auskommen. Und der Rechner darf nicht den Menschen als letztlich bestimmenden Entscheidungsträger außer acht lassen. Dies aber ist keine technologische, sondern eine organisatorische Frage.