An der TU Cottbus arbeiten Forschende an einer Fabrik, in der Transportroboter bei Störungen künftig selbst einen neuen Weg finden sollen. Entwickelt wurde das Konzept von Annamária Arnouk, Martin Behm und Christian Borck von der BTU Cottbus-Senftenberg gemeinsam mit einem Team der OTH Regensburg.

In Fabriken bringen führerlose Wagen Bauteile von einer Arbeitsstation zur nächsten. Fällt eine Station aus, mussten Techniker die Roboter bislang meist manuell umprogrammieren. Das neue System nutzt stattdessen den digitalen Bauplan der Fabrik als Karte und erzeugt daraus automatisch Wegbeschreibungen. Meldet ein Kamerasystem eine Störung, fordert es eine neue Route an – anschließend fahren die Roboter selbstständig einen anderen Weg.

Die Fabrik als digitales Abbild

Das Kamerasystem überwacht die Arbeitsstationen und kann Beschäftigte über eine Datenbrille oder ein Tablet unterstützen. Erprobt wurde das Konzept an einer Fertigungslinie für elektrische Flugzeugantriebe. Dort basiert die Überwachung auf einem digitalen Zwilling der Werkbank: Bauteile und Montageschritte sind dreidimensional im Computer abgebildet, die digitale Darstellung bewegt sich in Echtzeit passend zu den jeweiligen Arbeitsschritten.

Eine künstliche Intelligenz wertet die Kamerabilder aus und erkennt, welche Bauteile gegriffen werden. Läuft etwas in der falschen Reihenfolge oder wird ein Teil an der falschen Position montiert, gibt das System eine Warnung aus. Neue Beschäftigte können anspruchsvolle Montageschritte außerdem zunächst virtuell üben – ohne dass gleich das echte Bauteil unter ihren Händen liegt.

Auch bei einem Umbau der Halle soll der Aufwand überschaubar bleiben: Eine Aktualisierung des digitalen Bauplans soll genügen. Die Forschungsergebnisse erschienen im Juni in der Fachzeitschrift „Sensors & Transducers“. Als Nächstes soll das Konzept in der chesco-Forschungsfabrik der BTU in Cottbus praktisch getestet werden.

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Mehr als eine Simulation

Der Begriff „Digitaler Zwilling“ wurde lange oft mit Simulation gleichgesetzt. Aus Sicht des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) greift das zu kurz. Digitale Zwillinge können in der industriellen Produktion und im Engineering mehrere Teilmodelle verbinden.

Dazu gehören modellbasierte Selbstbeschreibungen für Autoidentifikation und Autokonfiguration. Maschinen und Komponenten können sich mithilfe mitgelieferter Treiberinformationen an MES- oder IoT-Systemen anmelden und dabei ihre Fähigkeiten und Dienste beschreiben. Ebenfalls wichtig sind Anlagenfähigkeiten, sogenannte „Skills“: Dazu zählen Fertigungsverfahren wie Drehen oder MAG-Schweißen ebenso wie Materialflussfunktionen, etwa Heben oder Stetigfördern. Solche Beschreibungen enthalten Attribute, zulässige Wertebereiche und gegebenenfalls Teile der Anlagenlogik. Produktionsmittel lassen sich dadurch schneller für neue Fertigungsaufgaben zusammenstellen, konfigurieren und in Betrieb nehmen.

Weitere Bausteine sind datenbasierte Modelle des Normalverhaltens. Sie können einzelne Maschinen, Produktionslinien oder komplette Produktionsabläufe betreffen und auf Laufzeitdaten aus dem realen Betrieb beruhen, beispielsweise aus einem MES. Erstellt werden sie unter anderem mithilfe maschinellen Lernens. Hinzu kommen Offline- und Online-Simulationen, darunter spezielle Simulatoren für Finite-Elemente-Berechnungen, virtuelle Inbetriebnahmen oder physikalische Prozesse. Idealerweise können verschiedene Simulationsmodelle miteinander interagieren.

Die Digitale Fabrik beschreibt dabei ein umfassendes Netzwerk digitaler Modelle, Methoden und Werkzeuge, das durch durchgängiges Datenmanagement integriert wird. Gemeint sind Produktions- und Materialflussanlagen, aber auch Gebäude sowie technische Gebäudeausrüstung. Der Begriff ist seit Langem etabliert und beispielsweise in der VDI-Richtlinienreihe 4499 beschrieben.

Zu einem vollständigen Digitalen Zwilling gehören außerdem IT-Sicherheit, Zugriffsrechte, Zertifikatshandling und Versionsmanagement. Auch Kompatibilitätstests zwischen verschiedenen Versionen Digitaler Zwillinge spielen eine Rolle. Klingt trocken, wird aber spätestens dann wichtig, wenn in einer echten Halle mehrere Systeme miteinander sprechen müssen und nicht bloß ein schönes Modell auf einem Bildschirm stehen soll.

Vom virtuellen Modell zurück in die Produktion

Nach Vorstellung des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik soll künftig jedes Produkt, jede Maschine und jede Produktionsstätte neben dem physischen Objekt ein virtuelles Abbild besitzen. Dieses Abbild wäre mehr als eine digitale Kopie: Als „Digitaler Zwilling“ bliebe es mit dem physischen Objekt verbunden.

Beide Seiten wären vernetzt und synchronisiert und könnten sich gegenseitig beeinflussen. Über den Digitalen Zwilling ließe sich das physische Objekt steuern, während sich sein Zustand aus dem virtuellen Modell ablesen ließe. Unternehmen könnten so das Verhalten ihrer Produkte im Einsatz erfassen, Änderungen an Produkten oder Anlagen vor der Umsetzung simulieren und neue Geschäftsmodelle entwickeln.

Die nächsten praktischen Schritte führen für das Cottbuser Forschungsteam in die chesco-Forschungsfabrik. Dort muss sich zeigen, wie zuverlässig Roboter, Kameras, digitale Baupläne und die Unterstützung für Beschäftigte im laufenden Betrieb zusammenspielen. Auf dem Bildschirm wirkt der neue Weg schnell berechnet. In der Halle warten dann echte Werkbänke, echte Bauteile und im Zweifel eine Station, die eben doch nicht so will wie geplant.