Mikrosystemtechnische Lösungen und Mensch-Technik-Kooperation für die Fabrik der Zukunft

Transkript

1 Mikrosystemtechnische Lösungen und Mensch-Technik-Kooperation für die Fabrik der Zukunft Jahrestagung des mst-netzwerk Rhein-Main e.v. 06. September 2011 Dr. Peter Post Leiter Forschung und Programmstrategie Festo AG & Co. KG, Esslingen

2 Zukunftsfeld Mensch-Technik-Kooperation Impuls

3 Mikrosystemtechnische Lösungen und Mensch-Technik-Kooperation für die Fabrik der Zukunft Intelligente mechatronische Systeme für die lernende, adaptive Produktion Bionische Übertragungen für kooperative Systeme Mikrosystemtechnische Lösungen für integrierte Funktionen Exemplarische Umsetzung: Der Bionische Handling-Assistent

4 Mensch-Technik-Kooperation Lernende Maschinen und hybride Teams Mensch-Roboter- Interaktion Zukunftsvision? Notwendigkeit?

5 Fabrik der Zukunft: lernendes und adaptives Produktionssystem Offensichtliche Erfolgsfaktoren Hervorragende technische Ausrüstung Produkte, die der Kunde will cutting edge Technologie Energie- und Ressourceneffizienz variantenreiche individualisierte Produkte Ebenso Erfolgsvoraussetzung Nachhaltigkeit ( auch finanzielle,...) Integrative Funktion des Menschen ausgezeichnete Prozesse Enge Verzahnung von Mensch und Technik - Mensch-Technik-Kooperation - Lernende Produktionssysteme

6 Zukunftsvision lernende Produktion Intelligente Produkte TOP1 von Manufuture Germany: Selbstoptimierende Systeme durch Sensor- Aktorintegration, Identifikationskonzepte und Regelmechanismen. Entwicklung neuer Diagnosesysteme mit deutlich verbesserten Funktionseigenschaften, Ferndiagnose, Sicherheit etc. Verbesserte Mensch-Maschine Schnittstelle durch neue mechatronische Systeme, Barrierefreiheit und verbesserte Arbeitssicherheit. Die sich selbst optimierende Maschine bei veränderlichem Umfeld Messen Steuern

7 Zukunftsvision lernende Produktion Adaptive Produktion TOP5 von Manufuture Germany: Entwicklung adaptierbarer Fabrikausrüstung zur Erreichung höherer Auslastung durch Flexibilität sowie Wandlungsfähigkeit bei geänderten Anforderungen. Adaptive Roboter Multisensorik und Aktorik Rekonfigurierbarkeit von Maschinen auf ein stark verändertes Fähigkeitsprofil Plug & Produce Aufbau von frei konfigurierbaren modularen Systemen Entwicklung von kleinen, integrierbaren Einheiten und von skalierbaren Systemen

8 Low level automation High level automation Forschungsbedarf: Mensch-Maschine-Kultur Adaptiv, lernfähig Management Software Fabriksteuerung Liniensteuerung Zellensteuerung Trend zur Integration der Steuerungsebenen Factory of the Future Rolle des Menschen Netzwerke, Standortfrage control mechanische Komponente Technologisch Schlaue mech. Komponente Sensor und Netware Integrierte Komponente Mechatronische Komponente Funktionenintegration, Miniaturisierung, Mechatronik,... Neue Konstellationen von Mensch und Technik Neudefinition der Rolle des Menschen in der Fabrik Maschinelle Agenten mit autonomen und intelligenten Funktionen Kooperation in Mensch-Technik-Teams Mensch-Technik-Kultur Netzwerke und Strukturen

9 Innovation von der Komponente bis zum System Mechatronische Systemintegration (Ganzheitlichkeit, Flexibilität) Modularität von Komponenten und Lösungen Funktionenintegration und Miniaturisierung Kommunikationstechnologien, dezentrale Intelligenz und Schnittstellenmanagement Kosten- und funktionsoptimale Gesamtlösungen

10 Kunden brauchen Lösungen Integrierte mechatronische Lösungen auf allen Ebenene Product Adaptive Production Technology Production Systems, Process Plants Mechatronic Systems Automation Systems Intelligent Components Integrated Functions

11 Weiterentwicklung mechatronischer Systeme Intelligente Maschinen z.b. Serviceroboter Mechatronische Geräte z.b. geregelter Antrieb Mechanik+ Sensor+Aktor +Controller Smart Systems z.b. Integrationsachse Selbst- Diagnose Selbst-Korrektion Selbst-Kallibrierung Mechanik+ Sensor+Aktor +Controller Kooperation + Kommunikation mit dem Nutzer Selbst- Diagnose Selbst-Korrektion Selbst-Kallibrierung Mechanik+ Sensor+Aktor +Controller Mechatronische Systeme bilden die Subsysteme für Intelligente Produkte

13 Bionik Lernen aus der Natur Inspiration aus der Natur Untersuchung biologischer Prinzipien Ableitung technischer Grundprinzipien Bionische Adaption Übertragung in technische Anwendung Bionic Learning Network von Festo Inspiration und Open Innovation Blick über den Tellerrand in neue Anwendungen Interdisziplinäre Vernetzung Engagement in der technischen Aus- und Weiterbildung

14 Bionic Learning Network von Festo Biologische Prinzipien Ableitung in techn. Grundprinzipien Bionische Adaption Technische Anwendung 14

15 Mechatronische Systeme: die Natur ist Vorbild Energiestrom Umgebung Hilfsenergie Nahrung Aktorik Muskeln Grundsystem Skelett Sensorik Sinne, Nervenleitung Technisches System Biologisches System Prozessor Gehirn Rückenmark Information => Ein mechatronisches System bildet die Grundstruktur von Lebewesen besser nach als ein rein mechanisches Gerät (klassischer Maschinenbau)

16 Forschungsbedarf: Kommunikationstechnologie autonomer Systeme Bionische Technologieträger AquaJelly und AirPenguin Autonomes Bewegen mit Kollisionsvermeidung Kollektives Verhalten (Schwarmintelligenz) Ersatzfunktionalität und Ausfallszenarien Selbstregulierende Prozesse Neurobiologie und Biomechatronik Integration von Lernfähigkeit Inspiration aus der Natur

17 Oberarmnachbildung aus pneumatischen Muskeln: Airic s Arm Antriebe: 32 fluidic muscles 15 Freiheitsgrade 72 integrierte Piezo-Proportionalventile Sensoren: 32 Drucksensoren 1 Positionssensor 1 taktiler Sensor Gesamtgewicht: 6.3 kg Knochenmaterial: Polyamid

18 Kundenspezifische Lösungen schaffen Open Innovation in Netzwerken Gemeinsame Entwicklung mit Lead- Kunden (Bsp. Lely) Forschung für neue Technologien beim und mit den Kunden Konsequente Anwendung mechatronischer Entwicklungsmethodik Unternehmensgrenze Neuer Markt Source: Lely Industries NV Innovationen/ Technologien Aktueller Markt

20 Voraussetzung: Miniaturisierung und Integration: kompakt, leistungsfähiger Kompakte Leistung Funktionenintegration Handling kleiner Teile Hohe Leistung auf kleinem Raum Von der Komponente zum System Mikrohandhabung und Mikromontage Miniaturisierung und Integration Mechanik plus Elektronik plus Pneumatik Integrierte Sensortechnik und Informationsverarbeitung Miniaturisierte Aufbau- und Verbindungstechnik Verwendung spezieller physikal. Effekte (Piezo, Optik...)

21 Beispiel: Piezotechnologie Piezo Pneumatikventile Blinden Lesegeräte Einspritzventil für Dieselmotoren Piezo Summer Piezo Einparkhilfe Wanderwellenmotoren Piezo Ultraschallwandler

22 Vollautomatische Fertigungsanlage 22

23 Neue Lösungen der Mikro- und Nanotechnologie Material modification Polymerelectronics Nanotechnologies Surface effects Energy efficiency Approaches with research projects Displays Actuators Actuator materials Sensors 23

25 Erfolgsgeschichte seit über 10 Jahren = Nachgiebige Servicerobotik Melkroboter Astronaut der Fa. Lely Mechatronik industrieller Handhabungtechnik Mehrachscontroller und Handhabungssysteme Regelung nichtlinearer Systeme AiricsArm, Regelungsbaukasten Piezotechnologie für Proportional-Ventile PKW-Sitzkomfort-Regelung, Medizintechnik,... Übertragen aus der Bionik: Adaptiver Greifer und bionischer Tripod Generative Verfahren für neue Balgstrukturen Bionischer Handling-Assistent

26 Bionischer Handling-Assistent Hochflexibles Assistenzsystem Vorbild Elefantenrüssel Pneumatisch aktuierte Balgstrukturelemente Generative Fertigungstechnologie Nichtlineare Regelung 11 Freiheitsgrade Mensch-Technik-Kooperation Dritte Hand -System Gefahrloser Umgang Hohe Nachgiebigkeit

27 Der Bionische Handling-Assistent: Symbiose aus diversen Querschnittstechnologien Bionik Lernen aus der Natur Übertragen in die Technik Generative Fertigung Fertigen mit Pulver und Laser Dreidimensionale Geometrien Pneumatisch bewegen mit Druckluft Neue Piezoventil-Technologie Mechatronik Nichtlineare Regelungsstrategien Komplexe Mehrachssteuerung

28 Steuerungsentwicklung mit neuen mechatronischen Methoden Zeitaufwand 10 min Zeitaufwand 10 min Algorithmus Regelung, Steuerung, Transformation Realisierung in Matlab/ Simulink Automatische Codegenerierung (PLC-Coder) Zielhardware: Speicherprogr. Steuerung Verkürzung der Entwicklungszeit für Steuerung und Inbetriebnahme um Faktor 10 Verwendung kostengünstiger Kleinsteuerungen (SPS) für komplexe Regelungsaufgaben

29 Entwicklungen für die Produktionstechnik Bionischer Handling-Assistent aus dem Pulver Aktuelle Entwicklungserfolge Neue optimierte Materialien Ressourcenschonende Prozesskette Optimierte Strukturen und Topologien Innovative 3D-Druck Technologie mit unbegrenzten Möglichkeiten Forschen mit Industriepartnern Technologietransfer Leichtbau im Automobil Lösungen für die Luftfahrt Implantate und Medizinprodukte 29

30 Anwendungsgebiete für ein neues Assistenzsystem Arbeiten, lernen und leben mit dem Bionischen Handling-Assistenten: Unterstützung im industriellen Umfeld, in Werkstätten und Agrartechnik Lehrobjekt in technischer Ausbildung zum Thema Robotik Assistenz im persönlichen Umfeld

31 Vielen Dank