Robert-Bosch-Schule Ulm

Aufbau der Lernfabrik

Technologieschema

Bei der Lernfabrik 4.0 handelt es sich um ein modulares System, welches das Prinzip einer Handy-Montage realisiert.

Die Lernfabrik besteht aus 9 Palettentransfersystemen mit den nachfolgend beschriebenen Applikationsmodulen. Des weiteren ist eine Robotermontagezelle, ein fahrerloses Tranportsystem, ein 3D-Drucker sowie ein Handarbeitsplatz in das System integriert. Gesteuert wird die Lernfabrik über einen MES-Rechner der Firma FESTO. Eine Schnittstelle zu SAP4School, das an der Friedrich-List-Schule installiert ist, wird eingerichtet.

Der folgende Produktionsablauf wird an der Lernfabrik 4.0 realisiert:
Nach Start des Fertigungsauftrags am MES-Rechner erreicht ein leerer Werkstückträger das Stapelmagazin1, das zur Bevorratung und Einschleusung der Unterschale dient, und eine Unterschale wird auf den Werkstückträger gelegt. Dann wird der Werkstückträger  zur nächsten Station gefördert, der Produktweiche. Der MES-Rechner entscheidet, ob der aktuelle Werkstückträger weiter zur Bohrstation gefördert wird oder ob dieser zum Handarbeitsplatz tranportiert werden muss.

Ist ein Transport zum Handarbeitsplatz erforderlich, wird ein Transportauftrag an das fahrerlose Transportsystem (Robotino) gesendet. Der Robotino holt den Werkstückträger bei der Produktweiche ab und fördert diesen zum Handarbeitsplatz. Der Werkstückträger wird auf den Handarbeitsplatz übergeben. Ein Werker kann nun vom 3D-Drucker individuell gefertigte Inlays in die Unterschale des Handys einlegen. Ist dies erfolgt, gibt der Werker den Werkstückträger frei. Der Robotino holt diesen vom Handarbeitsplatz und transportiert ihn wieder zur Produktweiche.

Die Produktweiche fördert den Werkstückträger zur Bohrstation. Die Bohrstation dient zum variablen Bohren der Unterschale. Der MES-Rechner entscheidet ob und wieviele Löcher in die Unterschale gebohrt werden müssen. Die Bohrstation transportiert den Werkstückträger zur nächsten Produktweiche.

Bei dieser Produktweiche wird entschieden, ob eine Platine in die Unterschale eingelegt werden muss. Ist dies der Fall, wird der Werkstückträger zur Robotermontagezelle gefördert.

Die Robotermontagezelle besteht aus einem KUKA KR6 Industrieroboter, einem Kamerasystem, einem Magazin für Platinen, 3 Speicher für Feinsicherungen sowie einem Greiferwechselsystem für drei Robotergreifer.
Über mehrere Förderstecken gelangt der Werkstückträger an einen Stopper. Hier entnimmt der Roboter die Unterschale vom Werkstückträger. Der Roboter legt die Unterschale in den Erfassungsbereich eines Kamerasystems, das die korrekte Orientierung der Unterschale überprüft. Danach wird die Unterschale in einer Montageaufnahme abgelegt. Als nächstes wird eine Platine in die Unterschale eingelegt und mit Feinsicherungen bestückt. Dabei sind mehrere Greiferwechsel am Roboter nötig. Wurde die Unterschale erfolgreich mit der Platine bestückt, wird diese wieder in den Werkstückträger gelegt. Danach wird der Werkstückträger aus der Robotermontagezelle gefördert.

Die nächste Bearbeitungsstation ist das Stapelmagazin 2. Diese Station dient zum Bevorraten und Einschleusen der Oberschale, die hierzu auf die Unterschale gelegt wird. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, wird der Werkstückträger zur Pressstation transportiert.

Bei der Pressstation handelt es sich um eine "Muskelpresse" zum Verpressen von Ober- und Unterschale mit variablem Anpressdruck. Den auftragsspezifischen Anpressdruck erhält die Presstation vom MES-Rechner. Wurden die beiden Schalen verpresst, wird der Werkstückträger zur Wendestation gefördert.

In der Wendestation wird entschieden, ob das Werkstück aus dem Wersktückträger entnommen und um 180° gewendet werden muss. Nach der Wendestation wird der Werkstückträger mit dem fertig montierten und korrekt orientierten Werkstück zur Handlingstation transportiert.

Die Handlingstation dient zur manuellen Werkstückausgabe. Hier wird das Werkstück mittels eines Greifers vom Werkstückträger abgenommen und je nach Auftrag des MES-Rechners auf ein linkes oder rechtes Leerlaufrollenband gelegt. Der Werker kann nun das fertig montierte Werkstück entnehmen – der Fertigungsauftrag ist somit beendet.

Hardwarekomponenten

9 Pallettentransfersysteme, Wersktückträgertransport, FESTO
2 Stapelmagazine, Bevorratung und Einschleusen der Ober- bzw.Unterschale,FESTO
1 Bohrstation           , Variables Bohren der Unterschale, FESTO
1 Wendestation, Wenden des Werkstücks, FESTO
1 Robotermontagezelle mit KUKA KR6, Platinen auftragsspezifisch bestücken und in Unterschale einlegen, Bevorratung Platinen, FESTO
1 Pressstation, Verpressen von Ober- und Unterschale mit variablem Anpressdruck, FESTO
1 Handlingstation, manuelle Werkstückausgabe, FESTO
1 Fahrerloses Transportsystem "Robotino", Werkstücktransport, FESTO
1 3D-Drucker "Replicator", Ausdruck von individuellen Inlays, Makerbot
1 MES- Rechner "MES4", Fertigungssteuerung, FESTO

Verwendete Software

Software, Beschreibung, Hersteller
TIA-Portal V15, Programmierung der SPS-Steuerungen, Siemens
MES4, Fertigungssteuerung, FESTO
KUKA System Software 8.5, Roboterprogrammierung, KUKA
SAP4School, ERP-System, SAP

Pädagogisches Konzept

In der Abteilung Elektrotechnik verfügt die RBS im Bereich der Automatisierungs-technik über einen neu eingerichteten Labor-Raum, der schwerpunktmäßig zur Programmierung von SPS-Steuerungen sowie deren Vernetzung und für Projektarbeiten im Bereich der Automatisierungstechnik eingesetzt werden. Neu hinzu kam im Schuljahr 2018/19 ein Grundlagenlabor mit CPS - Einzelkomponenten von FESTO.

Die Abteilung Fertigungstechnik verfügt über zwei Automatisierungslabore mit Schwerpunkt SPS-Technik und Pneumatik sowie ein Roboter-Labor mit zwei KUKA-Robotern.

Beschreibung des Grundlagen-Labors:
Thematisch soll sowohl in dem im Schuljahr 2018/19 eingerichteten Grundlagenlabor als auch in der verketteten Lernfabrik 4.0 die vereinfachte Montage eines Mobiltelefons umgesetzt werden. Im Grundlagenlabor liegt der Fokus auf der Wissensvermittlung der Grundfunktionalitäten, der Aktoren und Sensoren sowie der Steuerungslogik jeder einzelnen Station. Dazu werden im hinteren Teil des Labors die beschafften Stationen wie abgebildet mit jeweils zwei Schüler-Sitzplätzen aufgestellt. Im vorderen Teil des Raumes kann eine geteilte Klasse frontal unterrichtet werden. Somit ist dieser Raum auf die Beschulung einer geteilten Laborklasse ausgerichtet. Dieses Grundlagenlabor ist seit November 2018 einsatzfähig. In dem Grundlagenlabor wird anhand der folgenden Arbeitsstationen unterrichtet:
6 Palettentransfersysteme zum Werkstückträgertransport, FESTO
2 Stapelmagazine zur Bevorratung und Einschleusen der Ober- bzw.Unterschale,FESTO
1 Bohrstation            zum variablen Bohren der Unterschale, FESTO
1 Wendestation zum Wenden des Werkstücks, FESTO
3 Roboterschulungszellen mit KUKA KR3 Industrierobotern, KUKA
1 Pressstation zum Verpressen von Ober- und Unterschale mit variablem Anpressdruck, FESTO
1 Handlingstation zur manuellen Werkstückausgabe, FESTO
1 MES- Rechner "MES4" zur Fertigungssteuerung, FESTO

Beschreibung der Lernfabrik4.0
Im November 2019 wurde die Lernfabrik4.0 geliefert, installiert  und anschließend in Betrieb genommen. Die Lernfabrik4.0 wurde in direkter Nachbarschaft zum Grundlagenlabor aufgebaut. Die im Grundlagenlabor vermittelten Kenntnisse der Einzelstationen können hier in den Gesamt-Ablauf mit Fokus auf die Gesamt-Anlagensteuerung vermittelt und gezeigt werden.
Eine zentrale Rolle spielt hierbei der MES-Leitstand (Fertigungsleitrechner) zur Auftragssteuerung. Ein weiterer Vorteil durch den redundanten Aufbau von Grundlagenlabor und Lernfabrik4.0 ist die deutlich höhere Schülerzahl, die an den Systemen unterrichtet werden kann. Auch die Umsetzung der Musterlösung BW kann durch die Einzelstationen leichter realisiert werden.

Konkrete Umsetzung der Musterlösung-BW

Die wesentlichen Komponenten der Lernfabrik 4.0 sind an der Robert-Bosch-Schule jeweils auch als Einzelstationen vorhanden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, alle 3 Level der Musterlösung-BW zu unterrichten.

Für das Level1 der Musterlösung werden die Einzelstationen verwendet und entsprechend das Förderband, die Werkstückträgererkennung und das Applikationsmodul programmiert. Zusätzlich zu den vorhandenen 6 verschiedenen Einzelstationen sollen 6 Bohrstationen beschafft werden. Das Level1 der Musterlösung wird bei den Elektronikern sowie in abgewandelter Form auch in der Fachschule für Technik unterrichtet.

Auch das Level2 der Musterlösung BW wird mit Hilfe der Einzelstationen unterrichtet. Hier werden an der RBS Uom die integrierten RFID-Schreib-Lese-Geräte verwendet.Das Level2 wird vornehmlich bei den Elektronikern für Automatisierungstechnik sowie in der Fachschule für Technik unterichtet.

Das Level 3 der Musterlösung BW kann sowohl an den Einzelstationen als auch an der Lernfabrik 4.0 unterrichtet werden. Aktuell kommt dieses Level in der Fachschule für Technik, Fachrichtung Automatisierungstechnik und Fachrichtung Elektrotechnik zum Einsatz. Hierbei wird konkret auf die Werkstückträgererkennung mittels RFID, deren Programmierung sowie der Schnittstelle zum MES-Rechner eingegangen.

Schularten/Ausbildungsberufe, bei denen die Lernfabrik zum Einsatz kommt

RBS Ulm:

Fachschule für Technik – Elektrotechnik
Fachschule für Technik – Automatisierungstechnik/Mechatronik
Fachschule für Technik – Maschinentechnik
Berufsschule – Elektroniker/-in für Automatisierungstechnik
Berufsschule – Elektroniker/-in für Betriebstechnik
Berufsschule – Elektroniker/-in für Geräte und Systeme
Berufsschule – Fachinformatiker/-in, Fachrichtung Systemintegration
Berufsschule – Fachinformatiker/-in, Fachr. Anwendungsentwicklung
Berufsschule – Industriemechaniker/-in
Dreijähriges duales Berufskolleg „Elektronik“
Zweijähriges Berufskolleg für Informations- und Kommunikationstechnik
Technisches Gymnasium, Profil Mechatronik

FLS Ulm:

Berufsschule – Industriekaufleute
Berufsschule – Informatikkaufleute
Wirtschaftsgymnasium (Informatik / Wirtschaftsinformatik)
Kaufmännisches Berufskolleg I+II, Übungsfirma bzw. Gesch.prozesse

Kooperation mit anderen Standorten

Friedrich-List-Schule Ulm

Beschreibung der Kooperation

Integration ERP–MES–Produktion
Kooperation der Robert-Bosch-Schule Ulm mit der Friedlich-List-Schule Ulm

Um den Schülerinnen und Schülern eine möglichst realitätsnahen betrieblichen Gesamtablauf darzustellen, kooperiert die Robert-Bosch-Schule Ulm (RBS) als gewerbliche Schule mit der kaufmännischen Friedrich-List-Schule Ulm (FLS). Somit kann der komplette Produktionsvorgang vom Auftragseingang über die Beschaffung bis hin zur tatsächlichen Produktion dargestellt werden. Seitens der FLS soll hierzu ein ERP-System eingerichtet und betrieben werden.

Als erster Schritt ist geplant, die Verbindung zwischen den kooperierenden Schulen mit dem ERP-System "SAP4School" und dem MES-System "MES4" der Firma FESTO über die Schnittstelle "SAP2MES" vom SAP University Competence Center (UCC) der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg zu realisieren.

In weiteren Entwicklungsschritten soll eine eigene Schnittstelle zwischen der Friedrich-List-Schule und der Robert-Bosch-Schule realisiert werden.

Die Kooperation zweier so großer Schulen wie der FLS und der RBS in Ulm mit 2.700 bzw. 3.300 Schülerinnen und Schülern und rd. 170 Lehrpersonen je Schule sowie mit langjähriger Expertise in den jeweiligen Ausrichtungen bietet die Chance, bislang unabhängig voneinander existierendes Spezialwissen erfolgreich zusammenzuführen und darüber hinaus mit dem Konzept der Lernfabrik 4.0 einen außergewöhnlich großen Personenkreis zu erreichen.

Die Inbetriebnahme der Lernfabrik geplant im Oktober 2020. Coronabedingt verschoben.
Der Aufbau der Lernfabrik wurde durch das Wirtschaftsministerium (Förderaufruf 2018) gefördert.

Kontakt:
Robert-Bosch-Schule Ulm
Egginger Weg 30
89077 Ulm
www.rbs-ulm.de

Ansprechperson:
Brüstl, Ralph