Lieferantenqualitätsmanagement für Roboterlieferanten: Warum lassen sich APQP und PPAP aus der Automobilindustrie nicht einfach unverändert übernehmen?

Ein Robotikunternehmen hat in der Prototypphase einen intelligenten Transportroboter entwickelt. Für Untersetzungsgetriebe, Motoren, Steuergeräte, Lidars und Batterien liegen alle Prüfberichte vor, und die wichtigsten Lieferanten sind nach ISO 9001 zertifiziert. Bei den Prototyptests erfüllten alle Kriterien hinsichtlich Positioniergenauigkeit, Tragfähigkeit und Fahrgeschwindigkeit die Anforderungen. Nach den Maßstäben der traditionellen Fertigungsindustrie schien dieses Produkt bereits die Voraussetzungen für die Serienproduktion zu erfüllen.

Doch nach dem Einsatz beim Kunden traten nacheinander Probleme auf: Der Roboter verliert gelegentlich seine Position, wenn er durch eine Glastür fährt; bei starker Reflexion auf dem Boden bremst er plötzlich ab; bei sinkendem Batteriestand ändert sich der Bremsweg; ein Software-Update, das das Navigationsproblem behebt, ist mit einer bestimmten Charge von Steuergeräten nicht kompatibel. Wenn jedes einzelne Bauteil untersucht wird, scheint es den Zeichnungen zu entsprechen; bei Tests im Labor lassen sich die Probleme nur schwer stabil reproduzieren.

Diese Art von Problemen zeigt, dass die Qualität von Robotern nicht nur als "qualifizierte Bauteile, stabiler Herstellungsprozess und vollständige eingereichte Unterlagen" verstanden werden darf. Roboter sind komplexe Systeme, die durch das Zusammenwirken von Mechanik, Elektrik, Software, Algorithmen, Sensoren und Einsatzumgebung entstehen. Die Eignung eines einzelnen Bauteils bedeutet nicht, dass das System zwangsläufig korrekt funktioniert; eine einmalige Genehmigung von Prototypen bedeutet auch nicht, dass das ursprüngliche Leistungs- und Sicherheitsniveau auch nach späteren Software-Updates beibehalten wird.

Nach jahrzehntelanger Entwicklung hat die Automobilindustrie ein Qualitätsmanagementsystem für Lieferanten etabliert, das sich auf APQP, PPAP, FMEA, MSA, SPC und Kontrollpläne stützt. Robotikunternehmen sollten diese Methoden natürlich übernehmen – aber wenn sie lediglich die Formulare, Meilensteine und Dokumentationsanforderungen der Automobilindustrie unverändert übernehmen, erhalten sie höchstwahrscheinlich ein scheinbar vollständiges Qualitätssystem, das die Kernrisiken von Robotern in der Praxis nicht abdecken kann.

Das Problem liegt nicht darin, dass APQP und PPAP veraltet sind, sondern darin, dass sich die Objekte, mit denen sich das Qualitätsmanagement von Robotern befasst, verändert haben.

Welche Hauptprobleme lösen APQP und PPAP in der Automobilindustrie?

1. Der Kern von APQP besteht darin, während der Produktentwicklung und der Vorbereitung der Serienproduktion Risiken frühzeitig zu erkennen und Kundenanforderungen in Anforderungen an das Produktdesign sowie an die Steuerung des Herstellungsprozesses umzuwandeln;

2. PPAP beweist anhand einer Reihe von Unterlagen, Prototypen und Daten aus der Vorserienproduktion, dass der Lieferant die Kundenanforderungen verstanden hat und über die Fähigkeit verfügt, qualifizierte Produkte dauerhaft und stabil herzustellen.

Diese Methode basiert auf einer wichtigen Voraussetzung: Die Produktdefinition ist relativ stabil, Zeichnungen, Materialien, Abmessungen, Toleranzen, besondere Merkmale und Herstellungsprozesse können klar festgelegt werden. Sobald das Design bestätigt wurde, liegt der Schwerpunkt des nachfolgenden Qualitätsmanagements darauf, sicherzustellen, dass der Herstellungsprozess nicht außer Kontrolle gerät und jede Produktcharge mit dem genehmigten Zustand übereinstimmt.

Aus diesem Sinne konzentriert sich das traditionelle PPAP in der Regel auf Designaufzeichnungen, technische Änderungen, DFMEA, PFMEA, Kontrollpläne, Messsystemanalysen, Prozessfähigkeit, Material- und Leistungstests, Prototypen, Prüfhilfsmittel und Teilevorlagegarantien.

Für bearbeitete Teile, Spritzgussteile, Kabelbäume, Strukturteile, Lager und standardisierte elektrische Komponenten in Robotern sind diese Methoden nach wie vor sehr effektiv. Wenn sich das Managementobjekt jedoch auf Roboter-Gelenkmodule, Bewegungssteuergeräte, Vision-Systeme, Navigationsalgorithmen oder das gesamte System bezieht, treten bei der ausschließlichen Nutzung des traditionellen PPAP deutliche Lücken auf.

Denn Roboter sind nicht nur Produkte, die hergestellt werden, sondern auch Systeme, die wahrnehmen, urteilen, sich bewegen und ständig mit ihrer Umgebung interagieren.

Warum können Roboter "nicht qualifiziert" sein, obwohl alle Bauteile den Anforderungen entsprechen?

Qualitätsprobleme bei Automobilkomponenten lassen sich in den meisten Fällen auf Abmessungen, Materialien, Prozessparameter oder Montageabweichungen zurückführen. Bei Robotersystemen treten häufig andere Probleme auf: Jedes Bauteil besteht die einzelne Prüfung, aber im zusammengesetzten Zustand funktioniert es nicht stabil.

Beispielsweise:

1. Der Motor erfüllt die Drehmomentanforderungen und das Untersetzungsgetriebe erfüllt die Genauigkeitsanforderungen – aber bei der Kombination beider Teile kann es zu Kriechbewegungen bei niedriger Geschwindigkeit, Vibrationen oder Temperaturanstiegen kommen;

2. Die Auflösung der Kamera entspricht dem technischen Protokoll, aber bei Gegenlicht, Verdeckungen oder schnellen Bewegungen sind die Erkennungsergebnisse instabil;

3. Die Hardware des Steuergeräts ist vollständig qualifiziert, aber die Firmware-Version ist nicht mit der übergeordneten Software kompatibel, was zu Befehlsverzögerungen führt;

4. Die Wiederholpositioniergenauigkeit des Manipulators ist qualifiziert, aber nach dem Austausch des Endeffektors ändern sich die Gesamtsteifigkeit und der Bremsweg des Geräts.

Die Ursache dieser Probleme liegt selten bei einzelnen Bauteilen, sondern bei Schnittstellen und Kombinationsbeziehungen. Auch die Automobilindustrie verwaltet Schnittstellen, aber Roboter sind noch stärker von Schnittstellen abhängig. Mechanische Schnittstellen, elektrische Schnittstellen, Kommunikationsprotokolle, Zeitsynchronisation, Softwareversionen, Koordinatensysteme, Lastparameter, Sensorkalibrierung und Sicherheitssignale: Wenn nur eine dieser Stellen unklar definiert ist oder sich ändert, kann dies das Verhalten des gesamten Geräts beeinträchtigen.

Aus diesem Grund darf sich das Qualitätsmanagement von Roboterlieferanten nicht nur darauf beschränken, zu prüfen, "ob der Lieferant die Bauteile gut herstellen kann", sondern muss zudem folgende Punkte prüfen:

1. Ob dieses Bauteil in der spezifischen Roboterarchitektur korrekt ausgewählt, integriert und kalibriert wurde und unter allen Betriebsbedingungen stabil bleibt.

2. Das bedeutet, dass das Roboter-APQP um Inhalte wie die Überprüfung der Systemarchitektur, Schnittstellensteuerdokumente, Kompatibilitätsmatrizen von Hard- und Software, Kalibrierung wichtiger Parameter und Integrationsvalidierung erweitert werden muss.

Das traditionelle PPAP beweist einen genehmigten Zustand – aber Roboter können sich ständig weiterentwickeln

Das traditionelle PPAP konzentriert sich in der Regel auf eine festgelegte Teilenummer und einen technischen Zustand. Sobald sich Zeichnungsversion, Material, Produktionsort, Formwerkzeug und Herstellungsprozess ändern, muss der Lieferant eine Änderung beantragen und die entsprechenden Unterlagen erneut einreichen.

Aber Änderungen bei Robotern müssen nicht unbedingt als Änderungen der Zeichnung in Erscheinung treten:

Ein einmaliges Software-Update kann die Bewegungsbahn des Roboters verändern;

Ein einmaliges Update des Algorithmusmodells kann das Ergebnis der Hinderniserkennung verändern;

Ein Austausch der Firmware durch den Sensorlieferanten kann die Aktualisierungsfrequenz der Daten beeinflussen;

Eine Anpassung der Steuerparameter kann Geschwindigkeit, Vibrationen und Bremsweg des Manipulators verändern;

Ein Update der cloudbasierten Strategie kann sogar das Verhalten einer bereits ausgelieferten Robotercharge verändern.

Das heißt, nach Beginn der Serienproduktion von Robotern kann sich das Produkt ständig "weiterentwickeln". Wenn das Qualitätssystem nur noch Materialnummern, Zeichnungsversionen und Änderungen des Herstellungsprozesses verwaltet, entsteht ein gefährlicher blinder Fleck: Die Hardware hat sich nicht verändert, aber das tatsächliche Verhalten des Produkts hat sich bereits geändert.

Aus diesem Grund muss das Qualitätssystem für Roboterlieferanten Software, Algorithmen, Parameter und Daten in die formale Konfigurationsverwaltung einbeziehen. Bei jeder Veröffentlichung müssen mehrere Fragen beantwortet werden:

Was wurde geändert?

Welche Modelle und Chargen sind betroffen?

Werden Sicherheitsfunktionen verändert?

Welche Szenarien müssen neu validiert werden?

Ist ein Zurücksetzen auf die vorherige Version möglich?

Wie können bereits im Einsatz befindliche Roboter erkannt und aktualisiert werden?

Für Roboter sollte das PPAP nicht nur eine einmalige "Genehmigung von Produktionsteilen" sein, sondern zu einer dauerhaften "Produktkonfigurationsgenehmigung" erweitert werden.

Traditionelle Leistungstests sind nicht gleichbedeutend mit Szenariovalidierung für Roboter

Leistungstests für Automobilkomponenten weisen in der Regel klar definierte Bedingungen und Bewertungskriterien auf, beispielsweise Temperatur, Last, Druck, Anzahl der Haltbarkeitszyklen und Maßtoleranzen. Roboter benötigen diese Tests ebenfalls – aber die Erfüllung der Leistungskriterien unter Laborbedingungen allein reicht nicht aus.

Ob ein Roboter qualifiziert ist, hängt zu einem großen Teil von seinem Verhalten in realen Szenarien ab:

1. Derselbe mobile Roboter funktioniert auf ebenem Boden einwandfrei, aber auf Steigungen, an Schwellen, in engen Gängen oder in stark frequentierten Bereichen kann sein Verhalten völlig anders aussehen;

2. Derselbe Vision-System erreicht unter Standardlichtquellen eine sehr hohe Erkennungsrate, aber bei Reflexionen, Schatten, Verschmutzungen, Verdeckungen oder ähnlichen Objekten kann die Fehlerrate deutlich ansteigen;

3. Derselbe Manipulatorbewegungsablauf funktioniert im Leerlauf einwandfrei – aber nach dem Austausch gegen Endeffektoren mit unterschiedlichem Gewicht und unterschiedlichem Schwerpunkt können sich die Bahngenauigkeit und der Bremsweg ändern.

Das traditionelle PPAP konzentriert sich stärker darauf, "ob das Produkt den festgelegten technischen Anforderungen entspricht", während das Qualitätsmanagement von Robotern zusätzlich bestätigen muss: Unter welchen Umgebungsbedingungen, Aufgaben, Geschwindigkeiten, Lasten und Bedingungen der Interaktion mit Personen kann der Roboter Aufgaben stabil erledigen – und welche Maßnahmen er ergreift, sobald er die Grenzen überschreitet.

Dafür müssen die "Aufgaben- und Betriebsgrenzen" des Roboters definiert und eine Szenariovalidierungsmatrix erstellt werden. Normale Szenarien müssen validiert werden, ebenso wie Grenzszenarien, Ausnahmeszenarien und Ausfallszenarien. Es darf nicht nur nachgewiesen werden, dass der Roboter "bei normalem Betrieb funktioniert", sondern auch, dass er "bei Ausnahmen keine gefährlichen Bewegungen ausführt".

Die Automobil-FMEA reicht nicht aus – Roboter erfordern die Analyse von "Verhaltensausfällen"

Die traditionelle DFMEA und PFMEA analysieren hauptsächlich mögliche Ausfälle von Bauteilen, Produktfunktionen und Herstellungsprozessen. Roboter benötigen diese Analysen ebenfalls, aber sie müssen um Risiken auf Verhaltensebene ergänzt werden.

Beispielsweise:

Der Lidar ist nicht vollständig ausgefallen, aber die Daten werden gelegentlich verzögert;

Das Vision-System arbeitet nicht fehlerfrei, sondern erkennt unter bestimmten Lichtverhältnissen falsch;

Der Navigationsalgorithmus läuft weiterhin, wählt aber einen ungeeigneten Weg;

Alle Achsen des Manipulators sind fehlerfrei, aber er bewegt sich aufgrund eines Fehlers bei der Koordinatenumrechnung in die falsche Richtung.

Diese Probleme lassen sich nur schwer ausschließlich über "Ausfallarten von Bauteilen" beschreiben. Die Roboter-FMEA muss nicht nur die Frage beantworten "Welches Bauteil wird ausfallen?", sondern auch folgende Punkte klären:

· Unter welchen Bedingungen kann der Roboter Fehlurteile fällen?

· Fährt der Roboter weiter oder wechselt er in einen sicheren Zustand, wenn die Wahrnehmungsergebnisse unsicher sind?

· Kann die Überlagerung mehrerer geringfügiger Abweichungen zu gefährlichem Verhalten führen?

· Wie wird das System heruntergestuft, wenn die Kommunikation unterbrochen ist, Daten fehlerhaft sind oder Versionen nicht kompatibel sind?

· Wie reagiert der Roboter, wenn Personen plötzlich auftauchen, sich bewegende Hindernisse erscheinen oder Aufgaben vorübergehend geändert werden?

Aus diesem Grund muss die Risikoanalyse von Robotern DFMEA, Software-FMEA, Schnittstellen-FMEA, funktionale Sicherheitsanalyse, Szenarienrisikoanalyse und Cybersicherheitsrisiken miteinander verbinden. Insbesondere bei Robotern mit autonomer Entscheidungsfähigkeit reicht die Analyse von Hardwareausfällen nicht aus.

Roboterlieferanten können nicht nach denselben Prüfmaßstäben bewertet werden

Automobilzulieferer werden in der Regel auch nach Produktrisiko, Liefervolumen und historischer Leistung klassifiziert – aber die Unterschiede in der Roboterlieferkette sind noch deutlicher:

Lieferanten von Strukturteilen beeinflussen hauptsächlich Festigkeit, Genauigkeit und Montage;

Lieferanten von Untersetzungsgetrieben, Kugelgewindetrieben und Servosystemen beeinflussen Bewegungsgenauigkeit, Lebensdauer und Ausfallsicherheit;

Lieferanten von Sensoren beeinflussen die Umgebungswahrnehmung des Roboters;

Lieferanten von Steuergeräten und Software bestimmen direkt die Bewegungslogik des Roboters;

Systemintegratoren stellen zwar nicht unbedingt Kernkomponenten her, übernehmen aber die wichtige Verantwortung für die endgültige Systemsicherheit und die Umsetzung der Funktionen.

Wenn dieselbe Prüfliste für all diese Lieferanten verwendet wird, entstehen leicht zwei Probleme:

1. Es werden eine Menge unnötiger Softwareanforderungen an gewöhnliche mechanische Teile gestellt;

2. Bei Lieferanten von Algorithmen, Steuergeräten und Systemintegratoren werden nur Wareneingangsprüfungen, Geräteinspektionen und 5S am Arbeitsplatz geprüft.

Das Management von Roboterlieferanten muss nach den Lieferobjekten klassifiziert werden – mindestens muss zwischen folgenden Lieferanten unterschieden werden:

- Lieferanten von allgemeinen Bauteilen,

- Lieferanten von wichtigen Bewegungskomponenten,

- Lieferanten von sicherheitsrelevanten Komponenten,

- Lieferanten von Elektronik- und Steuerungssystemen,

- Lieferanten von Software und Algorithmen,

- Lieferanten von Design und Systemintegration.

Nicht nur die Prüfinhalte sind für verschiedene Lieferanten unterschiedlich, sondern auch die Anforderungen an die Einreichung von Genehmigungsunterlagen, der Umfang von Änderungsmeldungen, die Tiefe der Validierung und die Anforderungen an die Problembearbeitung.

Nach der Auslieferung des Roboters ist der Entstehungsprozess der Qualität noch nicht abgeschlossen

In der traditionellen Fertigungsindustrie wird die "Produktauslieferung" häufig als einer der Endpunkte des Qualitätsmanagements betrachtet – aber die tatsächliche Qualität von Robotern zeigt sich oft erst vollständig, wenn sie im Einsatz sind.

Der Boden, die Beleuchtung, die Temperatur, der Staub, das Netzwerk, Personen, Hindernisse und die Aufgabenzyklen, mit denen Roboter konfrontiert sind, können alle unterschiedlich sein. Im Labor lassen sich nicht alle Kombinationen von Szenarien abdecken, daher müssen Betriebsdaten aus dem Markt Teil des Qualitätssystems werden.

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