Wie sinnvoll ist die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine in der Montage?

Roboter mit Greifarmen

Werden sich Mensch und Maschine in Zukunft immer häufiger ihren Arbeitsplatz teilen? Neben den Grundlagen zur automatisierten Gestaltung eines Montagesystems beschreibt der Beitrag auch Merkmale einer Montagetätigkeit, die für eine aufwandsarme Automatisierbarkeit sprechen und einen Robotereinsatz als grundsätzlich sinnvoll erscheinen lassen.

Automatisierung – Potenziale, Klassifizierung Mensch-Roboter-Interaktion und Montagesystem-Gestaltung

Weshalb wird bei der Gestaltung von Montagesystemen häufig über den Einsatz von Robotern zur Automatisierung nachgedacht? Welche verschiedenen Betriebsarten der Mensch-Roboter-Interaktion zur Automatisierung existieren? Und wie erfolgt die Gestaltung eines Montagesystems? Die Fragen beantworten wir Ihnen im Folgenden:

Potenziale von Automatisierung

Die Potenziale von Automatisierung liegen grundsätzlich im Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit sowie der Reduzierung von physischen und psychischen Belastungen des Menschen. Der Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit kann durch ein gleichbleibendes Qualitätsniveau, Qualitätsverbesserung durch die hohe Präzisionsgenauigkeit sowie die Reduzierung der Durchlaufzeiten und Steigerung der Ausbringungsmenge erreicht werden. Physische und psychische Belastungen können durch eine ergonomische Arbeitsplatzgestaltung sowie angemessene herausfordernde Arbeitsinhalte für Menschen reduziert werden.

Klassifizierung verschiedener Betriebsarten von Mensch und Roboter

Zur Automatisierung von Montagesystemen können unter anderem Industrieroboter und Cobots eingesetzt werden. Als Industrieroboter bezeichnet man hierbei eine programmierbare Maschine, die Werkstücke handhaben, montieren oder bearbeiten soll. Wesentliche Bestandteile sind der Manipulator (Roboterarm), Effektor (Greifer oder Werkzeug) sowie die Steuerung. Die Bezeichnung Cobot bezeichnet in Ergänzung dazu einen Industrieroboter, der gemeinsam mit Menschen arbeitet und somit nicht durch Schutzeinrichtungen eingehaust ist. Im Bereich der Interaktion Mensch-Roboter findet eine Klassifizierung in drei Betriebsarten statt:

  • Mensch-Roboter-Koexistenz: Nebeneinander, getrennte Arbeitsräume, sequenzielle Arbeitsausführung

  • Mensch-Roboter-Kooperation: Zusammenarbeit, Eingriffzonen, parallele Arbeitsausführung

  • Mensch-Roboter-Kollaboration: Zusammenarbeit, gemeinsame Arbeitsräume, parallele Arbeitsausführung, taktile Interaktion

Je mehr Cobot und Werker gemeinsam haben (Arbeitsraum, Tätigkeitsausführung, Taktile Interaktion), desto geringer darf beispielsweise die Leistungsgeschwindigkeit des Roboters sein. Außerdem werden mehr Sensoren benötigt, um spezifische Daten des Roboters (Druck, Kraft, Position, etc.) zu überwachen und Personen zu detektieren.

Gestaltung von Montagesystemen

Bei der Gestaltung eines Montagesystems sollte der Montagevorgang in produktseitige Montageeinheiten und prozessuale Montagefunktionen aufgeteilt werden. VDI 2860 definiert hierfür fünf Montagefunktionen: Fügen, Handhaben, Kontrollieren, Justieren und Hilfsoperationen. Bei der Gestaltung der einzelnen Montagefunktionen können nun basierend auf den unterschiedlichen Betriebsarten von Industrierobotern und Cobots verschiedene Interaktionsformen von Mensch und Roboter gestaltet werden. Hierbei stellt sich die Frage, welche Merkmale einer Montagetätigkeit für eine aufwandsarme Automatisierbarkeit sprechen und einen Robotereinsatz grundsätzlich sinnvoll erscheinen lassen. Dieser Frage wird im nächsten Abschnitt nachgegangen.

 

Merkmale zur grundsätzlichen Eignung eines Roboter-Einsatzes

Welche Merkmale weisen auf die grundsätzliche Eignung eines Roboter-Einsatzes zur Montage-Automatisierung hin? Hierbei lassen sich das Montageobjekt, der Montageprozess sowie die Bereitstellung unterscheiden.

Montageobjekt

Hinsichtlich des Montageobjektes ist es sinnvoll, die Anzahl an handhabbaren Komponenten möglichst gering zu halten. Das Objekt sollte formstabil und unempfindlich gegen sichtbare oder funktionsrelevante Beschädigungen sein und ein Gewicht von fünf Kilogramm nicht über- sowie eine Größe von einem bis 500 Millimeter nicht unter- bzw. überschreiten. Es sollte außerdem eine Möglichkeit zum Greifen, Ausrichten und Positionieren vorweisen. Geringe Abweichungen der Bauteiltoleranzen und eine stetig hohe Bauteilqualität mit einer geringen Anzahl an defekt bereitgestellten Bauteilen sprechen außerdem für eine Montage mittels Roboter.

Montageprozess

Aus Montage-Prozesssicht ist vor allem eine ausreichende Taktzeit ausschlaggebend. Zu kurze Taktzeiten resultieren in zu hoher Geschwindigkeit des Roboterarms und damit zu höheren Gefahren durch höhere Geschwindigkeiten. Einfache, lineare (Füge-)Bewegungen ohne Rotation oder Bahnbewegungen sowie eine kontinuierliche Führung der Bewegungsbahn sprechen für eine aufwandsarme Automatisierung. Zudem sollte der Bewegungsraum für Fügen und Positionieren kollisionsfrei und gut zugänglich sein. Eine geringe Anzahl an Varianten ist ebenso hilfreich wie eine möglichst geringe Fügekraft bzw. -moment. Konstruktiv vorgesehene Fügehilfen sowie möglichst geringe Präzisionsanforderungen können die Automatisierung vereinfachen. Kontrollen oder Sonderoperationen können zwar in den meisten Fällen durch Messeinrichtungen mittels Sensoren erfüllt werden, die Abwesenheit solcher Aktivitäten erleichtert aber den Einsatz von Robotern.

Bereitstellung

Der Bereitstellort sollte uneingeschränkt zugänglich sein und die Bereitstellung sollte im Magazin erfolgen, in dem die Lage und Position der Bauteile klar definiert ist. Ein Verhaken, Verklemmen oder Haften der einzelnen Objekte sollte bei der Vereinzelung verhindert werden. Zudem sollte die Bereitstellung in das gesamte Logistikkonzept integriert sein und zusätzliche Prozesse sollten vermieden werden.

Feinplanung

Bei einem positiven Ergebnis der Grobabschätzung sollte eine detailliertere Planung des Systems erfolgen. Nach der Festlegung des Prozesses, der (nicht-)trennenden Schutzeinrichtungen, des Bauteilgewichts und der -geometrie, der Greiftechnik und  Greifwechselsysteme sollte speziell für den Cobot die Teilebereitstellung und -abfuhr, Taktzeit, Arbeits- und Achsbereiche, sicherheitsgerichtete Funktionen sowie Type, Hersteller und Betriebsart festgelegt werden. Im Rahmen der Sicherheitsuntersuchung sollte in jedem Falle eine Risikobeurteilung für das gesamte System, bestehend aus Roboter, Werkzeug, Bauteile und Arbeitsplatz-Umgebung, durchgeführt werden und entsprechende Schutzmaßnahmen abgeleitet werden.

 

Fazit

Mittels der dargestellten Merkmale lässt sich schnell abschätzen, ob ein aufwandsarmer Robotereinsatz grundsätzlich möglich und sinnvoll ist. Im Anschluss an diese erste, grobe Einschätzung sollte immer eine detaillierte Prüfung und Feinplanung erfolgen, insbesondere eine Risikobeurteilung und eine genauere Betrachtung des Gesamtsystems. Eine abschließende Antwort auf die Frage über die Sinnhaftigkeit des Robotereinsatzes kann folglich nur im Rahmen der Feinplanung nach eingehender Planung und Bewertung des gesamten Montagesystems gegeben werden.