Hohe Marktdynamik, Wettbewerb in der Globalisierung und die demographische Entwicklung samt Fachkräftemangel stellen deutsche Produktionsunternehmen vor große Hürden. Diese Veränderungen betreffen insbesondere den Montageprozess als letztes Glied der Wertschöpfungskette. Ein Lösungsansatz, um diesem Wandel zu begegnen, ist ein Einsatz sogenannter Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). MRK-Systeme sind aufgrund ihrer Planungskomplexität derzeit jedoch noch mit hohem Aufwand verbunden. Deshalb besteht ein Bedarf an einfachen und flexiblen Methoden, mit denen es Unternehmen aus unterschiedlichsten Branchen mit verschiedensten Anwendungsrandbedingungen (Produktkomplexität, Varianz, Stückzahlen etc.) ermöglicht wird, kollaborative Montagearbeitsplätze einzurichten und einzuführen.
Im Forschungsprojekt ‚SafeMate‘, das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, wurde ein Leitfaden zur Gestaltung und Einführung von sicheren und akzeptierten MRK-Arbeitsplätzen entwickelt. Neben Firmen wie Lenze, Lufthansa Sky Chefs, Miele und Sennheiser war auch das Automatisierungs- und Verbindungstechnik-Unternehmen Weidmüller aus Detmold Teil dieses Forschungsprojektes. Schon lange beschäftigt sich das Unternehmen mit dem Thema Industrie 4.0 und ist neben ‚SafeMate‘ an weiteren Forschungskooperationen beteiligt.
Am Anfang geschah alles von Hand
Noch bis vor kurzem wurde bei Weidmüller ein Bestückungs-Prozess von elektromechanischen Komponenten komplett manuell durchgeführt. Im Rahmen von ‚SafeMate‘ sollten nun in einer Potenzialanalyse – durchgeführt vom Team um den Weidmüller-Prozessingenieur Tobias Stuke – die einzelnen Verrichtungen von Mensch und Maschine ermittelt und so eine optimale Arbeitsteilung geschaffen werden. Während Roboter die monotonen, sich wiederholenden und kraftintensiven Tätigkeiten des Bestückungsprozesses sehr gut ohne Ermüdung durchführen können, bei gleichbleibender Genauigkeit, kommt der Mensch mit seinen besonderen Fähigkeiten, beispielsweise beim Greifen und Entnehmen unterschiedlich dimensionierter Kleinteile aus dem Haufwerk zum Einsatz. Er ist in der Lage diese besser zu erkennen und einzusortieren. Auch im lagerichtigen Zuführen und im anschließenden Prüfprozess ist der Mensch seinem Roboterkollegen überlegen. Basierend auf diesen Erkenntnissen teilautomatisierte man anschließend in einer ersten SafeMate-Pilotanwendung den Montageprozess durch den Einsatz von MRK. So entstand ein hybrider Montagearbeitsplatz, bei dem Mensch und Roboter parallel arbeiten.
Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK)
In der kollaborativen Robotik können Mensch und Roboter Hand in Hand an einem Arbeitsplatz zusammenarbeiten. Aufgrund der sensitiven Steuerungstechnik kann der Roboter eng und ohne Schutzzäune mit dem Menschen zusammenarbeiten. Die Anwendung bedarf einer Validierung, um sicherzustellen, dass die Gefährdung ausreichend minimiert wurde. Das kann im Rahmen einer Messung von Kraft und Druck erfolgen, die von TÜVs, Berufsgenossenschaften, externen Dienstleistern oder eigenständig durch den Integrator durchgeführt werden. Auch End-of-Arm-Tools, wie ein Greifer, können auf diese Weise validiert werden.
Für den neuen hybriden Arbeitsplatz zur Montage elektromechanischer Komponenten wurde ein Cobot des dänischen Herstellers Universal Robots (UR) eingesetzt. Hier erfolgt nun die Bestückung der Steckerelemente durch den Menschen. Anschließend führt der Cobot das Eindrücken der elektrischen Kontaktelemente, das Fügen des Steckergehäuses sowie das anschließende Verschrauben der Anschlusskontakte durch. Im Vordergrund dieser Teilautomation steht die Entlastung des Maschinenbedieners von zeitintensiven und monotonen Zwischenschritten sowie eine ausgewogene Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter. Durch die Verkürzung der Zwischenschritte und Wartezeiten im Bestückungsprozess erhöht sich allerdings auch die Produktivität des Prozesses.
Der MRK-Greifer der Zimmer Group
Im Rahmen der Arbeitsplatz-Konzeptionierung wurde neben der Auswahl eines geeigneten Roboters auch ein passender Greifer benötigt. Denn die Greiftechnik ist ein elementarer Bestandteil jeder Roboter-Applikation. Fündig wurde man relativ schnell beim Greifer HRC-02 des badischen Greiferspezialisten Zimmer Group aus Rheinau.
Die Zimmer Group bietet nach eigenen Angaben das derzeit größte Portfolio an MRK-Greifern weltweit. Der für das Projekt ausgewählte Greifer ist sicher und harmonisiert auch sehr gut mit dem gewählten Roboter. Der speziell für den MRK-Einsatz konstruierte vollelektrische Servo-Greifer HRC-02 weist keine scharfen Kanten auf und ist so gestaltet, dass bei seiner allseitig abgerundeten Form ein versehentliches Hängenbleiben praktisch ausgeschlossen ist. Darüber hinaus verfügt er über flexibel einstellbaren Hub und Greifkraft. Dadurch kann er viel sensitiver zugreifen als ein konventioneller Greifer. Diese Eigenschaften in Verbindung mit einer mechanischen Selbsthemmung der Greifbacken – selbst bei Not-Aus oder Energieausfall verliert der Greifer das Werkstück nicht – bietet die notwendige Sicherheit für dieses Projekt. Alle MRK-Greifer der Zimmer Group erfüllen dabei die hohen Anforderungen der Schutzprinzipien nach ISO/ TS 15066 (MRK-Norm) und sind BG/ DGUV-zertifiziert.
Beim SafeMate-Projekt von Weidmüller lag ein weiterer Fokus darin, den Cobot flexibel einsetzen zu können. Daher wurde besonders auf eine einfache Handhabung des Roboters geachtet. Überzeugend war die einfache Bedienbarkeit des UR-Cobots im Zusammenspiel mit dem Zimmer-Greifer. Das ist kein Zufall, da die Zimmer Group als UR+-Partner ein umfangreiches Portfolio UR-kompatibler Greifer bereithält. Das bedeutet, dass sowohl Cobot als auch Greifer direkt über das intuitive Touch-Bedienpanel des Roboters gesteuert oder programmiert werden können.
Erhöhte Produktivität und Zufriedenheit
Der Piloteinsatz des Cobots in der Abteilung Maschinenbau von Weidmüller eröffnet neue Möglichkeiten, auch im Hinblick auf Effizienz und Flexibilität. Durch diese neue hybride Arbeitsteilung und die einfache Bedienbarkeit sowie leichte Installation des intelligenten Roboters und seines Greifers kann der Elektronikhersteller nun dem Fachkräftemangel und dem globalen Wettbewerb ein Stück weit mehr gerecht werden. Neben der Produktivitätssteigerung gab es auch wichtige, nicht monetäre Erfolge, etwa die ergonomische Arbeitsplatzoptimierung und die allgemeine Arbeitserleichterung für die Mitarbeiter. Die hohe Mitarbeiterakzeptanz gelang auch durch eine partizipative Implementierung, bei der die Werker von Anfang an in den Veränderungsprozess einbezogen wurden.
