Mein Roboterkollege hat alles im Griff

Hohe Marktdynamik, zunehmender Wettbewerb durch die Globalisierung, aber auch die demografische Entwicklung und der zunehmende Fachkräftemangel stellen deutsche Produktionsunternehmen vor große Hürden. Diese Veränderungen betreffen insbesondere den Montageprozess als letztes Glied in der Wertschöpfungskette.

Ein Ansatz, diesem Wandel entgegenzuwirken, ist der Einsatz der sogenannten Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). Allerdings sind MRK-Anlagen aufgrund ihrer Planungskomplexität immer noch mit hohen finanziellen und personellen Kosten verbunden. Es werden einfache und flexible Methoden benötigt, die es Unternehmen aus vielen Branchen mit unterschiedlichsten Einsatzrandbedingungen (Produktkomplexität, Varianz, Stückzahlen etc.) ermöglichen, kollaborative Montagearbeitsplätze aufzubauen und einzuführen.

Forschungsprojekt SafeMate

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ geförderten Forschungsprojekt SafeMate wurden Strategien und Konzepte zur Einführung und Gestaltung kollaborativer Montagearbeitsplätze entwickelt. Im Fokus standen sichere und akzeptierte Arbeitsplätze, an denen Mitarbeiter einen hohen Nutzen erkennen. Neben namhaften deutschen Unternehmen wie Lenze, Lufthansa Sky Chefs, Miele und Sennheiser war auch das Detmolder Unternehmen Weidmüller an diesem Forschungsprojekt beteiligt.

Die Weidmüller Gruppe ist ein Global Player und spezialisiert auf die Bereiche elektrische Verbindungstechnik und Elektronik. Gemeinsam mit seinen Kunden gestaltet es die digitale Transformation – mit Produkten, Lösungen und Services für Smart Industrial Connectivity und das Industrial Internet of Things.

Weidmüller ist mit seinen Produkten überwiegend im Maschinenbau, der Prozessindustrie, der Energieerzeugung und erneuerbaren Energien, der Verkehrstechnik, der Gebäudeinfrastruktur und im Bereich der Gerätefertigung tätig. Das Unternehmen beschäftigt sich seit langem mit dem Thema Industrie 4.0. und ist zusätzlich zu SafeMate an anderen Forschungskooperationen beteiligt.

Als alles von Hand gemacht wurde

Bis vor kurzem wurde der Montageprozess für elektromechanische Komponenten bei Weidmüller komplett manuell durch Mitarbeiter am Montagearbeitsplatz durchgeführt.

Im Rahmen von Safe-Mate sollte eine Potenzialanalyse – durchgeführt vom Team um Weidmüller Verfahrenstechniker Tobias Stuke – die individuellen Aufgaben von Mensch und Maschine ermitteln und so eine aufgabenoptimale Arbeitsteilung schaffen. Dabei zeigte sich unter anderem, dass Roboter die monotonen, repetitiven und kraftintensiven Aufgaben des Bestückvorgangs sehr gut ermüdungsfrei erledigen können. Und das mit gleichbleibender Genauigkeit.

Aber ohne Menschen geht es nicht:Menschen haben besondere Fähigkeiten, zum Beispiel Kleinteile unterschiedlicher Größe aus einem Stapel oder einer Kiste zu greifen und zu entnehmen. Sie können sie besser erkennen und sortieren. Auch bei der korrekten Fütterung und dem anschließenden Kontrollprozess ist der Mensch seinen Roboterkollegen überlegen.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde der bisher manuelle Montageprozess in einer ersten SafeMate-Pilotanwendung durch den Einsatz von Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) teilautomatisiert. Das Ergebnis war ein hybrider Montagearbeitsplatz, an dem Mensch und Roboter parallel arbeiten. Die monotonen und kraftintensiven Aufgaben übernimmt der Roboter, während die kognitiv anspruchsvollen Aufgaben vom Menschen übernommen werden.

Mensch-Roboter-Kollaboration

Bei der kollaborativen Robotik können Mensch und Roboter an einem Arbeitsplatz Hand in Hand arbeiten. Durch die sensible Steuerungstechnik kann der Roboter ohne Schutzzäune eng mit dem Menschen zusammenarbeiten. Die Anwendung erfordert eine Validierung, um sicherzustellen, dass Gefahren ausreichend minimiert wurden. Dies kann im Rahmen einer Kraft- und Druckmessung durch TÜV, Berufsgenossenschaften, externe Dienstleister oder eigenständig durch den Integrator erfolgen. Auch End-of-Arm-Tools, wie z. B. ein Greifer, können auf diese Weise validiert werden.

Für den neuen Hybridarbeitsplatz zur Montage elektromechanischer Komponenten wurde nun ein solcher Cobot des dänischen Roboterherstellers Universal Robots (UR) an die Seite der Mitarbeiter gestellt, um mit ihnen zu arbeiten. Zuerst montiert der Kollege die Verbindungselemente. Anschließend presst der Cobot die elektrischen Kontaktelemente ein, fügt das Steckergehäuse zusammen und verschraubt die Anschlusskontakte. Durch den Einsatz eines kollaborativen Roboters und der daraus resultierenden Reduzierung von Zwischenschritten oder Wartezeiten im Montageprozess wird die Produktivität des gesamten Hybridarbeitsplatzes gesteigert. Der Fokus dieser Teilautomatisierung liegt darauf, den Maschinenbediener von zeitraubenden und monotonen Zwischenschritten zu entlasten und eine ausgewogene Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter zu erreichen.

Ein Cobot mit Zimmer HRC-Greifer

Neben der Auswahl eines geeigneten Roboters war im Rahmen der Arbeitsplatzgestaltung auch ein geeigneter Greifer gefragt. Denn die Greiftechnik ist ein elementarer Bestandteil jeder Roboteranwendung. Relativ schnell war der Greifer HRC-02 des Greiferspezialisten Zimmer Group aus Rheinau gefunden. Die Zimmer Group verfügt derzeit über das weltweit größte Portfolio an MRK-Greifern. Der ausgewählte Greifer ist sicher und harmoniert perfekt mit dem ausgewählten UR-Roboter.

Der speziell für den MRK-Einsatz konzipierte vollelektrische Servogreifer HRC-02 hat keine scharfen Kanten und ist so konstruiert, dass durch seine allseitig abgerundete Form ein versehentliches Hängenbleiben nahezu ausgeschlossen ist. Zudem verfügt der HRC-02 über einen flexibel einstellbaren Hub und Greifkraft, wodurch er deutlich feinfühliger greifen kann als ein herkömmlicher Greifer.

Diese Merkmale gepaart mit einem industrieerprobten Design bieten maximale Sicherheit für dieses Projekt. Alle MRK-Greifer der Zimmer Group erfüllen die hohen Anforderungen der Schutzgrundsätze nach ISO/TS 15066 (MRK-Norm) und sind BG/DGUV-zertifiziert.

Programmieren leicht gemacht

Im SafeMate-Projekt von Weidmüller lag ein weiterer Fokus darauf, den UR-Cobot am neuen Hybrid-Arbeitsplatz effizient und flexibel einsetzen zu können. Daher wurde auch auf eine einfache Handhabung des Roboters geachtet.

Die einfache Bedienung des Cobots überzeugte vor allem in Kombination mit dem HRC-02-Greifer. Schließlich ist es kein Zufall, dass alle Greifer der Zimmer Group perfekt mit UR-Leichtbaurobotern zusammenarbeiten können – als UR+-Partner zeigt die Zimmer Group derzeit das größte Portfolio an UR-kompatiblen Greifern auf der UR+-Website.

Wo bisher aufwendige Programmierarbeiten und komplexe Programmierkenntnisse erforderlich waren, lässt sich der Cobot von Universal Robots mit seinem Zimmer-Greifer sehr einfach bedienen. Die Steuerung bzw. Programmierung erfolgt direkt über das intuitiv gestaltete Roboter-Bedienfeld – vergleichbar mit einer Smartphone-App.

Gesteigerte Produktivität und Zufriedenheit

Der Piloteinsatz des Cobots im Maschinenbau von Weidmüller eröffnet neue Möglichkeiten in Sachen Effizienz und Flexibilität.

Dank dieser neuen, hybriden Arbeitsteilung und der einfachen Bedienbarkeit und leichten Installation des intelligenten Roboters und seines Greifers kann der Elektronikhersteller dem zunehmenden Fachkräftemangel und dem globalen Wettbewerb nun etwas besser begegnen. Neben der Produktivitätssteigerung gab es auch wichtige nicht-monetäre Erfolge, wie ergonomische Arbeitsplatzoptimierung und allgemeine Arbeitsentlastung für Mitarbeiter.

Beispielsweise könnten kraftintensive Aufgaben wie das Eindrücken der Kontaktelemente („Einrasten“) und monotone Aufgaben an den Roboter abgegeben werden. Diese hohe Mitarbeiterakzeptanz wurde auch durch einen partizipativen Umsetzungsprozess erreicht. Das bedeutet, dass die Mitarbeiter von Anfang an in den Veränderungsprozess rund um ihren Arbeitsplatz eingebunden waren.

„Besonderes Auswahlkriterium für den Greifer der Zimmer Group war, dass der Greifer neben seinen technischen Eigenschaften bereits über die geprüfte und zertifizierte Sicherheit für MRK-Anlagen verfügt, womit wir schon auf der „sicheren Seite“ waren – im wahrsten Sinne des Wortes im wahrsten Sinne des Wortes – für unser Greiftechnik-Projekt“, so Stuke.

Dem Unternehmen ist es besonders wichtig, dass seine Mitarbeiter von der Zusammenarbeit profitieren. Die Cobots mit ihren Greifern sollen Abhilfe schaffen.