Alle Beiträge von Dr. Aleksandra Postawa

Nach dem Maschinenbaustudium und der Promotion in Berlin ist Frau Dr. Aleksandra Postawa als Entwicklungsleiterin für Armbruster Engineering tätig.

Kollaborierende Roboter in Manufaktursystemen

Einsatz eines Roboters im kollaborierenden Betrieb

In der Produktion gibt es diverse Tätigkeiten, bei denen der Mitarbeiter durch Automatisierungstechnik unterstützt oder entlastet werden könnte. Klassische Automatisierungslösungen zeichnen sich durch Kraft, Schnelligkeit und Präzision aus. Der Mitarbeiter muss jedoch durch Vorrichtungen wie Zäune und Lichtvorhänge geschützt werden. Daraus resultiert ein entsprechender Platzbedarf. Weitere Nachteile sind die geringe Flexibilität und hohe Kosten. Für Unternehmen mit geringeren Stückzahlen lohnt sich der Einsatz meistens nicht.

Die Entwicklung neuer Leichtbauroboter macht es möglich, im kollaborierenden Betrieb eingesetzt zu werden. Kollaborierend bedeutet, dass der Mensch und der Roboter sich nicht nur den gleichen Arbeitsraum teilen, sondern auch miteinander interagieren.

Mögliche physische und psychische Belastung durch den Einsatz von Robotern

Gerade weil es im kollaborierenden Betrieb zum Kontakt zwischen Roboter und Werker kommen darf, spielt die Möglichkeit der Leistungs- und Kraftbegrenzung eine übergeordnete Rolle. In der technischen Spezifikation ISO TS 15066 sind Belastungsobergrenzen für den menschlichen Körper zusammengefasst.

Beispielsweise können in besonders empfindliche Regionen eines Menschen, wie dem Gesicht, ab einer Krafteinwirkung von 65 N Verletzungen auftreten. Die Belastungsgrenze im Bereich Schultern und Rücken liegt dahingegen bei 210 N.

Um jedoch Schaden abzuwenden, ist es wichtig, den Kontakt zwischen Roboter und Mensch so schnell wie möglich zu detektieren und Maßnahmen wie den Stopp der Motoren oder eine Ausweichbewegung einzuleiten. Somit müssen kollaborierende Roboter Sicherheitsfunktion nach EN ISO 13849-1 Kategorie 3 PLd erfüllen. Um die entstehenden Drücke somit Kraft pro Fläche möglichst zu verringern, sollten alle Teile des Roboters gerundete Kanten haben.

Nicht nur die physische, sondern auch die psychische Belastung auf den Mitarbeiter muss berücksichtigt werden. Eine Studie am Institut für Arbeitsschutz in Sankt Augustin zeigt, dass Menschen sich durch schnelle und unvorhersehbare Bewegungen eines Roboters irritieren lassen. Stress und Fehlerhäufigkeiten nehmen zu. Auch hier ist die Begrenzung von Leistung und Kraft wesentlich.

In jedem Fall muss vor dem Einsatz eines kollaborierenden Roboters eine Risikoanalyse basierend auf dem technischen Report ISO/TR 14121-2 durchgeführt werden. Nach einer umfassenden Planung kann der Roboter dann angelernt („geteacht“) oder programmiert werden.

Anwendungsfelder für kollaborierende Roboter

  • Fertigung: Monotone Be- und Entladen einer Maschine
  • Kommissionierung: Auffüllen der Regale
  • Montage: Montage in Zwangslage
  • Messen und Prüfen: Qualitätskontrolle am Ende der Linie
  • Verpackung: Stapeln und Palettieren

Beispiel einer 360° Montageinsel

Auf einer 360° Montageinsel montieren hoch spezialisierte Mitarbeiter im One-Piece-Flow. Diese können bei Leistungsspitzen durch den Einsatz von Leichtbaurobotern entlastet werden. In diesem Beispiel könnte ein Roboter Teile aus einer Maschine entnehmen und dem Montagemitarbeiter auf einem Förderband bereitstellen. An einer weiteren Station könnte ein Roboter Teile in eine Vorrichtung einlegen, diese betätigen und wieder entnehmen. Dafür müssen die Teile in einem Magazin angeliefert werden.

CAD-Modell einer 360° Montageinsel zeigt die Möglichkeiten des Robotereinsatzes
CAD-Modell einer 360° Montageinsel zeigt die Möglichkeiten des Robotereinsatzes
CAD-Modell einer 360° Montageinsel zeigt die Möglichkeiten des Robotereinsatzes
CAD-Modell einer 360° Montageinsel zeigt die Möglichkeiten des Robotereinsatzes

Prozessanforderungen an den Roboter in kollaborierenden Betrieb

Je nach Aufgabe werden bestimmte Kräfte und Freiheitsgrade benötigt. Tätigkeiten, die auf einen Menschen ausgelegt sind, sollten die Kraft von 15 daN nicht überschreiten. Somit sollte ein Roboter, der für den kollaborierenden Bereich bestimmt ist, eine Traglast von bis zu 15 kg besitzen. Die Anforderungen an die Traglast können je nach Anwendungsfall auch geringer sein. Der Roboter benötigt mindestens sechs Achsen, um beliebige Orientierungen des Endeffektors im Raum zu erhalten und den Bewegungsraum des menschlichen Arms nachzuempfinden.

Eigenschaften unterschiedlicher Robotermodelle

Es kann aus zahlreichen Robotern unterschiedlicher Hersteller gewählt werden. Sie unterscheiden sich in der Ausführung und Programmierung somit im Preis und in der Verbreitung. Manche sind eher für den Dauereinsatz mit hohen Stückzahlen, andere für den schnellen und zeitlich begrenzten Einsatz geeignet. Der eine ist auch durch Werkstattpersonal schnell und einfach zu programmieren, der andere kann dafür komplexere Bewegungen durchführen.

Durchgängige Integration in die Produktion

Mit der ELAM Software von Armbruster Engineering werden Roboter und andere steuerfähige Geräte an ein Manufaktursystem angebunden und betrieben. Wobei es unerheblich ist, ob der Teilprozess vom Roboter oder Mitarbeiter durchgeführt wird. In jedem Fall wird das Ergebnis dokumentiert und wenn vom Mitarbeiter ausgeführt, tritt automatisch die Assistenzanzeige in den Vordergrund. Die Auftragseinleitung kann durch ein ERP-System erfolgen.

Assistenzsysteme in der Fabrik – richtig informieren und anzeigen

Das Bereitstellen dieser Informationen ermöglichen Assistenzsysteme. Doch benötigen sie dafür ein oder mehrere Kommunikationsmittel zur Anzeige. Es gilt, für jeden Fall das richtige Medium auszuwählen.
Im folgenden Artikel werden solche Kommunikationsmittel in einem Prozessszenario von einem fiktiven Planer „Herrn Weber“ für eine ausländische Produktionsstätte bewertet, ausgewählt und geplant. Es werden unterschiedliche Anzeigemöglichkeiten gegeneinander abgewogen, um den Werker möglichst gut durch den Arbeitsprozess zu leiten und das Prozessergebnis sicher herzustellen.

Herausforderungen bei der Arbeitsplatzgestaltung

Als Produktionsplaner eines Automobilzulieferers stand Herr Weber bereits vor vielen Herausforderungen. Die Arbeitsplatzgestaltung im interkulturellen Umfeld stand bis jetzt nicht auf seiner Agenda. Doch soll die Produktion eines neuen Produktes ins Ausland verlagert werden. Herr Weber ist sich sicher, dass vor allem die richtige Führung der Werker eine große Rolle spielen wird, da die Mitarbeiter im neuen Werk häufig ihren Arbeitsplatz wechseln und meist auch nicht so qualifiziert sein werden.

Er weiß, dass hoch qualifizierte Facharbeiter auch bei schlechter Dokumentation in der Lage sind, Arbeitsprozesse korrekt durchzuführen. Sie denken mit. Doch kann er sich bei einer wechselnden Belegschaft im Ausland darauf verlassen? Wie wird er die Prozesssicherheit sicherstellen?

Meist führt fehlendes Prozesswissen oder Unaufmerksamkeit dazu, dass Mitarbeiter Fehler machen. Die Bereitstellung der jeweils richtigen Prozessinformationen trägt dazu bei, diesen vorzubeugen. Doch wann sind welche Informationen in welchem Umfang sinnvoll? Und behindern nicht zu viele Erläuterungen den Arbeitsfluss? Grundsätzlich will er nur so viele Informationen wie unbedingt nötig bereitstellen. Das ist Herrn Weber klar.

In der laufenden Produktion werden unterschiedliche Anzeigemöglichkeiten an das verwendete Assistenzsystem angebunden. Deshalb hat er sich eine Tabelle erstellt und wägt die einzelnen Anzeigen gegeneinander ab.

Vergleich: Gegenüberstellung einzelner Anzeigesysteme und ihrer Einsatzgebiete sowie Vor- und Nachteile in der Anwendung. Es wird ein Fazit gezogen.

Anzeigesysteme Eigenschaft Vorteil Nachteil Fazit
Signalsäulen Zustandsanzeige durch Lichtsignale in Ampelform
  • Schnelle und intuitive Aufnahme von zusätzlichen Informationen
  • Preiswert
  • Beschränkte Anzahl von Informationen, da nur rot, gelb, grün sinnvoll
Anwendung zur schnellen Übersicht über Zustände
Pick to Light Visualisierung des Eingriffsorts durch Aktivierung einer Lampe
  • Schneller Überblick
  • Schnelle Navigation
  • Verringerte Suchzeit
  • Direkte Rückmeldung durch Quittieren/Sensor
  • Nimmt dem Mitarbeiter das Denken ab
  • Beschränkung auf einen Auftrag pro Zone
Anwendung, wenn Teile leicht zu verwechseln sind
Touchscreen-Monitor mit Rechner Textbasierte Beschreibung
  • Darstellung auch komplexer Zusammenhänge
  • Hohe Dauer der Informationsaufnahme bei der ersten Aufnahme
Eignet sich vor allem für geübte Mitarbeiter
Bildbasierte Visualisierung
  • Schnelle und sprachunabhängige Vermittlung
  • Dokumentenansicht
  • Ansicht von 3D-CAD-Zeichnungen möglich
  • Aufwendige Erstellung
Sinnvolle Ergänzung von Text
Videobasierte Visualisierung
  • Zusammenhang an Informationen leicht aufnehmen
  • Abspieles des Videos verlangsamt die Produktion stark
  • Aufwendige Erstellung
Eignet sich eher für Anlernzwecke
Datenbrille Anzeigen von Bild, Test und Video
  • Ortsunabhängig
  • Hände sind frei
  • Anzeige zusätzlich zur Realität
  • Scannen möglich
  • Anzeige ist zum Teil irritierend
  • Geringe Akkuleistung
  • Können leicht abhandenkommen
Mobile Zusatzanzeige für beispielsweise Kommissionierung
Tablet Anzeigen von Bild, Test und Video
  • Ortsunabhängig
  • Scannen möglich
  • Aufnahme von Bildern möglich
  • Können behindernd wirken
  • Können leicht abhandenkommen
Mobile Anzeige für Dokumente und Daten, zum Dokumentieren
Handdaten-terminal (HDT) Anzeigen von Bild, Test und Video
  • Ortsunabhängig
  • Scannen möglich
  • Aufnahme von Bildern möglich
  • Können behindernd wirken
  • Können leicht abhandenkommen
Mobile Anzeige zum großräumigen Abarbeiten von Arbeitsaufträgen
Laser- oder Lichtprojektor Projektion auf Flächen wie Arbeitsplatz, Werkstück oder Hand
  • Put to Light wird möglich
  • Schnelle Navigation
  • Verringerte Suchzeit
  • Gefahr der Verdeckung
  • Verhältnismäßig hohe Kosten
Anwendung zur unmittelbaren Abbildung von Prozessdaten auf einer Fläche

Unterschiedliche Anzeigesysteme im Einsatz

Das Ampelsystem verschafft einen schnellen und intuitiven Überblick über den Zustand von Produkten oder Arbeitsstationen. So bedeutet ein rotes Licht an einem manuellen Montagearbeitsplatz zum Beispiel Produktionsstillstand. Grün gekennzeichnete Produkte sind IO und bedürfen keiner Nacharbeit.

Beim Entnehmen von leicht zu verwechselnden Teilen kann eine Hilfestellung durch Pick to Light erfolgen. Ein optisches Signal leuchtet am Ort der Entnahme auf. Mit zusätzlichen Sensoren lassen sich Eingriffe in einen Behälter detektieren. Auch hier kommen farbige Lichtsignale zum Tragen, durch ein rotes Lichtsignal bei Falschentnahme und ein grünes bei der richtigen.

Über das große Display eines Touchscreens mit LAN-Anbindung lassen sich stationär am Arbeitsplatz Prozessschritte text-, bildbasiert oder über ein Video darstellen und interaktiv quittieren. Mobil können Datenbrille, Tablet oder Handdatenterminal (HDT) verwendet werden. Alle mobilen Endgeräte verfügen über eine WLAN-Schnittstelle, so dass Arbeitsaufträge fabrikweit vernetzt angezeigt und abgearbeitet werden können. Ein integrierter Scanner oder Kamera erleichtert das Identifizieren und Dokumentieren entnommener oder geprüfter Teile.

Auch Lichtzeiger oder Beschriftungen auf dem Arbeitsplatz können sehr gute Unterstützungen bieten. Doch wann muss was angezeigt werden?

Es muss ein Kontext hergestellt werden

Funktionsweise Assistenzsystem
Funktionsweise Assistenzsystem

Wann welches Signal an eine der möglichen Anzeigen gesendet wird und wann was als Information zurückerwartet wird, das kann über ein Assistenzsystem mit Netzanbindung geregelt werden. Dieser Kontext ist wichtig. Verbunden mit dem Netzwerk des Unternehmens kann über ein ERP-System oder einen Scan ein Auftrag ausgelöst werden. Das Assistenzsystem erstellt daraufhin eine Arbeitsfolge, die abgearbeitet werden soll. Informationen über das Produkt und seine Variante entnimmt das System aus einer SQL-Datenbank. Je nach Arbeitsschritt wird ein Signal oder eine Nachricht ausgelöst oder erwartet. Auf diese Weise können unterschiedliche Anzeigemöglichkeiten eingebunden werden.

Es ist ein schmaler Grat zwischen Informieren und Informationsflut

Herr Weber leitet für seine Planung ab, dass sich die Anforderungen an die Prozessführung mit dem Übungsgrad des Werkers verändern. Basierend auf seinen Erfahrungen in der Produktion hat Herr Weber den Nutzen der Visualisierungsform für den Produktivitätsgrad dem Übungsgrad des Werkers gegenübergestellt.

Nutzen
Erzielter Nutzen für die Prozessausführung

Bei einer hohen Prozesskenntnis reicht das Anzeigen einer Zustandsinformation über Lichtsignale meist aus. Eine textbasierte Beschreibung von Arbeitsprozessen kann dann ebenfalls ausreichend sein. Sie setzt aber voraus, dass die Mitarbeiter diese aufnehmen können und die Beschreibungen nicht zu lang sind. Mit der Erweiterung der Darstellung um Bilder können Zusammenhänge schnell auch von niedrig qualifizierten Mitarbeitern aufgenommen werden. Für die erste Lernphase zur Eingangsqualifizierung eignen sich Videos, um den personellen Einsatz von Einweisern zu reduzieren. Sie zeigen jedoch nicht den erforderlichen Zusammenhang zum Auftrag. Herr Weber findet sie für die laufende Produktion als ungeeignet.

Er will mit dem Einarbeitungsgrad auch die Art der Informationsbereitstellung anpassen. Um die Lernkurve der Mitarbeiter zu berücksichtigen, benötigt Herr Weber flexible Anzeigemittel, mit denen er viele Visualisierungsformen darstellen kann.

Lernkurvenbezogener Einsatz bei Monitoranzeigen

Herr Weber entscheidet sich für die Darstellung von Arbeitsanweisungen für einen Monitor mit Touchscreen. Durch den Einsatz eines Touchscreens kann direkt auf dem Bildschirm quittiert werden. Maus und Tastatur werden nicht benötigt. Er verzichtet auch auf mobile Endgeräte, da diese leicht abhanden gehen können und zum Teil kurze Akkuzeiten haben.

Herr Weber möchte schnell und individuell auf Lernerfolge reagieren. Am Anfang der Qualifizierung will er Lernvideos einsetzen. Mit steigendem Übungsgrad schaltet er auf Anzeigen mit vielen Bildern um. Bei Qualitätsproblemen kann er die Visualisierungen jederzeit anpassen und aktuell halten. Weitere Reduktion der Anzeigemöglichkeit erfolgt dann mit einem hohen Übungsgrad, bis schlussendlich das Anzeigen von Dokumenten genügen könnte.

Der Vorteil von digitalen Assistenzsystemen ist, dass neben der bild- und textbasierten Visualisierung von Arbeitsprozessen auch einzelnen Arbeitsschritten Dokumente zugewiesen werden können, die in aktueller Form auf dem Server liegen. Dies erleichtert die Pflege von Prozessdaten. So kann auch die Sprache schnell umgeschaltet und auf die Landessprache eingerichtet werden.

Vollbildanzeige
Vollbildanzeige
Dokumentenanzeige
Dokumentenanzeige

Absicherung der Teileentnahme

Den Qualifikationsgrad der zukünftigen Mitarbeiter schätzt Herr Weber als niedrig bis mittel ein. Aus diesem Grund möchte er die Prozesse überwachen und sicherstellen, dass die richtigen Bauteile entnommen und vor allem nicht vergessen werden. Er entscheidet sich für den Einsatz von Pick to Light in Kombination mit dem bereits ausgewählten Touchscreen-Monitor. Durch das Quittieren über Taste oder einen Sensor erhält er Rückmeldung über die Entnahme eines Bauteils. Darüber hinaus werden auch Suchzeiten reduziert.

Geräteplan
Geräteplan für die Anwendung

Durch das selbstständige Konfigurieren unabhängig bleiben

Zusammenfassend stellt Herr Weber fest, dass er die Situation am Zielort noch nicht abschließend einschätzen kann und somit ein System braucht, das leicht zu konfigurieren ist und bei Bedarf jederzeit erweitert werden kann.

Sollte er später eine Rückverfolgbarkeit der Prozesse benötigen, so kann er seinen Aufbau um einen Server erweitern. Um unabhängig zu bleiben, legt er besonderen Wert auf eine gute Dokumentation des Systems. Mit grafischen Anleitungen, sogenannten „Quicksteps“, sind seine Mitarbeiter in der Lage, das System selbstständig aufzubauen und einzurichten. Wenn er nicht weiterkommt, benötigt er weltweiten Zugriff auf Techniker, die er auch über eine 24-Stunden Hotline kontaktieren kann.

Damit gelingt es Herrn Weber, seine Mitarbeiter auch im ausländischen Werk gut zu informieren und sicher durch den Prozess zu leiten.