Taktile Roboter: Wie die Montage in der Fabrik der Zukunft aussieht

Heutzutage fertigen Roboter fast ohne menschliche Eingriffe die Karosserien von Autos. Bei der Montage des Interieurs ist aber noch sehr viel Handarbeit angesagt. Denn für das Zusammenfügen von Kunststoffteilen mit Robotern gibt es gleich mehrere Hürden zu nehmen: besondere Sensorik, komplexe Programmierung und die Arbeitssicherheit bei der Mensch-Roboter-Kollaboration. EDAG PS forscht intensiv in diese Richtung, um taktile Roboter in der Montage einsetzen zu können.

Autor: Daniel Roth

 

Ein Blick auf die Montage moderner Fahrzeuge zeigt: Mehr als 80 % der Tätigkeiten führen noch immer Arbeiter am Band aus. Gerade die Fähigkeit, schnell testen und sehen zu können, ob zusammengefügte Teilen auch richtig und fest sitzen, zeichnet Menschen aus. Doch taktile und sensitive Roboter wie etwa ein LBR iiwa von KUKA erweitern die Möglichkeiten deutlich. Er ist in der Lage festzustellen, ob ein von ihm eingesetztes Teil auch richtig sitzt.

Besonders herausfordernd und ein wichtiger Teil der Forschung in diesem Bereich ist das Thema Sicherheit. Diese Roboter agieren in unmittelbarer Nähe von Menschen und sind nicht durch Schutzgitter oder Absperrung von diesen getrennt. Vielmehr arbeiten sie mit den menschlichen Kollegen zusammen (Mensch-Roboter-Kollaboration, MRK), da diese ihnen teilweise Produktionsteile bereitstellen.

 

EIGENSTÄNDIGE FORSCHUNG MIT TAKTILEN ROBOTERN

EDAG PS forscht eigenständig (ohne Kundenauftrag) im Bereich MRK und taktiler Roboter. Im Rahmen einer Masterarbeit zum Thema „Konzeption einer MRK-Anlage zur Vormontage“ zeigt Sebastian Häring, wie die Montage einer Abdeckung in der Mittelkonsole eines Fahrzeugs mit einem taktilen Roboter geplant werden kann und welche Vor- und Nachteile die verschiedenen Herangehensweisen haben.

Für die Mensch-Roboter-Kollaboration unterscheidet man vier verschiedene Fälle in der Zusammenarbeit von Arbeiter und Maschine:

Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration unterscheidet man 4 Fälle in der Zusammenarbeit

Die vier Fälle der Mensch-Roboter-Kollaboration. Die Masterarbeit hat dabei die Fälle 4 und 1 betrachtet.             (Quelle, in Anlehnung: Dietz, Thomas; Oberer-Treitz, Susanne; Kroh, Rüdiger (2015): Mensch-Roboter-Kooperation wirtschaftlich einsetzen. Würzburg.)

In den Fällen 1 und 3 wird durch Sensoren sichergestellt, dass sich Mensch und Roboter nicht zu nahekommen können. Im Fall 2 ist der Roboter inaktiv und wird durch den Menschen bewegt. Im 4. Fall können sich Mensch und Roboter berühren. Um hierbei Verletzungen auszuschließen, darf sich der Roboter nur langsam bewegen und im Konfliktfall nur genau definierte maximale Drücke auf menschliches Gewebe ausüben – etwas, dass der Planungsprozess selbstverständlich vermeiden soll.

Zentraler Punkt der Planung ist daher die Arbeitssicherheit des Mitarbeiters, der zusammen mit dem Roboter Werkstücke montiert. Die erhöht die Komplexität der Planung deutlich, weil sie den Prozess, das Layout der Maschinen, das Robotersystem und eventuell auch das zu fertigende Produkt beeinflusst.

Komplexe Planung in der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK)

Die Arbeitssicherheit beeinflusst alle Bereiche der Montage

Die Masterarbeit untersucht, wie ein optimales Zusammenspiel zwischen einem Menschen und einem Roboter bei der Montage von drei Elementen in eine Mittelkonsole aussehen kann. Ziel ist es dabei, dass der Roboter die Elemente einsetzt und über Sensoren feststellt, ob sie richtig sitzen.

Taktile Robotik bei der Montage

Die Mittelkonsole (oben) wird mit drei Einsätzen bestückt. Der Roboter oder der Arbeiter muss sie beim Montieren „einclipsen“ und prüfen, ob sie richtig sitzen. Der Roboter (LBR iiwa) verügt in allen seiner Gelenke über Sensoren zur Ermittlung der auftretenden Momente bzw. Kräfte..

Bei der Planung steht allerdings der Mensch im Mittelpunkt. Er kann deutlich flexibler agieren als Roboter. So fällt es ihm leicht, lose Teile zu greifen und richtig auszurichten. Außerdem kann er sehr leicht und schnell optisch prüfen, ob das zu verarbeitende Bauteil in Ordnung ist. Wichtig ist auch, dass der Mensch nicht auf den Roboter warten muss oder sich von ihm gehetzt fühlt.

Aufgrund der räumlichen Zusammenarbeit muss der Roboter sich aus Sicherheitsgründen allerdings langsam bewegen. Das dazu führt, dass in Szenarien, in denen der Roboter alle drei Teile montiert, der Arbeiter zu lange warten muss. Bei dieser Form der Kollaboration sind die Durchlaufzeiten am kürzesten, wenn der Roboter nur ein Teil und der Mensch zwei Teile montiert.

Mensch-Roboter-Kollaboration im Schaubild

Der Mensch (schwarzes Element mit der „1“) legt dem Roboter Teil 3 für die Montage zurecht und montiert selbst die Teile 1 und 2. Es werden jeweils zwei Mittelkonsolen auf einmal montiert. Mensch und Roboter arbeiten jeweils an unterschiedlichen Konsolen.

Weiter beschleunigen lässt sich die Montage nur noch, wenn der Roboter sich schneller bewegen kann. Das hat aber zur Folge, dass Mensch und Roboter einen Sicherheitsabstand einhalten müssen (Fall 1 der MRK, siehe oben). Dafür sind aber zahlreiche weitere Sicherheitselemente (Sicherheitsmatten, Schutzzähne, Lichtgitter) einzubauen, die die Produktion wieder verteuern. Hier muss das Unternehmen abwägen und rechnen, was sich eher lohnt.

FAZIT

Mit den neuen Möglichkeiten taktiler Robotik bringt EDAG PS das Wissen ein, um auch die Montage und Fügetechnik im Automobilbau weiterzuentwickeln und zu automatisieren. Die Masterarbeit hat dabei gezeigt, wo die besonderen Herausforderungen in der Montage liegen und wie mögliche Lösungen aussehen, die zum einen wirtschaftlich sinnvoll sind, zum anderen aber auch die Sicherheit und Gesundheit des Arbeiters gewährleisten.

 

PLANEN SIE DIE ANSCHAFFUNG UND IMPLEMENTIERUNG EINES MRK-FÄHIGEN ROBOTERS?

Unser Sicherheitsexperte Ulrich Hochrein gibt Ihnen mit dieser Checkliste einen Einblick in die zehn häufigsten Irrtümer bei der ersten MRK-Applikation und typische MRK-Projekterfahrungen:

Irrtuemer ber der MRK Applikation

Hier geht’s zur Checkliste

Sie möchten Ihre Fabrik hinsichtlich Mensch-Roboter-Kollaboration optimieren oder haben ergänzende Fragen zu diesem Blog-Beitrag? Dann kontaktieren Sie mich: daniel.roth@edag-ps.com

Auf unserer Referenzseite können Sie sich zudem einen ersten Eindruck machen, welche Projekte wir gemeinsam mit unseren Kunden bereits erfolgreich umgesetzt haben.

 

27.07.2017

Montage, Taktile Roboter