Roboter und Menschen arbeiten bei der Produktmontage zusammen

Jul 04, 2023

Auf der Montagelinie von Weidmüller pressen kollaborative Roboter elektrische Kontaktelemente ein, fügen das Steckergehäuse zusammen und verschrauben die Anschlusskontakte. Foto mit freundlicher Genehmigung der Zimmer Group

Der Zweibacken-Parallelgreifer HRC-02 wurde speziell für den Einsatz mit Cobots entwickelt. Der vollelektrische Servogreifer hat keine scharfen Kanten, Hublänge und Greifkraft sind einstellbar. Foto mit freundlicher Genehmigung der Zimmer Group

Der Greifer HRC-02 erfüllt die Sicherheitsanforderungen der Norm ISO/TS 15066 für die Mensch-Roboter-Kollaboration und ist von der DGUV, dem deutschen Äquivalent der OSHA, zertifiziert. Foto mit freundlicher Genehmigung der Zimmer Group

Die Hersteller in Deutschland haben wie auch in den USA mit drei großen Problemen zu kämpfen: einem sehr dynamischen Markt, einem zunehmenden Wettbewerb durch die Globalisierung und einem Fachkräftemangel. Diese Probleme stellen eine besondere Herausforderung für die Produktmontage dar, da sie das letzte Glied in der Wertschöpfungskette darstellt.

Viele Hersteller glauben, dass die Mensch-Roboter-Kollaboration ihnen helfen kann, diese Herausforderungen zu meistern. Allerdings müssen viele Hersteller aus Kosten- und Personalgründen noch Projekte zur Mensch-Roboter-Kollaboration umsetzen. Damit die Mensch-Roboter-Kollaboration richtig durchstarten kann, bedarf es einfacher, flexibler Methoden, um Unternehmen unterschiedlicher Branchen mit unterschiedlichen Anforderungen die Einrichtung kollaborativer Montagearbeitsplätze zu ermöglichen.

Dies ist die Prämisse des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekts SafeMate. Ziel ist es, sichere und akzeptierte Arbeitsplätze zu schaffen, an denen die Mitarbeiter einen hohen Nutzen der Roboterautomatisierung erkennen. An dem Projekt beteiligen sich mehrere große deutsche Hersteller aus unterschiedlichen Branchen, darunter Lenze, Hersteller von Motion-Control-Technik; Lufthansa Sky Chefs, ein Hersteller von Lebensmitteln für Flugzeuge; Miele, ein Hersteller von Haushaltsgeräten; und Sennheiser, ein Hersteller von Audiogeräten.

Ein weiteres beteiligtes Unternehmen ist Weidmüller, ein Hersteller von elektrischer Verbindungstechnik und Elektronik mit Sitz in Detmold. Die Produkte des Unternehmens werden in der Prozessindustrie, im Transportwesen, in der Energieerzeugung und in der Gebäudeinfrastruktur eingesetzt.

Bis vor Kurzem erfolgte die Montage einer bestimmten elektromechanischen Komponente bei Weidmüller komplett manuell. Im Rahmen von SafeMate führte ein Engineering-Team bei Weidmüller unter der Leitung von Verfahrenstechniker Tobias Stuke eine Analyse durch, um festzustellen, welche Aufgaben am besten manuell und welche maschinell erledigt werden können. Das Team stellte unter anderem fest, dass Roboter die monotonen, sich wiederholenden und kraftintensiven Aufgaben des Bestückungsprozesses sehr gut ermüdungsfrei erledigen können. Und das mit gleichbleibender Genauigkeit.

Allerdings kann die Montage nicht ganz ohne Menschen erfolgen. Beispielsweise sind Menschen besser darin, kleine Teile unterschiedlicher Größe aus einem Stapel oder einer Kiste zu greifen und zu entnehmen. Sie können diese besser erkennen und einordnen. Auch bei der Inspektion sind Menschen ihren Roboterkollegen überlegen.

Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde der manuelle Montageprozess nach einem Mensch-Roboter-Kollaborationsmodell teilweise automatisiert. Es entstand ein hybrider Montagearbeitsplatz, an dem Menschen und Roboter parallel arbeiten. Die monotonen und kraftintensiven Aufgaben übernimmt der Roboter, während die kognitiv anspruchsvollen Aufgaben vom Menschen übernommen werden.

Bei der kollaborativen Robotik arbeiten Menschen und Roboter Seite an Seite an einem Arbeitsplatz. Aufgrund ihrer sensiblen Steuerungstechnik können Cobots ohne Schutzzäune eng mit Menschen zusammenarbeiten. Solche Anwendungen erfordern eine Validierung, um sicherzustellen, dass die Gefahren ausreichend minimiert wurden. Dies kann durch Berufsgenossenschaften, externe Dienstleister, Systemintegratoren oder Technische Überwachungsvereine (TÜVs) erfolgen, das sind unabhängige internationale Dienstleistungsunternehmen aus Deutschland und Österreich, die technische Systeme, Anlagen und Maschinen aller Art prüfen, prüfen und zertifizieren Arten, um Gefahren zu minimieren und Schäden vorzubeugen. Auch End-of-Arm-Werkzeuge wie Greifer können auf diese Weise validiert werden.

Für die Montage elektromechanischer Komponenten setzte Weidmüller einen Cobot von Universal Robots ein. Zunächst montiert die Person die Verbindungselemente. Anschließend drückt der Cobot die elektrischen Kontaktelemente ein, fügt das Steckergehäuse zusammen und verschraubt die Anschlusskontakte. Ziel dieser Teilautomatisierung ist es, den Werker von den zeitraubenden und monotonen Zwischenschritten zu entlasten und so eine ausgewogene Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter zu erreichen. Auch die Produktivität ist gestiegen.

Der Cobot ist mit dem Zweibacken-Parallelgreifer HRC-02 der Zimmer Group, einem Greiferspezialisten aus Rheinau, Deutschland, ausgestattet. Der Greifer ist sicher und harmoniert perfekt mit dem Cobot. Der vollelektrische Servogreifer hat keine scharfen Kanten. Seine rundum abgerundete Form sorgt dafür, dass ein versehentliches Hängenbleiben nahezu ausgeschlossen ist. Hublänge und Greifkraft des Greifers sind einstellbar, wodurch er wesentlich feinfühliger zugreift als ein herkömmlicher Greifer. Der Greifer erfüllt die Sicherheitsanforderungen der Norm ISO/TS 15066 für die Mensch-Roboter-Kollaboration und ist von der DGUV, dem deutschen Äquivalent der OSHA, zertifiziert.

Neben der Ergonomie lag ein weiterer Schwerpunkt des Projekts auf der Frage, ob der Cobot effizient und flexibel einsetzbar ist. Besonderes Augenmerk legten die Ingenieure auf die Handhabung und Programmierung des Cobots. Die Ergebnisse waren überzeugend, insbesondere in Kombination mit dem HRC-02-Greifer.

Es ist kein Zufall, dass Zimmer-Greifer perfekt mit UR-Cobots zusammenarbeiten. Zimmer ist seit mehreren Jahren Partner von UR+. UR+ ist eine Plattform aus Komponenten und Anwendungskits von Drittanbietern, die von Universal Robots für die Verwendung mit seinen Produkten zertifiziert wurden. Die UR+-Plattform umfasst mittlerweile mehr als 300 Partner und 400 zertifizierte Komponenten und Anwendungskits. Aufgrund seiner UR+-Zertifizierung kann der Zimmer-Greifer direkt über das Bedienfeld des Cobots programmiert werden. Komplexe Programmierkenntnisse sind nicht erforderlich.

Der Greifer wird durch digitale Signale betätigt: ein Signal zum Schließen der Greiferbacken und ein zweites Signal zum Öffnen der Greiferbacken. Ein Teilanwesenheitssignal wird durch analoge Erfassung bereitgestellt. Der Greifer kann unterschiedliche Werkstückabmessungen erkennen, ohne den Sensor neu zu positionieren.

Der Greifer ermöglicht dank einer integrierten Freifahrtaste ein einfaches Teachen des Roboters. Der direkte Anschluss an den Werkzeug-I/O und die direkte Montage am Roboterflansch vereinfachen die Installation und den Betrieb des Greifers. Die Selbsthemmung schützt das Werkstück auch bei Not-Aus oder Stromausfall vor dem Herabfallen.

Das Pilotprojekt von Weidmüller war erfolgreich und eröffnete dem Hersteller neue Möglichkeiten. Neben der Steigerung der Produktivität brachte das Projekt auch nichtmonetäre Vorteile mit sich. So werden beispielsweise monotone und kraftintensive Aufgaben, wie das Eindrücken der Kontaktelemente, nun vom Cobot übernommen. Dies trug dazu bei, Zustimmung und Akzeptanz bei den Arbeitnehmern zu erreichen, die von Anfang an in den Veränderungsprozess einbezogen waren. Automatisierung bedeutet auch, dass Weidmüller den Fachkräftemangel besser bewältigen kann. Durch die Automatisierung monotoner und stressiger Aufgaben kann Weidmüller Fachkräfte dort einsetzen, wo sie am meisten gebraucht werden.

„Ein Grund, warum wir uns für den Zimmer-Greifer entschieden haben, war neben seinen technischen Eigenschaften auch, dass er bereits für Mensch-Roboter-Kollaborationssysteme getestet und als sicher zertifiziert wurde“, sagt Stuke. „Dem Unternehmen ist es besonders wichtig, dass seine Mitarbeiter von der kollaborativen Arbeit profitieren. Die Cobots mit ihren Greifern sollen für Entlastung sorgen.“