Gestaltung von kollaborativen LBR-Arbeitsplätzen - Hinweise für die Planung von kollaborativen Arbeitsplätzen an einem Beispiel der Metabowerke GmbH

Wilhelm Bauer, Peter Rally, Oliver Scholtz und Marc Wenzelburger

Bei Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK), in denen der Mitarbeiter direkt neben dem Roboter arbeitet – wie es bei Anwendungsfällen in der bisher rein manuellen Montage häufig der Fall ist – ist die Wirtschaftlichkeit häufig nur schwer darstellbar. Daher ist bei der Gestaltung von MRK-Anwendungen in der Montage bereits in der ersten Planungsphase der Fokus auf die Sicherstellung der Wirtschaftlichkeit zu legen. Im Forschungsprojekt ROKOKO wurden dazu drei Hinweise für eine wirtschaftliche Gestaltung eines MRK-Anwendungsfalles gewonnen: Erstens die Wirtschaftlichkeit bereits in früher Projektphase überprüfen, zweitens den Kollaborationsgrad möglichst geringhalten und drittens dem Roboter möglichst gleichartige Aufgaben geben. Bei der frühen Überprüfung der Wirtschaftlichkeit hilft eine aus Erfahrungswerten aufgestellte, einfache Kalkulationstabelle mit hinterlegten Kostenbausteinen, mit der sich - in Abhängigkeit vom Komplexitätsgrad des Anwendungsfalles - eine erste Abschätzung der erforderlichen Gesamtinvestitionen aufstellen lässt. Die Planung eines MRK Anwendungsfalls mit dem Kollaborationsgrad Koexistenz bei der Firma Metabowerke GmbH unter Anwendung der neuen Methode ist Gegenstand dieses Beitrags.

Problemsituation bei der Planung von MRK-Arbeitsplätzen

Die Situation bei der Einführung einer Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ist aktuell durch zwei Problemfelder gekennzeichnet. Zum einen ist die Wirtschaftlichkeit von MRK-Anwendungsfällen bisher häufig nur schwer darstellbar [1-3]. Zum anderen ist für die aufwendigen Planungsarbeiten, z.B. die fähigkeitsorientierte Aufgabenzuordnung zwischen Mensch und Roboter, die robotergeeignete Materialbereitstellung sowie die Umsetzung einer sicheren Anwendung, bisher nur wenig methodische Unterstützung vorhanden.

Je höher der Kollaborationsgrad, desto aufwendiger ist die sichere Gestaltung des Systems. Der Grad der Zusammenarbeit bzw. der Kollaborationsgrad wird dabei eingeteilt – aufgeführt in fallender Reihenfolge – in Kollaboration, Kooperation, synchronisiert, autark bzw. koexistent sowie konventionell [2, 4]. Unterstützend sind bereits simulationsbasierte Planungstools verfügbar [5-8], die jedoch einen ausreichenden Planungsfortschritt als Voraussetzung haben. Daher werden Hinweise und Hilfsmittel benötigt um bereits in einer frühen Planungsphase eine erste Abschätzung zur Wirtschaftlichkeit als Entscheidungsbasis für eine weitere umfangreiche Planung zu erhalten und um frühzeitig einen Fokus auf die wirtschaftliche Gestaltung legen zu können.
 

Beschreibung der Ausgangssituation: Arbeitsplatz „Konfektionieren“

Im Projekt ROKOKO wurde vom Anwendungspartner (Metabo), dem Systemintegrator HandlingTech und dem Forschungsinstitut Fraunhofer IAO eine schutzzaunlose Zusammenarbeit zwischen Mensch und Leichtbauroboter (LBR) für das „Konfektionieren von Akku-Maschinen“ geplant.

Der Anwendungsfall ist typisch für die Mehrzahl der MRK-Anwendungsfälle in der Montage, bei denen Mensch und Roboter in der Regel nicht kollaborativ, d. h. zeitgleich gemeinsam am Produkt arbeiten, sondern nur zeitversetzt, d.h. koexistent [2].

An dem in Bild 1 dargestellten Arbeitsplatz führt der Mitarbeiter folgende manuelle Tätigkeiten aus:
• Den leeren Koffer von einer Palette holen und auf den Tisch legen.
• Den Koffer öffnen und mit dem am Arbeitsplatz bereitgestellten Produkten, Ladegeräten, Akkus und Zubehörteilen bestücken.
• Den befüllten Koffer verschließen und auf einer zweiten Palette abstapeln.

Der bisherige Arbeitsplatz weist hinsichtlich der Zukunftsfähigkeit zwei wesentliche Schwachpunkte auf: Der erste Schwachpunkt ist die hohe Arbeitsbelastung beim Abstapeln der Koffer. Bei einer Tagesmenge von ca. 500 Koffern stellt das Abstapeln der befüllten Koffer auf die Palette eine große körperliche Belastung dar. Der Mitarbeiter muss in einer Schicht so ca. drei Tonnen an Gewicht abstapeln. Wegen der großen Kartons (diese stehen auf Paletten), in welche die Koffer hineinzustellen sind, erfolgt dies teilweise mit sehr ungünstigen Körperhaltungen, insbesondere beim Abstapeln auf die hinteren Plätze im Karton, wie in Bild 1 erkennbar ist. Im Hinblick einer Vorbereitung auf den demografischen Wandel, ist der Arbeitsplatz daher ergonomisch zu optimieren.

Der zweite Schwachpunkt des aktuellen Montagekonzepts besteht darin, dass das aktuelle Konzept an seiner Stückzahlgrenze angelangt ist. Zukünftig ist jedoch eine deutliche Stückzahlsteigerung zu bewältigen, welche auf einer gleichbleibend großen Fläche zu realisieren ist.



Bild 1: Ist-Situation: Konfektionier-Arbeitsplatz bei Metabo – Kartons mit leeren und vollen Koffern [9].

 
 

Motivation für MRK bei Metabo

Um die Schwachstellen zu beseitigen und damit die Arbeitsplätze zukunftsfähig zu gestalten, wird der Einsatz eines Leichtbauroboters für das Abstapeln der schweren, befüllten Koffer vorgesehen. Dafür sprechen im Wesentlichen vier Gründe:
1. Der Mitarbeiter wird durch Übernahme des ergonomisch sehr belastenden Abstapelns des befüllten (und damit schweren) Koffers durch den Leichtbauroboter entlastet.
2. Die Taktzeit verkürzt sich mit der Übernahme von Tätigkeiten durch den Leichtbauroboter. Damit erhöhen sich die Stückzahlen, obwohl keine zusätzlichen Arbeitsplätze vorgesehen sind, d. h. es ergibt sich eine Stückzahlsteigerung bei gleichbleibender Fläche.
3. Die Anforderung eines sehr schnellen Behälterwechsels (volle Palette mit abgestapelten, befüllten Koffern wegfahren sowie leere Palette bzw. Palette mit leerem Karton tauschen bzw. holen) lässt sich bei schutzzaunlosem Betrieb besser umsetzen.
4. Der Arbeitsraum kann bei einem kollaborativen Betrieb ohne Schutzzaun von Mitarbeiter und Roboter gemeinsam genutzt werden und es ergibt sich ein geringerer Flächenbedarf im Vergleich zu einem Betrieb mit Schutzzaun.
 

Hinweise zur MRK-gerechten Arbeitsplatzgestaltung

Da bei MRK-Anwendungen, in bisher rein manuellen Montagen, die Wirtschaftlichkeit häufig nur schwer darstellbar ist [2, 3], sind im Folgenden drei wichtige Hinweise für die Planung und Gestaltung von MRK-Arbeitsplätzen zusammengefasst. Diese basieren auf den Erfahrungen der drei Umsetzungsprojekten bei den Anwendern ZF Friedrichshafen, Schunck und Metabo im Projekt ROKOKO und können bereits in einer sehr frühen Planungsphase eingesetzt und für eine wirtschaftliche Machbarkeitsprüfung herangezogen werden, bevor die aufwendigen Detailplanungen erfolgen.

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