Mensch-Roboter-Kollaboration

Sichere Robotersteuerung

In der robotergesteuerten Automation ging es in der Vergangenheit primär darum, manuelle Arbeit durch Roboter zu ersetzen. Heute dagegen rückt der Roboter als Assistenzsystem in den Vordergrund. Dabei sollen beide, Mensch und Roboter, in einem gemeinsamen Arbeitsraum ohne trennende Schutzzäune agieren ¿ wie im Bereich Produktions- und Werkstofftechnik im Mercedes-Benz Werk in Sindelfingen.
Das "Teachen" von Robotern ist heute bereits eine leichte Form der MRK. Dabei bewegen sich die Roboter allerdings nicht im aktiven Modus.

Moderner Automobilbau ohne Roboter ist heute in Hochlohnländern undenkbar. Das gilt auch für die Produktion von Premium-Fahrzeugen. Roboter transportieren, schneiden, schweißen, löten, kleben oder lackieren Karosserieteile, schweißen Achselemente, sie bestücken oder entladen Pressen und sind zentrale Bausteine automatisierter Montageprozesse. Im Mercedes-Benz Werk Sindelfingen der Daimler AG arbeiten laut Michael Lebrecht, Leiter Robotik und Technologiesteuerungen im Bereich Produktions- und Werkstofftechnik, mittlerweile mehrere Tausend Industrieroboter unterschiedlicher Hersteller, u.a. von ABB Automation. Nahezu 90 Prozent der Roboter sind im Karosserierohbau installiert, die restlichen 10 Prozent verteilen sich auf Produktionsbereiche wie Presswerk, Achsfertigung, Lackierung und Montage. Steigende Anforderungen an Qualität und Sicherheit der Fahrzeuge verlangen immer intelligentere Fertigungstechnologien und Roboter mit deutlich höheren „Kompetenzen“. Hier geht die Entwicklung hin zu höheren Traglasten und größeren Reichweiten bei geringeren Eigengewichten der Roboter. Weitere Anforderungen sind höhere Punkt- und Bahngenauigkeiten bei gleichzeitig höherer Dynamik, eine höhere Energieeffizienz und mehr IT-Sicherheit. Roboter zählen heute zu den Maschinen mit der höchsten Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Hier kommt es zukünftig darauf an, ungeplante Ausfallzeiten weiter zu verringern und die Wartungsintervalle während der gesamten Betriebsphase eines Roboters deutlich zu erhöhen. Die wichtigsten Elemente für eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration sind jedoch leistungsfähigere Sensoren, intelligente Steuerungstechnik und leistungsfähige Software.

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Vom Einzelgänger zum Teamplayer

Anfang des neuen Jahrtausends erkannten Kunden wie Hersteller deutliches Potential darin, Roboter von „Einzelgängern“ zu „Teamplayern“ zu entwickeln. So entstanden bereits 2003 bei Daimler verschiedene Formen der Roboter-Roboter-Kollaboration – logische wie auch geometrische. Bei der erstgenannten stimmen einzelne Roboter ihre sequentiellen Arbeitsabläufe direkt untereinander ab bzw. tauschen ihre Informationen über Arbeitsräume aus. Bei der „geometrischen Kollaboration“ stimmen die Roboter ihre geometrischen Positionen sowie das Teilen von Lasten hochgenau aufeinander ab. Das ermöglicht ihnen, schwere Baugruppen gemeinsam zeitlich und geometrisch koordiniert zu tragen. Beide Varianten sind heute fest eingeführte Planungselemente, um die Investitionskosten, den Flächenbedarf und die Taktzeiten von Roboterlinien zu reduzieren. Ein wesentlicher Vorteil der erhöhten Anlagenflexibilität ist die Möglichkeit, stets in Vorzugslage zu arbeiten – beispielsweise beim Schweißen in Wannenlage. Das sichert eine hohe Produktqualität. Aber nach wie vor arbeiten die Roboter dabei noch hinter Schutzzäunen. Einen entscheidenden Schritt in Richtung direkte, sichere Kollaboration zwischen Mensch und Roboter machte Daimler 2005 mit der Entwicklung und Einführung des „Sicheren Roboters“ als neuer Schlüsseltechnologie.

Sichere Überwachung

Früher erfolgte das Überwachen einzelner Achsbereiche mittels diskreter, mechanischer Schaltnocken. Der „sichere Roboter“ verfügt dagegen über elektronische Sicherheitselemente. Sie ermöglichen eine Überwachung aller Einzelachsen, der Geschwindigkeit, dem kontrollierten Stillstand, der Werkzeugorientierung und der kartesischen Begrenzungen der Arbeitsräume. Unverkennbar ist der Trend weg von dedizierter Sicherheitselektronik hin zu einer in die Robotersteuerung integrierten sicheren Soft-SPS. Diese bietet Anbindung an übergeordnete Leitsysteme mittels Profinet mit Profisafe-Profil. Auf Basis der genannten Funktionen eines sicheren Roboters realisierte Daimler 2006 erste Vorstufen der direkten Mensch-Roboter-Kollaboration für den Serieneinsatz. Dabei handelt es sich um handgeführte Roboter in der Montage. Bei ihrer Entwicklung standen u. a. ein gleitender Automationsgrad und die demografische Entwicklung im Vordergrund.

In der Montage ist nach wie vor ein Wechsel zwischen rein manuellen und vollautomatisierten Arbeitsstationen anzutreffen. Tendenziell haben manuelle Arbeitsplätze gegenüber vollautomatisierten Stationen geringere Investitionskosten und lassen sich leichter an veränderte Bedingungen anpassen. Dafür verursachen sie aber höhere Personalkosten pro Fahrzeug. Zukünftige Fertigungslinien sollen daher einen gleitenden Automatisierungsgrad zwischen rein manueller Arbeit über robotergestützte Assistenzsysteme bis hin zu Stationen mit Vollautomatisierung ermöglichen.

Seit 2008 setzt Daimler von Menschen geführte Roboter in der Montage ein. Beispielsweise beim Einbau von Cockpits der aktuellen CL-Klasse. Die verbesserte Ergonomie trägt dabei erheblich zur Sicherung der Premium-Qualität der Fahrzeuge bei. Laut Lebrecht ist das manuelle Einfädeln der komplexen und teuren Baugruppen in enge Einbauräume mit Hilfe der bisher eingesetzten konventionellen Handhabungsgeräte sehr aufwändig und stets mit einem hohen Kollisionsrisiko verbunden. Deshalb müssen beim manuellen Einpassen eines Cockpits mehrere Werker Hand anlegen. Diese Aufgabe kann ein mit Zusatzsensorik ausgestatteter Roboter aufgrund seiner besseren Zugänglichkeit sicherer erledigen. Zudem ist der handgeführte Roboter jedem Handhabungsgerät deutlich überlegen. Das Ergebnis ist eine dauerhaft höhere Qualität. ee

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