Mensch-Roboter-Kollaboration

Andreas Mühlbauer,

Verletzungsrate um über 95 Prozent reduziert

Im Rahmen der Mensch-Roboter-Kollaboration arbeiten Mensch und Maschine ohne Schutzgitter zusammen. Wie sich die sichere Nutzung eines entsprechenden Roboters in einer Fräsapplikation umsetzen lässt, beschreibt das Beispiel des Einlegens von Platinen in Kisten.

Wirtschaftliche Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine an einer gemeinsamen Arbeitsaufgabe. © Phoenix Contact

Roboter haben schon seit Langem Einzug in die Industrie gehalten und sind dort mittlerweile kaum noch wegzudenken. Denn besonders bei schweren Tätigkeiten leisten sie eine unverzichtbare Arbeit. Seit einigen Jahren bemühen sich die Fachspezialisten nun, eine Kooperation zwischen Mensch und Roboter in der Weise zu realisieren, dass sowohl die Taktzahlen als auch die Vielfältigkeit hochdynamisch bleiben.

Ein kollaborativer Roboter ermöglicht eine gefahrfreie Zusammenarbeit und erhöht die Produktivität. © August Phunitiphat/shutterstock.com

Daher werden in industriellen Systemen immer häufiger kollaborierende Robotersysteme verwendet. Diese Konstellation eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungsfällen. Teilweise kommen jedoch Lösungen zum Einsatz, die zwar als kollaborierende Robotersysteme bezeichnet werden, allerdings nicht als solche tätig sind. In der Praxis wird meist von Mensch-Roboter-Kollaboration – kurz MRK – gesprochen. Darunter ist ein autarker, paralleler Betrieb zu verstehen, der bis zur Erledigung gemeinsamer Aufgaben reichen kann. Im Artikel wird erläutert, wie sich eine solche Lösung in der Praxis in den Fertigungsprozess einbinden lässt.

Erfahrungen in einer Beispielapplikation sammeln

Im geschilderten Fall handelt es sich um einen durch eine Handling-Einheit erweiterten kollaborativen Roboter, der in eine Produktionsanlage integriert wird, die aus einem Nutzen Platinen fräst. Aus diesem Aufbau ergeben sich unterschiedliche Fragestellungen: Was muss getan werden, um den Roboter sicher zu betreiben? Ist die Thematik der Gesamtheit von Maschinen zu betrachten? Liegt unter Umständen eine wesentliche Veränderung vor? Empfinden die Mitarbeitenden den Roboter als Konkurrenz um ihren Arbeitsplatz? Spätestens in der Gefährdungsbeurteilung werden diese Aspekte zum Thema. Nichtsdestotrotz können eintönige Tätigkeiten Stress auslösen. Eine einseitige Haltung und monotone Bewegungen resultieren gegebenenfalls in gesundheitlichen Langzeitschäden des Bewegungsapparats. Es gibt also viele Gesichtspunkte, unter denen sich die Anschaffung kollaborierender Roboter als sinnhaft erweist.

Anzeige

In der Beispielapplikation wird ein aus mehreren Einzelleiterplatinen bestehender Nutzen in die Vorrichtung eingelegt. Die ausgefrästen Platinen landen auf einem Förderband, von dem sie die Mitarbeitenden händisch entnehmen und für die nächste Bearbeitung in Kisten stapeln. Dabei kann es an den scharfkantigen Platinen zu Schnittverletzungen kommen. Deshalb überlegen die Verantwortlichen, ob das Ausgeben einer persönlichen Schutzausrüstung (PSA) eine Lösung sein kann. Die Mitarbeitenden würden etwa durch Handschuhe geschützt.

Da langfristig absehbar ist, dass Roboter vielseitiger und öfter in industriellen Prozessen genutzt werden, dient das erläuterte Referenzprojekt der Sammlung von Erfahrungen. Es handelt sich somit nicht um die „Operation am offenen Herzen“ einer Fertigungsmaschine. Nach der Einbindung des kollaborierenden Roboters muss selbstverständlich der Umgang mit MRK-Lösungen beschrieben und unterwiesen werden. Die Wahrscheinlichkeit einer Schnittverletzung reduziert sich aufgrund der vermiedenen Fingerkontakte jedoch um über 95 Prozent. Die eintönige und routinierte Bewegung entfällt ebenfalls.  

Kraftmessung erfordert vollständige Einrichtung der Applikation

Die Planungsphase der Applikation gestaltet sich nicht so umfangreich wie zunächst erwartet, denn die Hersteller der einzelnen Komponenten haben eine gute Vorarbeit geleistet und ihre Produkte korrekterweise mit Konformitätserklärungen in den Verkehr gebracht. Dies ist keine Selbstverständlichkeit. In der Praxis zeigt sich, dass ein aufgeklebtes CE-Zeichen nicht zwingend bedeuten muss, dass die Kennzeichnung auch gerechtfertigt ist. Gut, dass sich im Rahmen der Dienstleistungen von Phoenix Contact immer häufiger herausstellt, dass selbst unversierte Hersteller die nicht nur gesetzliche Notwendigkeit des Themas erkannt haben und sich damit beschäftigen.

Die gemeinsamen Arbeitsbereiche werden in der Risikobeurteilung definiert und bewertet. © Phoenix Contact

Zurück zum Projekt: Die einzelnen Komponenten der verschiedenen Hersteller enthalten gemäß den jeweiligen Betriebsanleitungen Restrisiken, die im Rahmen der weiteren Konstruktion der MRK-Applikation weitgehend gemindert worden sind. Richtigerweise wird die unvollständige Maschine dann mit Einbauerklärung und Montageanleitung der Gesamtanlagen zugeliefert. Die Integration der erforderlichen Sicherheitsfunktionen erfolgt auf Basis der Risikobeurteilung – übrigens nicht der Gefährdungsbeurteilung – sowie anhand einer normativen Hilfe. Parallel findet die Erstellung der notwendigen Betriebsanleitung – und nicht der Betriebsanweisung – statt. Anschließend beginnt die Planung der MRK-Messung, die in Kombination mit dem Werkzeug und dem letztendlichen Produkt durchgeführt wird. Um eine Kraftmessung vorzunehmen, muss die Roboterapplikation vollständig eingerichtet sein. Die Verfahrwege sind zu programmieren und die Peripherie – beispielsweise Speichereinrichtungen – fest zu verbauen.

Greifer müssen umkonstruiert werden

Damit sich die Platinen vom Förderband greifen lassen, wird ein spitzer, gabelformartiger Greifer benötigt. Vom Konzept her sollten die gleichen Greifer verwendet werden, die innerhalb der Fräsmaschine zum Einsatz kommen, um die Platinen abzulegen. Daraus ergibt sich allerdings die Herausforderung, dass Stechgefahren mit einer MRK-Messung nicht erfasst werden können. Wegen der kleinen Kontaktfläche würde der gemessene Druck unweigerlich die Grenzwerte überschreiten.

Zur Vorbereitung einer Messung gehört auch eine Planung aller Stoß- und Klemmstellen. © Phoenix Contact

Das Ablegen der Platinen in die entsprechenden Behälter bedingt ebenfalls eine sensible Bewertung. Die dünnste Platine hat eine Stärke von weniger als einem Millimeter. Folglich sind Schnittgefahren nicht ausgeschlossen, wenn die Mitarbeitenden während der Bewegung in den Ablagebehälter greifen. Nach genauerer Betrachtung werden die Greifer so umkonstruiert, dass in der absenkenden Bewegung eine Fläche von mindestens einem Quadratzentimeter plus ein Radius von zwei Millimeter an drei Kanten vorhanden ist. Die Greiferkante bleibt scharfkantig. Ob die beschriebene Umkonstruktion ausreicht, wird die Messung zeigen.

Wie verhalten sich die scharfkantigen Platinen in der Bewegung? Die Lösung besteht darin, dass die Greifer beim Aufnehmen der Platine auf eine Sollstellung fahren und sich die Kraft beim Erreichen der Position abschaltet. Nun wird die Platine durch Formschluss und Restspannung gehalten. Die Platine fällt somit sofort aus den Greifern, wenn eine Kollision passiert. Die Stärke der Kollision muss jedoch auch mit der Kraftmessdose verifiziert werden. Die Herausforderung ergibt sich daraus, dass die transiente Kraft nicht überschritten werden darf. Die Platine muss also aus der Greifposition fallen, bevor der Grenzwert erreicht ist.  

Drücke und Kräfte lassen sich visuell darstellen

Alles in allem erweist sich die Lösung schon jetzt als Erfolg, denn die Kontaktrate des Mitarbeitenden beim Greifen der Platine mit seinen Fingern ist von 100 Prozent auf unter fünf Prozent gesunken. Es bleibt somit eine Restgefahr, die im Rahmen der Risikobeurteilung bewertet werden muss. Und was haben die Messungen ergeben? Tatsächlich besteht keine Stechgefahr mehr. Die Fläche und die programmierte Bewegungskraft in der Senkrichtung weisen bei einer Kollision Werte auf, die im mittleren Bereich der Normwerte liegen. Die zweite Herausforderung haben die Spezialisten ebenfalls erfolgreich gemeistert: Die Platine fällt bei einer Kollision aus den Greifern. Die Greifkraft reicht geradeso aus, um die Platine zuverlässig vom Förderband in den Ablagebehälter zu legen. Für die Absenkbewegung innerhalb des Behälters ist die Anfahrt programmiert worden, die eine diagonale Absenkbewegung aus der Mitte umsetzt. Durch die Druck-Kraft-Messung lassen sich die auftretenden Drücke und Kräfte visuell darstellen und entsprechend evaluieren.

Filigrane Arbeitsschritte lassen sich durch kollabrierende Roboter realisieren © Phoenix Contact

Nach Abschluss der Messung und dem Zusammentragen sämtlicher Unterlagen ist die Risikobeurteilung freigegeben und die notwendige Konformitätsbewertung durchgeführt worden. Letztere bestätigt die Übereinstimmung mit den gesetzlichen Anforderungen. Die Ausstellung der Konformitätserklärung sowie das Anbringen der CE-Kennzeichnung schließen das Projekt ab. Die Maschine wird danach in den Verantwortungsbereich des Betreibers übergeben.

Henrik Vandieken, B.SC, und Benjamin Peters, beide Competence Center Services, Phoenix Contact Deutschland, Blomberg 

Steuerungsintegration sollte überprüft werden

Damit sich MRK-Roboter sicher einsetzen lassen, müssen sie geprüft werden. Diese Aussage stellt allerdings nur einen Teil der Wahrheit dar: Vielmehr ist die richtige Integration in die Steuerung zu kontrollieren. Die Safety-Spezialisten von Phoenix Contact haben festgestellt, dass es sich lohnt, einen Blick auf diesen Aspekt zu werfen. Sie tun dies zumeist im Rahmen einer ergänzenden Prüfung oder von Maschineninspektionen, die aus ihrer Sicht eine Erweiterung der Gefährdungsbeurteilung bilden.    

Im Rahmen einer solchen Inspektion werden die Umsetzung der Sicherheitsfunktionen, der Stand der Technik der Schutzeinrichtungen sowie deren korrekte Installation inklusive der Sicherheitsabstände kontrolliert. Ferner erfolgt eine Prüfung der elektrischen, pneumatischen, hydraulischen und weiteren Ausrüstung. Wie bereits beschrieben, kann die MRK-Messung Bestandteil der Inspektion sein. Das Team des Competence Center Services unterstützt bei der konkreten Realisierung der detektierten und festgelegten Schritte. Als weiterführende Lektüre bietet sich das Buch „Betreiberpflichten für Alt- und Gebrauchtmaschinen“ aus dem Reguvis Verlag an.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem INDUSTRIAL Production Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite