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Montage Planung und Aufgabenteilung für hybride Montagesysteme

| Autor/ Redakteur: Rainer Müller, Leenhard Hörauf und Julian Koch / Mag. Victoria Sonnenberg

Bei der Planung und Integration von Robotern in bisher rein manuelle Prozessketten müssen verschiedene Anforderungen berücksichtigt werden, wie ein Projekt des Mittelstand-4.0-Kompetenzzentrums Saarbrücken zusammen mit der ISL Group aufzeigt.

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Bild 1: Zunehmender Wettbewerb, bedingt durch die Globalisierung und ergonomisch ungünstige Arbeitsplätze – für diese beiden Probleme bietet der Einsatz von Robotersystemen Lösungen.
Bild 1: Zunehmender Wettbewerb, bedingt durch die Globalisierung und ergonomisch ungünstige Arbeitsplätze – für diese beiden Probleme bietet der Einsatz von Robotersystemen Lösungen.
(Bild: ISL Group GmbH)

Kürzere Produktionslebenszyklen, fortschreitende Globalisierung, zunehmende Nachfrage nach individualisierten Produkten sind nur einige der Herausforderungen, denen sich international agierende produzierende Unternehmen stellen müssen. Insbesondere in Deutschland als Hochlohnstandort resultieren daraus erhöhte Anforderungen an Flexibilität, Reaktionsfähigkeit, Effizienz der Produktion, um weiterhin wettbewerbsfähig zu bleiben. Bedingt durch diese sich ändernden Rahmenbedingungen sehen sich viele mittelständische Unternehmen einem erhöhten Kostendruck ausgesetzt.

Die ISL Group GmbH ist ein solcher mittelständischer Dienstleister, der sowohl im Bereich Industrie als auch Systemlogistik Dienstleistungen anbietet. Einer ihrer Standorte aus dem Geschäftsbereich ISL Automotive befindet sich in Saarlouis. Im dortigen Werk findet die Vormontage von Windschutzscheiben für einen Automobilhersteller statt. Für den Montageprozess müssen die Windschutzscheiben mehrmals entnommen, transportiert und gedreht werden, wodurch eine hohe körperliche Belastung für den Mitarbeiter entsteht. Durch die Einführung von Robotersystemen und fähigkeitsbasierter Aufgabenaufteilung zwischen Mensch und Roboter können sowohl Produktionsabläufe effizienter gestaltet als auch Mitarbeiter ergonomisch entlastet werden.

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Um eine Automatisierungslösung beispielsweise in Form eines Robotersystems innerhalb der vorhandenen Produktionsumgebung einzusetzen, muss grundsätzlich der Dreiklang aus Produkt, Prozess und Betriebsmittel sowie deren Wechselwirkungen untereinander untersucht werden. Zur näheren Betrachtung der Produkte wurden vorliegende Daten (technische Zeichnungen et cetera) und die realen Produkte zu Hilfe genommen. Aus der Produktanalyse ergeben sich die prinzipiellen Anforderungen an den Prozess: Stücklisten geben an, welche Bauteile montiert werden; anhand einer Verbaureihenfolge wird festgelegt, in welcher Sequenz die Bauteile montiert werden. Die sich anschließende Analyse des vorliegenden Prozessablaufs mit den dazugehörigen Maschinen und Anlagen fand vor Ort statt. Mithilfe von Videoanalysen wurden unter anderem die Abfolge und Zeiten der Prozesse ermittelt. Darüber hinaus wurden die Taktzeiten mitsamt den vorhandenen Spreizungen (minimale und maximale Ausstattungsvarianten) aufgenommen, die im gesamten Planungsverlauf beachtet werden müssen. Die von den Mitarbeitern zur Prozessdurchführung eingesetzten Betriebsmittel wurden in diesem Zuge ebenfalls untersucht, wobei in diesem Fall von besonderer Bedeutung ist, welche Fähigkeiten die jeweiligen Betriebsmittel anbieten (siehe Bild 2).

Fähigkeitsbasierte Aufteilung von Aufgaben

Anschließend können die aufgenommenen Informationen der Istanalyse genutzt werden, um bisher manuell durchgeführte Tätigkeiten auf Robotersysteme umzulagern. Hierfür wird zunächst der Prozessablauf zur Vormontage der Windschutzscheiben betrachtet, der sich im Wesentlichen in die folgenden Schritte gliedert: Entnahme aus dem Anliefergestell und Ablage auf dem Arbeitstisch, Reinigung der Oberflächen, Drehen von Vorder- auf Rückseite, Montage der Module in Abhängigkeit von der Ausstattungsvariante (beispielsweise Kameras oder Sensoren über ein Pick-by-Light, siehe Bild 3), Ablage der Scheibe auf dem Abliefergestell. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass die Scheiben im Anlieferzustand sortenrein in Racks bereitgestellt und zur Auslieferung hin in die Sequenz der Endmontage des Kunden gebracht werden. Die zuvor genannten Teilprozesse werden bisher durchgehend manuell durch Mitarbeiter ausgeführt.

Zur Aufteilung dieser Prozesse sind zunächst die grundsätzlichen Fähigkeiten von Menschen und Robotern zu beachten. Für das Handling der Scheiben, die ein Gewicht von circa 13 kg aufweisen, eignet sich prinzipiell ein Roboter mit einem passenden Aufnahmewerkzeug, wohingegen diese Prozesse für den Menschen ergonomisch sehr ungünstig sind. Prozesse, bei denen eine gewisse Sensitivität notwendig ist, sind in der Regel nur schwer wirtschaftlich automatisierbar und daher bietet sich eine manuelle Ausführung an. Zu diesen Prozessen gehören im Beispiel die Reinigung der unebenen Scheibenoberflächen und die Montage der Elektronikkomponenten.

Neben den Fähigkeiten von Mensch und Roboter muss zur effizienten Systemgestaltung auf eine Parallelisierung der Prozesse geachtet werden, damit Wartezeiten kurz und Auslastungen hoch gehalten werden. Darüber hinaus gilt es, die vom Kunden geforderte Taktzeit einzuhalten. Diese beiden Anforderungen können mithilfe von Gantt-Diagrammen, wie in Bild 2 unten dargestellt, einfach untersucht und visualisiert werden. Im Allgemeinen gibt es nicht nur eine Möglichkeit, die einzelnen Tätigkeiten zuzuordnen und innerhalb einer Prozesskette einzuplanen, wodurch sich mehrere Lösungsmöglichkeiten ergeben. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer individuellen Bewertung der einzelnen Lösungsmöglichkeiten gegeneinander, die allerdings von der technischen Ausgestaltung des Montagesystems abhängig sind.

Gestaltungsmöglichkeiten eines Montagesystems

Für die Umsetzung der zuvor entwickelten Lösungsmöglichkeiten der Prozessaufteilung zwischen Mensch und Roboter bieten sich hybride Montagesysteme an, in denen Roboterstationen mit Handarbeitsplätzen kombiniert werden. Die konkrete Ausgestaltung des teilautomatisierten Systems kann anhand von verschiedenen Prinzipien erfolgen.

Roboterzelle: Eine einfache Möglichkeit der Integration eines Roboters in die Produktionsumgebung bietet eine Zelle, wie in Bild 4 links gezeigt. Aufgrund der sortenreinen Anlieferung der Scheiben werden im konkreten Anwendungsfall hierfür mehrere Gestelle benötigt, um alle Varianten auf einem Produktionssystem abzubilden.

Dadurch stellt sich der Arbeitsraum (in der Abbildung rot gekennzeichnet) eines gewöhnlichen Industrieroboters schnell als unzulänglich heraus. Folglich lassen sich die Aufgaben zwischen Mensch und Roboter nicht optimal aufteilen, sodass die Handlingaufgaben nur zum Teil (Drehen und Ablage der Scheiben) vom Roboter übernommen werden können. Um eine zusätzliche Parallelisierung von Tätigkeiten zu realisieren, werden zwei Arbeitsplätze (Aufnehmer) vorgesehen. Auf diese Weise können sowohl Mensch als auch Roboter jeweils an einem Arbeitsplatz arbeiten.

Erweiterung des Arbeitsraums über eine siebte Achse: Abhilfe gegen eine unzulängliche Reichweite des Roboters kann eine siebte Achse schaffen, auf welcher der Roboter montiert und dadurch der Arbeitsraum erweitert wird (siehe Bild 4 rechts). In diesem Fall wird die Erreichbarkeit aller Gestelle ermöglicht, womit das Handling komplett auf den Roboter übertragen wird und eine optimale Auslastung zwischen Mensch und Roboter erreicht werden kann. Jedoch entstehen durch die Implementierung einer siebten Achse nicht nur zusätzliche Kosten, sondern die Steuerung des Gesamtsystems wird komplexer.

Taktstraße: Darüber hinaus bietet sich eine getaktete Montagelinie (siehe Bild 5) an, um die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter auf dem Hallenboden zu verwirklichen. Das Produkt wird hier auf einem Werkstückträger und einer Zuführ- und Rückführstrecke transportiert und zuletzt vom Roboter entnommen und in ein Gestell einsortiert. Mithilfe der einzelnen Takte lassen sich die manuellen Prozesse einfach aufteilen, wobei in diesem Fall ein Mitarbeiter zwei Takte übernimmt, sodass steigende Bedarfe in diesem Fall über zusätzliches Personal abgedeckt werden können. Für eine verbesserte Ergonomie kann der Drehprozess der Scheibe durch eine einfache Einrichtung innerhalb eines Taktes ebenfalls automatisiert werden. Angesichts der hohen Flexibilität in Bezug auf Variantenvielfalt, Aufgabenteilung und Reaktion auf Stückzahlenschwankungen wurde dieses Konzept als Favorit identifiziert.

Das entwickelte Konzept entlastet den Mitarbeiter, indem Teile des Handlings der Scheibe von automatisierten Betriebsmitteln übernommen werden. Der Mitarbeiter ist weiterhin für die Aufgaben zuständig, die für einen Roboter ungeeignet sind, und bleibt so in seinem gewohnten Arbeitsumfeld tätig. Gemeinsam mit einem Maschinenbauer wurde eine Feinabstimmung des Konzepts mittels Detailanalysen durchgeführt, welche zur konkreten Umsetzung des Konzeptes führt.

* Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller ist wissenschaftlicher Geschäftsführer, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Leenhard Hörauf ist Gruppenleiter Montagesystemtechnik und Anlagenplanung, Julian Koch, M. Sc., M. Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Montagesystemtechnik und Anlagenplanung am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gGmbH (ZeMA) in 66121 Saar- brücken, Tel. (06 81) 85 78 73 51, j.koch@zema.de

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