Was bei der Implementierung kollaborierender Leichtbauroboter zu beachten ist

Einfacher Einstieg in die Robotik

Mit der Teach-Funktion lässt sich der Roboter ganz einfach manuell von Wegpunkt zu Wegpunkt führen. Programmierkenntnisse sind so für Mitarbeiter kein Muss. Bild: Hofmann GmbH
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Kollaborierende Leichtbauroboter können für KMU, die ihre Prozesse automatisieren wollen, eine Option sein. Allerdings sollten sie sich zunächst darüber im Klaren sein, welche konkreten Anforderungen sie an die Roboter haben? Dieser Leitfaden gibt einen Einblick, worauf Einsteiger bei der Umsetzung achten sollten.

Die Leichtbaurobotik und insbesondere ihre Anwendung im Rahmen der Mensch-Roboter-Kollaboration bietet ein enormes Potential, um eine Vielzahl innerbetrieblicher Aufgaben zu optimieren und gleichzeitig Mitarbeiter von ergonomisch ungünstigen Tätigkeiten zu entlasten. Moderne kollaborierende Roboter sind echte Arbeitskollegen, die nach abgeschlossener Risikobeurteilung ohne oder nur mit minimaler Schutzumhausung direkt neben den menschlichen Mitarbeitern zum Einsatz kommen. Mensch und Maschine teilen sich die Workload und während der Leichtbauroboter beispielsweise noch ein Teil weiterverarbeitet, kann der Arbeiter schon die nachfolgenden Produktionsschritte vorbereiten. Dank der einfachen Implementierung können Cobots, wie die kollaborierenden Roboter auch genannt werden, zudem im laufenden Betrieb ohne grossen Zeitverlust immer neue Aufgaben übernehmen.

Die MRK ist somit ein bewährtes Mittel, um:

  • die Effizienz der Produktion und somit auch die Produktivität zu steigern,
  • bei gegebenenfalls höherem Tempo trotzdem eine grössere Präzision in der Fertigung zu erreichen,
  • die Betriebskosten bei gleichbleibender Qualität zu senken und
  • die Produktion schnell und flexibel an sich schnell ändernde Kundenbedürfnisse anzupassen.

Ein wichtiger Faktor in der direkten Kollaboration zwischen Mensch und Roboter ist ausserdem die Erhöhung der Sicherheit: Gerade bei der Arbeit mit Maschinen, wie Pressen, bei Pick-and-place-Applikationen, in denen Greifer im Einsatz sind, oder bei der Arbeit mit gefährlichen Werkstoffen, kann ein Cobot die Sicherheit verbessern, indem er den gefährlichen Teil der Arbeitsschritte übernimmt.

Einsatzgebiete von Cobots

Kollaborierende Leichtbauroboter sind ideal geeignet, um repetitive Arbeitsschritte, die trotz hoher Wiederholungsrate mit immer derselben Kraft und Präzision ausgeführt werden müssen, zu übernehmen. Schwere Lasten können sie in der Regel zwar nicht stemmen, aber prinzipiell sind beispielsweise Modelle wie die von Universal Robots in der Lage, jede repetitive Tätigkeit mit einer Nutzlast bis 10 kg auszuführen. Denn die Roboter können für die gleichen Bewegungen programmiert werden, die ein Mensch ausführen kann. Und auch ihre Reichweite ähnelt mit 500 bis 1300 mm der des menschlichen Arms. Zusätzlich lassen sich die Werkzeugschnittstellen der Roboter je nach individuellen Anforderungen flexibel mit unterschiedlichen Werkzeugen, wie Greifern oder Vision-Sensoren, bestücken, wodurch sie verschiedenste Aufgaben übernehmen können: Pick-and-place, Polieren, Verpacken und Palettieren, Qualitätskontrolle, Montage, Maschinenbestückung, Schrauben, Laboranalyse und Tests, Kleben und Schweissen zählen vornehmlich zu den Anwendungsbereichen.

Flexible Cobots lassen sich plug-and-play mit verschiedenen AddOns erweitern beziehungsweise für immer neue Aufgaben umrüsten: Universal Robots bietet hierfür beispielsweise den virtuellen Showroom UR+ mit einer grossen Auswahl an kompatiblen Werkzeugen und anderem Zubehör.

Implementierung eines Cobots

Cobots lassen sich in aller Regel selbst ohne umfassende Programmierungserfahrung schnell einrichten und bedienen. Aufwendiges Programmieren im Code ist nicht zwingend erforderlich. So können die UR-Roboter zum Beispiel über Pfeiltasten auf dem Bildschirm oder durch Anlernen des Roboterarms im Teach-Modus programmiert werden. Hierbei führt der Anwender den Roboterarm per Hand an die Wegpunkte, die er im Rahmen seiner Arbeit anfahren soll und bringt ihm so seinen Arbeitsweg bei. Der Ablauf der Applikation wird so Schritt für Schritt gespeichert.

Für das Arbeiten mit variierenden Werkstücke oder unstrukturierten Anordnungen benötigt der Cobot Sensoren, die ihm beim Erfassen und Greifen der einzelnen Teile helfen. Zwar können moderne Roboterapplikationen derart komplexe Prozesse mit den entsprechenden AddOns leisten, einfacher umzusetzen ist eine solche Applikation in der Regel jedoch, wenn die Werkstücke mit einfachen Sortiermaschinen, wie Fliessbändern oder Trichtern, vorsortiert werden. Grundsätzlich gilt die Faustregel: Zuerst mechanisch vereinzeln, erst wenn das nicht mehr ausreicht, auf Kamera, Ultraschall oder andere Sensoren zurückgreifen.

Risikobeurteilung von Cobots

Cobots sollten je nach der möglichen Gefährdung einen gewissen Grad an Zuverlässigkeit bei deren Sicherheitsfunktionen nachweisen. Diese Zuverlässigkeit wird mit dem Performance Level beschrieben, welcher gemäss der harmonisierten Norm EN ISO 13849-1:2008 von a (geringe Zuverlässigkeit/Fehlersicherheit) bis hin zu e (hohe Zuverlässigkeit/Fehlersicherheit) gegliedert ist.

Um eine Roboter-Applikation abschliessend auf ihre Sicherheit zu überprüfen, muss in jedem Fall eine Risikobeurteilung durchgeführt werden. In dieser werden alle möglichen Gefahren, die von der Anwendung ausgehen könnten, identifiziert und betrachtet. Bei MRK-Anwendungen muss dabei dem Kollaborationsraum, also der Bereich, in dem Roboter und Mensch direkt miteinander agieren können, besonderes Augenmerk gewidmet werden. Für diesen sollte immer das Grundprinzip «So klein wie möglich, so gross wie nötig» gelten, da für diesen Bereich nachgewiesen werden muss, dass im Rahmen der Kollaboration keine Gefahren für den Menschen auftreten können. Je grösser der Kollaborationsraum, desto höher ist auch der Aufwand für die Verifizierung der Sicherheit.

Bei Roboterapplikationen mit Kraft- und Leistungsbegrenzung erfolgt die Risikobeurteilung für den Kollaborationsraum mittels Messung und Berechnung von Kollisionskräften. Hierzu wurde im Februar 2016 die ISO TS 15066 herausgegeben, welche speziell für diese Applikationen und die Bewertung der Sicherheit sehr viele hilfreiche Hinweise und Beispiele erhält.

Um das Risiko einer Roboter-Anwendung zu beurteilen, darf zudem nicht nur der alleinstehende Roboter betrachtet werden, sondern das grosse Ganze ist zu berücksichtigen – das heisst, die gesamte Roboterapplikation, zu der unter anderem beispielsweise der Greifer und das Werkstück zählt. Denn gerade bei spitzen oder scharfkantigen Werkstücken ist im Kollaborationsraum besondere Vorsicht geboten. Besteht in solchen Fällen das Risiko einer Kollision mit dem menschlichen Mitarbeiter, kann das dazu führen, dass Sicherheitsmassnahmen, wie ein Schutzzaun, der Mensch und Roboter räumlich voneinander trennt, erforderlich sind.

Fazit

All diese Punkte zeigen: Automatisierung ist kein Hexenwerk und prinzipiell für jeden Betrieb eine machbare Lösung. Cobots sind nach abgeschlossener Risikobeurteilung flexibel in allen denkbaren Prozessen einsetzbar und ein echter Gewinn für jeden Betrieb, der produktiver und flexibler fertigen möchte, ohne dabei an Qualität einzubüssen. Wenn all diese genannten Punkte berücksichtigt sind, steht einer Automatisierung mit kollaborierenden Robotern nichts mehr im Wege.