Robotics in der Industrie 4.0

Cobots mit Schlüsselrolle bei der Digitalisierung

Für Mittelständler könnten kooperierende Roboter (Cobots) zu wichtigen Helfern werden: Sie unterstützen bei neuen Aufträgen, für die das Personal fehlt, und machen die Produktion flexibler, ohne dass dafür Roboterexpertise nötig wäre.

  • Geschäftsmann reicht einem Roboter die Hand

    Cobots können verlorene Arbeitszeiten kompensieren, wenn Menschen wegen Krankheit oder Weiterbildung ausfallen oder für diese Form von Arbeit nicht mehr zu begeistern sind. ((Bildquelle: Getty Images/iStock))

  • Robotergestützte Fertigungsstraße in einem Automobilwerk

    Robotergestützte Fertigungsstraße in einem Automobilwerk ((Bildquelle: Getty Images/iStock))

  • Wassim Saeidi, Geschäftsführer von WS System

    „Wir konnten mit Cobots eine Produktivitäts-steigerung von 60 Prozent im Shop Floor erreichen“, sagt Wassim Saeidi, Geschäftsführer von WS System. ((Bildquelle: WS System))

  • Julia Berg, Gruppenleiterin Kooperierende Robotik am Fraunhofer IGCV

    „Man kann mit Cobots definitiv Kapazitäts-schwankungen ausgleichen“, sagt Julia Berg, Gruppenleiterin Kooperierende Robotik am Fraunhofer IGCV. ((Bildquelle: Fraunhofer IGCV))

Immer mehr kooperierende Roboter lassen sich wie mit einer einfachen Smartphone-App programmieren und ohne allzu großen Aufwand für die Automatisierung nutzen. „Bei der Auswahl ist Prozesswissen gefragt: Der Leichtbauroboter sollte spezifisch zur Aufgabe passen. Vor allem geht es darum, wie das Bauteil aussieht, welches Gewicht es hat und ob es sich um einfache Handhabungsaufgaben oder um Montage handelt“, erklärt Julia Berg, Gruppenleiterin Kooperierende Robotik an der Fraunhofer-Einrichtung für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV. Die Sensitivität zum Fügen und die Traglast sind dabei wichtige Eigenschaften. Für Mittelständler könnten Cobots einen guten Einstieg in einfache Automatisierungsaufgaben darstellen, meint Berg. Dazu gehört z.B. das Einlegen von Teilen in Werkzeugmaschinen, für das sonst ein Mitarbeiter benötigt wurde. „Man kann mit Cobots definitiv Kapazitätsschwankungen ausgleichen und, in Richtung Fachkräftemangel gedacht, können Roboter manche Aufgaben übernehmen“, bestätigt Julia Berg.

Platzsparende und mobile Helfer

Cobots spielen so eine Schlüsselrolle für Industrie-4.0-Konzepte. „Indem mobile Cobots immer mehr Teilaufgaben übernehmen und das Produkt selbst sich zunehmend durch eine modulare Fertigung steuert, lässt sich der Produktionsablauf in kürzester Zeit verändern“, erklärt Dieter Faude von Cobot Consulting. Gerade indem zum Beispiel autonome fahrerlose Transportsysteme in Verbindung mit Roboterinseln arbeiten, lasse sich der Fertigungsablauf frei programmieren.

Dies ist ein Artikel aus unserer Print-Ausgabe 3/2019. Bestellen Sie ein kostenfreies Probe-Abo.

Cobots und Leichtbauroboter lassen sich ähnlich einsetzen wie die bisher verbreiteteren Industrieroboter, die allerdings meist hinter Schutzzäunen weggesperrt sein müssen. „Cobots brauchen weniger Platz, weil die Umzäunung wegfällt, sie haben kürzere Bremszeiten, verbrauchen weniger Energie und lassen sich einfacher handhaben und trainieren“, nennt Faude einige Unterschiede. Aus seiner Sicht eignen sich die neuen, leichten Roboter vor allem für ergonomisch ungünstige, körperlich belastende und langweilige Aufgaben. Er meint: „Wir wollen den Menschen nicht ersetzen, sondern unterstützen.“ Weil die Roboter auf alle möglichen Unterbauten montiert werden können, sind sie auch mobil und flexibel. So könnte zum Beispiel in der Logistik ein kooperierender Roboter auf einem fahrerlosen Transportsystem auf dem Weg von A nach B schon Montagearbeiten erledigen.

Einfacher Einstieg

„Mittelständler stehen häufig vor der Situation, geringe Stückzahlen bei gleichzeitig hoher Typenvielfalt herzustellen, trotzdem muss der Preis passen. Eine Fachkraft für Roboterprogrammierung gibt es meist auch nicht. Roboter-Farming oder Roboterinseln mit Leichtbaurobotern oder Cobots geben darauf eine Antwort“, stellt der Roboterexperte fest, der sein Unternehmen Faude Automatisierungstechnik an Kuka verkauft und dann Cobot Consulting gegründet hat. Weil sich eine Roboterlösung schnell kopieren lässt, können bei wachsender Auftragslage also schnell neue Roboter hinzugefügt werden.

Wann lohnt sich ein Cobot-Einsatz?
Ein Cobot kann helfen, wenn eine oder
mehrere Fragen bejaht werden. Gibt es ...

  • ... Tätigkeiten, die unergonomisch, schmutzig oder laut sind?
  • ... Routine-Abläufe, die sich immer wiederholen?
  • ... Bereiche, für die man zu wenig Mitarbeiter hat?
  • ... gefährliche Teil- oder Arbeitsschritte oder gefährliche Werkstoffe?
  • ... kleine Stückzahlen bei unterschiedlichen Varianten?
  • ... bisher nicht wirtschaftlich automatisierbare Tätigkeiten?

Quelle: Cobot Consulting

Je mehr kleine, filigrane Aufgaben der Roboter erledigen soll, desto aufwendiger wird es mit der Programmierung, meint die Fraunhofer-Expertin. Sobald Sicherheitsaspekte ins Spiel kommen, wird es ebenfalls schwieriger. „Da braucht es Expertenwissen, um die Vorschriften anzuwenden und die Roboter einzusetzen“, so Berg. Für die meisten Leichtbauroboter gibt es gute intuitive Benutzerschnittstellen, mit denen die Aufgaben definiert werden können, meint Berg: „Man wird durch die Parametrisierung in den Apps so geleitet, dass es auch Mitarbeiter ohne Programmierkenntnisse machen können.“ Wer bei null beginnt, benötigt für die Einrichtung einer einfachen Tätigkeit, wie zum Beispiel einer Handhabungsaufgabe, rein von der Bewegung und dem Greifen her eine gute Stunde. Soll der Roboter an die Maschine angebunden werden, dauert es entsprechend länger.

Herausforderung rechtliche Sicherheitsvorgaben

„Die Rechtslage ist für den Einsatz einer Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) einigermaßen kompliziert und für Unternehmen erst einmal schwierig zu verstehen, auch wenn es viele Handlungsleitfäden gibt, um damit umzugehen“, stellt Julia Berg fest. Für die jeweilige Nutzung muss eine CE-Kennzeichnung erstellt werden. Das macht jedoch Änderungen der Applikation problematischer. „Das stellt gerade Mittelständler vor Schwierigkeiten, die viele Produktvarianten haben oder den Einsatzort häufiger verändern wollen“, so Berg. Echte Flexibilität sei deshalb noch nicht wirklich möglich.

„Es gibt bis heute nicht den sicheren Cobot oder die sichere Sensorik, mit der man per se auf der sicheren Seite ist“, meint Dieter Faude. Es müssen je nach Aufgabe biomechanische Grenzwerte beim Cobot eingehalten werden, die in den Normen ISO TS 15066 und ISO 10218 -1 und -2 definiert sind. „Die größte Hürde besteht darin, diese Grenzwerte nicht zu überschreiten. Auf dieser Basis muss überlegt werden, welche Lösung passt: eine MRK-Lösung mit Cobot oder eher ein Leichtbauroboter mit Lichtschranke oder Scanner“, so Faude. Die Roboter selbst sind sicherheitstechnisch schon sehr weit. „Es gibt zusätzlich eine taktile Schutzhaut, die Berührung wahrnimmt, und eine Art Zwiebelschalensystem mehrerer Sicherheitseinrichtungen, die eine Abschaltung bewirken können“, erklärt der Cobot-Berater. Mittelständler stehen aber vor der Herausforderung, die biomechanischen Werte richtig zu messen und die Vorschriften einzuhalten, meint Faude: „Da haben wir unsere Probleme, eine wirtschaftliche Lösung zu finden. Sonst wäre die Technologie schon längst in großen Stückzahlen in Richtung Mittelstand ausgerollt.“

Schnelle Einführung von Cobot-Kollegen

Kleine und mittelständische Unternehmen sind nach eigenem Bekunden die Hauptzielgruppe des dänischen Cobot-Pioniers Universal Robots. Für den Einstieg bietet das Unternehmen 90-minütige Schulungen in seiner Online-Akademie an, danach soll jeder in der Lage sein, den Roboterarm zu bedienen. Der Roboter wird über ein „Teach Panel“ bedient, mit „Hand Guiding“ kann er manuell in die Positionen geführt werden, die er sich merken soll. „Einfache Anwendungen, bei denen der Cobot zum Beispiel ein Produkt in die Maschine einlegt und wieder herausnimmt oder etwas vom Förderband nimmt, lassen sich in maximal einem Tag realisieren, hochkomplexe Aufgaben dauern entsprechend länger“, erklärt Helmut Schmid, Geschäftsführer der deutschen Niederlassung und General Manager Western Europe bei Universal Robots. Mit Gewichten um die 30 Kilo sind die Cobots einfach zu bewegen, es lassen sich verschiedene erlernte Programme hinterlegen.

Die e-Series von UR erfüllt zwar die Roboternorm 10218, doch es muss jeweils die komplette Applikation betrachtet werden, erklärt Helmut Schmid: „Es ist ein Unterschied, ob ein Roboter ein Windelpaket greift und transportiert oder scharfkantige Objekte. Auch die Art des Greifers ist entscheidend bei der Betrachtung von Sicherheits- und Verletzungsrisiken.“ Dafür arbeitet der Cobot-Hersteller mit Partnern und Integratoren zusammen, die eine CE-Beurteilung für jede Anwendung erstellen. „Man darf das Thema Sicherheit nicht herunterspielen, aber es ist auch kein Hexenwerk. Es reicht aus, mit normalem Menschenverstand an solch eine Beurteilung heranzugehen“, meint Schmid.

Eine durchschnittliche einfache Integration dauert mit allem Drum und Dran zwischen vier und sechs Wochen, einschließlich Planung, Beschaffung der Greifer, der vorbereitenden Umstellung der Produktion und rund 1,5 Tagen für die Zertifizierung, schätzt Schmid. Die kollaborativen Helfer eignen sich zum Beispiel auch für logistische Aufgaben wie das Etikettieren und Verpacken von Teilen, aber auch für das Schrauben, Löten, Kleben und Schweißen.

Cobots in der Praxis

Der mittelständische Produzent, Cobot-Integrator und IoT-Berater WS System GmbH, der unter anderem Türaußengriffe für den Smart herstellt, hat die Erkundung und Einführung von Industrie-4.0-Technologien genutzt, um sein Geschäftsfeld zu erweitern. Schon früh steckte man Energie in den Einsatz von AR-Technologie (Augmented Reality) – die Mitarbeiter arbeiten mit Datenbrillen in der Produktion, die sie durch Prozessschritte führen und die nebenbei für die Qualitätssicherung sorgen. Beim Thema Cobots nutzte man die Technologie ebenfalls zunächst in der eigenen Produktion, auch um Lernmodelle für die Software-Plattform IGO (Intelligent Guide Operator) aus der realen Praxis zu generieren. Jetzt bietet man das daraus entstandene Know-how als Systemintegration inklusive IoT-Anbindung an. „Wir konnten eine Produktivitätssteigerung von 60 Prozent im Shop Floor erreichen. Ein solches Ergebnis lässt sich auch auf andere Unternehmen übertragen“, sagt Wassim Saeidi, Geschäftsführer von WS System. Zudem gebe es weitere Einsparungen im Back-Office, wo die Quote ebenfalls im zweistelligen Prozentbereich liege: Durch die digitalen Analysen aus den generierten Daten lassen sich Probleme frühzeitig erkennen und reale Reaktionszeiten zum Beispiel beim Qualitätsmanagement vermeiden.

Die verbreiteten Ängste vorm neuen „Kollegen Roboter“ hält Saeidi für unbegründet: „Es geht uns nicht um Vollautomatisierung. Wir glauben, dass in den meisten Fällen bei Montage oder Hilfsschritten eine Vollautomatisierung vom Platz oder vom Konzept her nicht passt.“ Sämtliche stupiden, immer gleichen Aufgaben sollten perspektivisch von Cobots erledigt werden, findet Saeidi. Dazu gehören zum Beispiel das Aufbringen von Klebstoff, Verschraubungsprozesse, das Bedienen von Standbohrern/CNC oder Spritzgussmaschinen, das Abschneiden von Stegen im Plastik, das Wegpacken und die Kontrolle am Ende des Förderbandes, das Anbringen von Gummilippen oder Sortiertätigkeiten.

Industrie-4.0-Konzepte verändern Mitarbeiterführung

Cobots können verlorene Arbeitszeiten kompensieren, wenn Menschen wegen Krankheit oder Weiterbildung ausfallen oder für diese Form von Arbeit nicht mehr zu begeistern sind. „Mit Leichtbaurobotern lässt sich teilweise der Fachkräftemangel auffangen, der vielen Firmen zu schaffen macht. Cobots ermöglichen aber auch, neue Aufträge anzunehmen, die man vorher aus Personalmangel ablehnen musste“, stellt auch Saeidi fest. Mit seinem Industrie-4.0-Konzept geht das niedersächsische Unternehmen bei der Mitarbeiterführung neue Wege. „Wir setzen stark auf Kompetenzentwicklung, fördern sie mit Incentives und sagen klar: Jeder ist frei, sich weiterzuentwickeln.“ So können sich die Mitarbeiter zum Beispiel auch als Cobot-Programmierer qualifizieren. Wer die Weiterbildung erfolgreich abgeschlossen hat, erhält einen Gehaltsaufschlag. Hinter dem Cobot-Programm bei WS steht ein selbstlernendes, neuronales Netz in Form der eigenen Plattformlösung namens IGO, das immer mehr Wissen rund um die Robotic-Prozesse generiert. Basis dafür ist die KI-Lösung Tensorflow von Google. Die IGO-Plattform will man im Rahmen einer Partnerschaft mit Universal Robots weiteren Fertigungsunternehmen zugänglich machen, damit andere nicht bei null anfangen müssen.

Wiederverwendbarkeit und klare Sicherheitseinstufungen

Mit dem Grundstock, der be-reits geschaffen wurde, lassen sich gut 60 Prozent einer neuen Cobot-App bereits fertig übernehmen, nur der Rest muss individuell angepasst werden, sagt Saeidi. So sind bestimmte Abläufe immer gleich, zum Beispiel wenn ein Cobot ein Teil aus einer Kiste nehmen soll. Zu erkennen, ob die Kiste da ist und wo sie steht, ist so eine KI-Aufgabe, die sich bei jeder vergleichbaren Arbeit wiederholt. Auf die Sicherheitsherausforderung hat man eine klare Antwort gefunden: „Man muss die richtige Sicherheitstechnik einkaufen, installieren und für den Prozess qualifizieren. Es gibt genaue Vorgaben, was ein Roboter in welcher Kollaborationsstufe darf. Dafür ist Fachwissen notwendig“, erklärt Wassim Saeidi. Für die Lösungen, die gemeinsam mit anderen Unternehmen entwickelt werden, vergibt das Unternehmen CE-Erklärungen.

Der Industrie-4.0-Ansatz bei WS sieht vor, dass die Mitarbeiter mehr Zeit für kreative Aufgaben haben. Zugleich will man mit der zweiten Version der eigenen Mitarbeiter-App ermöglichen, dass jeder Mitarbeiter sich aussuchen kann, welche Aufträge er gerade bearbeiten will, welche Tätigkeiten er machen möchte. Dafür sind Aufträge im System mit Mitarbeiterkompetenzen und Ressourcen gekoppelt. „Ein Cobot ist als Insellösung wirtschaftlich lange nicht so interessant wie als vernetzte Lösung, bei der die Daten der Roboternutzung für die Optimierung von Prozessen ausgenutzt werden“, konstatiert der WS-Geschäftsführer.

Großer Markt für kooperierende Roboter
Neben traditionellen Roboterherstellern wie Kuka, Fanuc, ABB oder Yaskawa gibt es viele neue Player im Cobot-Markt, darunter Rethink Robotics, Universal Robots, Engineering for you oder Kassow Robots. In der Regel handelt es sich um montierbare Roboterarme, die häufig direkt mit Menschen in der sogenannten MRK (Mensch-Roboter-Kollaboration) zusammenarbeiten können. Deutschland ist laut Branchenverband IFR der fünftgrößte Markt für Robotik. Bis 2020 soll es drei Millionen Indus-trieroboter geben, doppelt so viele wie 2014. Dabei entfällt ein zunehmend höherer Anteil auf kooperierende Roboter.

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