Mensch-Roboter-Kollaboration sorgt für ergonomische Arbeitsbedingungen

In der Leichtmetallgießerei im Werk Landshut fertigt BMW die Kurbelwellengehäuse für seine sämtlichen Motoren. Der Automobilhersteller plante, die Qualitätssicherung für diese Gehäuse zu automatisieren – allerdings nicht vollständig: zur Inspektion dieser Bauteile bedarf es weiterhin des geschulten Blicks der Mitarbeiter. Deshalb lautete der Auftrag an den Robotik-Dienstleister MRK-Systeme, eine Handhabungsanlage zur Qualitätsprüfung zu entwickeln, in der Mensch und Roboter direkt, also ohne Schutzzaun, zusammenarbeiten können. Das 2004 gegründete Augsburger Unternehmen ist auf solche Projekte mit Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) beziehungsweise Assistenz-Robotern spezialisiert. Einsatzgebiete sind hauptsächlich Maschinenbau-Unternehmen, besonders in der Automotive-Branche. Der Robotik-Dienstleister verwendet dafür ausschließlich Roboter von Kuka Roboter.

Ergonomie ist entscheidend

Bislang erfolgte die Qualitätsprüfung der Kurbelwellengehäuse bei BMW mithilfe eines Rhönrads. Um das Bauteil von allen Seiten auf Fehler untersuchen zu können, mussten die Mitarbeiter das Rhönrad mit Muskelkraft drehen. Das Problem dabei: Das Rhönrad ist schwer. Zudem waren vor allem großgewachsene Mitarbeiter bei jedem Prüfvorgang gezwungen, sich zu bücken; das schadet dem Rücken. BMW suchte daher eine ergonomische Lösung, die die Mitarbeiter entlastet, die einfach zu bedienen ist und die kurzen Taktzeiten einhalten kann. „Diese Anforderungen waren prädestiniert für den Einsatz von Robotern, weil sie sehr flexibel einsetzbar sind“, erklärt Michael Mohre, verantwortlich für den Bereich Operations bei MRK-Systeme. „Bei Bauteil-Änderungen können sie einfach umprogrammiert werden“, fährt Mohre fort, der maßgeblich an der Installation der automatisierten Prüfvorrichtung beteiligt war. Und nicht zuletzt passte auch das Preis-/Leistungsverhältnis, merkt Mohre an.

Ein BMW-Mitarbeiter steuert den Roboter mit einem intuitiv bedienbaren Joystick; das Daumenrad dient zur Höhenverstellung. So lässt sich das Bauteil in einer angenehmen Körperhaltung auf Fehler überprüfen. BMW/Kuka Roboter

Der Ablauf des Prüfprozesses

Über ein Förderband werden die Kurbelwellengehäuse in den Arbeitsbereich angeliefert. Je nach Bauart des Motors (Drei-, Vier- oder Sechs-Zylinder), wählt die überlagerte Steuerung das entsprechende Programm zur Bewegungssteuerung des Roboters aus. Erreicht das Kurbelwellengehäuse den Arbeitsbereich des Roboters, steuert der Mitarbeiter mit einem Joystick dessen Bewegungen. Der Roboter bewegt sich dabei auf einer vorgegebenen Bahn zu dem Gehäuse, schließt den Greifer und reicht das Bauteil dem Mitarbeiter an. Dieser steuert mittels Joystick die weiteren Bewegungen des Roboters, um in einer angenehmen Körperhaltung die Bauteile mit einer Kaltlichtlampe auf Fehler überprüfen zu können. Währenddessen hält der Roboter das rund 30 kg schwere Bauteil sicher in der für den Mitarbeiter geeigneten Höhe. Nach abgeschlossener Prüfung fährt der Mitarbeiter den Roboter samt Gehäuse zurück zum Förderband und legt es dort ab. Beendet wird die Prüfungsprozedur mit einem Knopfdruck; damit dokumentiert der Mitarbeiter, ob das Bauteil ‚in Ordnung‘ oder ‚nicht in Ordnung‘ ist.

Beide Roboter für die Prüfvorrichtung kommen von Kuka, aus der KR-Quantec-Serie, Typ KR 210 R2900 prime K (in Konsolenausführung). Diese Sechsachs-Roboter sind für hohe Traglasten, schnelle Taktzeiten und sehr hohe Bahngenauigkeit ausgelegt.

Die beiden Prüfvorrichtungen für die Kurbelwellengehäuse basieren auf Kuka-Sechsachs-Robotern Modell KR-Quantec, Typ KR 210 R2900 prime K. BMW/Kuka Roboter

Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit

Bei der direkten Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine steht die Sicherheit der Mitarbeiter an erster Stelle. Drei voneinander unabhängige Sicherheitsvorrichtungen sorgen für die Sicherheit am Arbeitsplatz: Die erste Absicherung besteht aus einer speicherprogrammierbaren Steuerung (Safe-SPS), die den Greifer sicher steuert. Die Zweite ist eine sichere Robotersteuerung, die den Roboter nur bestimmte Geschwindigkeiten in Arbeitsräumen ausführen lässt. Als dritte Sicherung fungiert ein Zustimmtaster, den der Mitarbeiter drücken muss, damit sich der Roboter überhaupt bewegt; lässt er den Taster los, stoppt der Roboter augenblicklich.

Darüber hinaus muss der Roboter so einfach wie möglich, also intuitiv, zu bedienen sein; ansonsten ist die Mensch-Roboter-Kollaboration nicht praktikabel. Drückt oder zieht der Mitarbeiter den Joystick-Griff nach vorn oder hinten, bewegt sich der Roboterarm in die jeweilige (parametrierte) Richtung. Drückt er ihn nach links oder rechts, bewegt sich der Arm ebenfalls entsprechend in diese Richtungen. Für die Höhenverstellung des Roboterarms dient ein Daumenrad am Joystick. Sowohl Rechts- als auch Linkshänder können die Joystick-Steuerung gleichermaßen einfach bedienen.

Ausbau der Anlage geplant

Die beiden Prüfvorrichtungen sind seit dem Jahr 2015 in Betrieb. „Wir konnten die Erwartungen durchweg erfüllen“, sagt Mohre. „Die Taktzeiten werden eingehalten. Und vor allem schont diese Lösung die Gesundheit der Mitarbeiter, weil sie jetzt nicht mehr die schweren Kurbelwellengehäuse bewegen müssen.“ Derzeit arbeiten Mohre und seine Kollegen an einer Erweiterung der Prüfvorrichtungen. Zwei Weitere sollen für die Qualitätssicherung gebaut werden, um mit der steigenden Produktion Schritt zu halten. „Die neuen Applikationen werden identisch mit den bestehenden sein, mit Ausnahme einiger neuer Features“, verrät Mohre.

(dw)