Cobots oder Leichtbauroboter weisen zahlreiche Eigenschaften auf, die für eine große Bandbreite an Applikationen von Vorteil sind und neuartige Anwendungen ermöglichen. Dies wird in Bild 1 veranschaulicht, indem Cobot-Anwendungen durch die Betrachtung techno-ökonomischer Faktoren eingeordnet werden. Es wird deutlich, dass sich das Potenzial für die Anwendung kollaborativer Roboter von manuellen Prozessen über hybride beziehungsweise teilautomatisierte Prozesse bis hin zur vollen Automatisierung erstreckt. Dies resultiert aus der Möglichkeit, den Cobot in Koexistenz neben dem Menschen zu nutzen, in kooperativen oder kollaborativen Anwendungen oder unabhängig vom Menschen als kostengünstige Einstiegsmöglichkeit in die Vollautomation. Dementsprechend lassen sich Cobots im Gegensatz zu den klassischen Industrierobotern bereits bei geringeren Stückzahlen, einer höheren Variantenvielfalt, mit einer höheren Flexibilität und geringeren Investitionskosten einsetzen.

Einfacher Einstieg in die Automatisierung

Ein großer Vorteil von Cobots ist, dass sie einen niederschwelligen Einstieg in die Automatisierung von Prozessen erlauben. Gründe hierfür, sind die meist geringen Investitionskosten. Dies ermöglicht die Erprobung von Anwendungen und die Einführung der Technologie im Unternehmen bei relativ geringem finanziellem Risiko. Der Einstieg wird weiter dadurch begünstigt, dass viele Cobot-Anwendungen mit deutlich weniger Sicherheitseinrichtungen betrieben werden können als herkömmliche Industrieroboter, wodurch die Investitionskosten und der benötigte Footprint der Anlage reduziert werden. Somit können Cobots leichter in bestehende Arbeitsumgebungen integriert werden. In Summe wird dadurch außerdem eine Teilautomatisierung von Prozessen ermöglicht. So können zunächst die Prozessschritte betrachtet werden, die einfach zu automatisieren oder besonders monoton und unergonomisch für den Menschen sind. Anschließend kann parallel zum Aufbau des Know-hows auch der Automatisierungsgrad sukzessiv gesteigert werden.

Einführung von Cobots im Unternehmen

Mensch und Cobot können in hybrider Teilautomation zusammenarbeiten.

© TQ-Systems GmbH

Bei der Einführung und Wartung von Cobots ist mit weniger Aufwand und Komplexität zu rechnen als für vollautomatisierte Industrieroboter. Cobots ermöglichen im Vergleich eine einfachere Modifikation und Erweiterung sowie Programmierung. Die Einführung lässt sich in mehrere Schritte von der Projektvorbereitung bis hin zur Implementierung unterteilten.

Die Projektvorbereitung

Vor dem Beginn des Projektes ist es wichtig, einen Cobot-Verantwortlichen zu ernennen. Diese Person oder Personengruppe bezieht früh alle Beteiligten in den Prozess mit ein. Dazu gehören unter anderem Mitarbeitende der jeweiligen Fachabteilung, der Betriebsrat sowie Verantwortliche für die Arbeitssicherheit. Ein daraus entstehendes Projektteam führt den Einführungsprozess durch. Es sollten auch schon frühzeitig Beratungsstellen wie die Berufsgenossenschaft oder regionale Unterstützungsmöglichkeiten zu Rate gezogen werden. Anhand einer ersten groben Eingrenzung der zu umsetzenden Aufgabe und Bestimmung der Interaktionsart, können Softwaretools für Quick-Checks wie beispielsweise ein Cobot-Planer der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM, https://cobotplaner.de/preambel), genutzt werden, um erste Machbarkeitsanalysen durchzuführen.

Der Projektstart

Beim Projektstart sollte sich das Unternehmen überlegen, welche konkreten strategischen Ziele erstrebenswert sind. Beispiele können hierbei die Wahrung der langfristigen Wettbewerbsfähigkeit und Entlastung der Mitarbeitenden sein. Dann wird eine erste konkrete Aufgabenstellung anhand vorhandener Optimierungspotenziale, die sich durch den Einsatz von Cobots lösen lassen, formuliert. Im Anschluss sollten der gegebene Arbeitsplatz und Prozess auf ihre Eignung für das Projekt bewertet werden. Weitere Bewertungskriterien sind, zum Beispiel die Komplexität der Anwendung, das Gefahrenpotenzial, die Taktzeiterfüllung und Losgröße. Aufgrund ihrer Flexibilität lohnen sich Cobots beispielsweise schon bei kleineren und mittleren Losgrößen. Aus diesen Kriterien wird ein Einstiegsprojekt entwickelt, das möglichst ohne größere Hürden umsetzbar sein soll. Das Projekt sollte leicht skalierbar und für komplexere Aufgaben erweiterbar sein. Beispiele dafür sind unergonomische oder repetitive Handhabungsaufgaben.

Wie findet man den richtigen Cobot?

Die Auswahl des geeigneten Cobots ist maßgeblich von den Aufgabeanforderungen abhängig. Bei der Betrachtung müssen neben den Kosten für das Cobot-System auch die Roboter-Lizenz, Inbetriebnahme, Schulung, Wartung und Zertifizierung berücksichtigt werden. Abhängig vom Anwendungsfall können die Gesamtkosten annähernd das Doppelte der Anschaffungskosten für ein Robotersystem inklusive der Sicherheitseinrichtung betragen. Die Amortisationszeit wird unter anderem von der Losgröße beeinflusst. Für kleine Losgrößen sind Amortisationszeiten von über zwei Jahren möglich. Daher ist eine klassische Betrachtung des ROI gegebenenfalls nicht geeignet. Der Betreiber sollte sich darüber im Klaren sein und langfristigere Kriterien wie die Produktionsflexibilität oder Mitarbeiterzufriedenheit in Betracht ziehen. Bei der Cobot Vorauswahl müssen Anforderungen an die Anwendung wie die Traglast, Reichweite, Wiederholgenauigkeit oder die Betriebsart berücksichtigt werden. Am Beispiel der Reichweite kann ein Roboter mit sechs Freiheitsgraden alle Punkte im dreidimensionalen Raum mit beliebiger Orientierung erreichen. Eine zusätzliche siebte Achse erhöht die Flexibilität und Schnelligkeit, allerdings auch den Programmieraufwand. Weitere Achsen sind eher unüblich und redundant.

Implementierung von Einstiegsprojekten

Auch Cobots sollten eine sicherheitstechnische Integration durchlaufen. Dabei sollte möglichst nach dem Vier-Augen-Prinzip vorgegangen werden und früh eine Fachkraft der Arbeitssicherheit sowie die BG eingebunden werden, welche den Zertifizierungsprozess begleiten. Das Einstiegsprojekt soll vor allem dazu dienen, Bedenken und Ängste abzulegen und den Mitarbeitenden die Vorzüge des Cobots aufzeigen. Besonders hoch ist die Akzeptanz, wenn die jeweiligen Mitarbeiter*innen in den Entwicklungsprozess miteinbezogen werden. Dennoch muss ihnen vermittelt werden, dass der Cobot keinen Mitarbeiterersatz darstellt, sondern sie unterstützen und entlasten soll.

Fazit und Ausblick

Cobots – als Tool für eine kostengünstige und praxisnahe Automatisierung – bieten aufgrund eines geringen Investitionsrisikos, der intuitiven Programmierung und der Eignung für kollaborative Prozesse eine niedrigschwellige Möglichkeit der Automatisierung. Die gezeigten Anwendungsbeispiele verdeutlichen, dass der Cobot Produktionsstandorte in Hochlohnländern wie Deutschland entscheidend festigen kann. Zudem können Cobots Herausforderungen wie dem wachsenden Fachkräftemangel entgegenwirken. Bei der Einführung gilt es, unter Berücksichtigung des im Fokus stehenden Use-cases, die wichtigsten technischen Anforderungen an das Cobot-System zu identifizieren. Darüber hinaus sind bei der Umsetzung die genannten Sicherheitsrichtlinien zu beachten, um die Potentiale voll ausschöpfen zu können.
Für die Zukunft ist zu erwarten, dass Cobots in weiteren Anwendungsfällen der Industrie und des Handwerks eingesetzt werden. Einerseits durch die disruptiven Innovationen aus der Forschung und Entwicklung und andererseits durch den hohen Bedarf an Automatisierungslösungen wird der Cobot weiter an Relevanz zunehmen. Sie gelten somit als wichtiger Baustein für die Bewältigung zukünftiger Herausforderungen.

Der Beitrag ist ein Auszug aus dem Whitepaper „Cobot – ein Tool für kostengünstige und praxisnahe Automatisierung?“, das von der WZL Aachen GmbH und dem Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen in Zusammenarbeit mit Conrad Electronic erstellt wurde. Das Whitepaper unterliegt einer sorgfältigen wissenschaftlichen Recherche, leistet dennoch nur einen Überblick über die Thematik. Weiterhin erhebt das Paper keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder exakte Auslegung der Rechtsvorschriften.

Die Autoren

Oliver Petrovic, M.Sc. RWTH, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Minh Trinh, M.Sc. RWTH, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Lukas Gründel, M.Sc. RWTH, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Dr.-Ing. Werner Herfs, MBA, WZL Aachen GmbH