Mitarbeiterzentrierte Assistenzsysteme für die manuelle Montage - Systematische Evaluation von Montageassistenzsystemen

Dennis Keiser, Christoph Petzoldt, Thies Beinke, Michael Freitag und Henning Vogler

Trotz steigender Automatisierung stellt der Mensch weiterhin einen zentralen Produktivitätsfaktor in der industriellen Montage dar. Zur Unterstützung der Mitarbeiter werden Montageassistenzsysteme eingesetzt. Dieser Beitrag stellt ein neuartiges Assistenzsystem vor, welches neben prozessbezogener Assistenz auch menschzentrierte Funktionalitäten umsetzt. Zudem wird eine Evaluationssystematik auf Basis von prozessorientierten und mitarbeiterorientierten Parametern vorgestellt. Ausgangspunkt der Forschung stellt die Analyse des Stands der Technik auf Basis einer Marktanalyse von Montageassistenzsystemen dar.

Trotz wachsender Automatisierungsbestrebungen stellt der Mensch in vielen Montagesystemen weiterhin einen zentralen Produktivitätsfaktor dar [1]. Bedingt wird dies zum einen durch die hohen Flexibilitätsanforderungen an heutige Montage- und Produktionssysteme und zum anderen durch die oftmals komplexen Handhabungs- und Montageoperationen. Eine wirtschaftliche Automatisierung auf Basis der immer kürzeren Produktentwicklungszyklen und spezifischeren Kundenanforderungen ist daher oftmals nicht umsetzbar [2]. Der Wandel von großen Stückzahlen des gleichen Produkts hin zu einer kundenspezifischen Serienfertigung führt zur Fertigung mit der Losgröße eins und verstärkt die Notwendigkeit einer möglichst flexiblen Montage [3]. Weiterhin bewirkt die Zunahme der Individualität von Kundenwünschen, dass Entscheidungen über Form, Funktion und spezifische Eigenschaften von Produkten, bei gleichbleibenden Qualitätsansprüchen und einer schnellen Lieferfähigkeit, immer weiter in der Wertschöpfungskette nach hinten rücken [4]. Die Montage, als einer der letzten Schritte im Wertschöpfungsprozess, ist diesen Herausforderungen in besonderem Maße ausgesetzt [5, 6]. Dabei stellt die Montage, als Verursacher von mehr als 50 % der Produktionszeit und 20 % der Produktionskosten [7] einen zentralen Faktor für die Produktivität und Wirtschaftlichkeit von produzierenden Unternehmen dar [8]. Zur Bewältigung des hohen Komplexitätsgrads sowie der kurzzyklischen intern und extern induzierten Änderungen, schafft der Mensch mit den kognitiven Fähigkeiten wie Geschicklichkeit, Flexibilität, Wahrnehmungsfähigkeit und Intelligenz notwendige Freiheitsgrade in der industriellen Montage [9]. Hierbei stellen die Personalkosten einen signifikanten Teil der Gesamtkosten in der Montage dar [6]. Zudem sind eine Mehrzahl von Montagefehlern direkt auf Mitarbeiter zurückzuführen [10]. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: Zum einen führen die teils wiederholenden und monotonen Tätigkeiten zu einer fehlenden Motivation, welche zu geringeren Leistung und erhöhten Fehlerraten führen [11]. Zum anderen belegen Untersuchungen, dass strukturierte Arbeitsanweisungen einen signifikanten Einfluss auf Qualität sowie Effizienz von Montagemitarbeitern haben [12]. Zur Bewältigung der hohen Prozess- und Produktvarianz werden in der industriellen Praxis informatorische Montageassistenzsysteme eingesetzt [13]. Derzeitige Systeme fokussieren insbesondere eine prozess- und produktspezifische Assistenz. Eine mitarbeiterorientierte Auslegung der Systeme, um beispielsweise spezifische Anreize zur Steigerung der Motivation zu schaffen, wird bisher nicht verfolgt [14]. Dies führt zu ungenutzten Potenzialen und fehlender Akzeptanz von Assistenzsystemen [15]. Aus dieser Motivation heraus wird in diesem Beitrag ein neuartiges, mitarbeiterzentriertes Montageassistenzsystem vorgestellt. Ferner wird eine Evaluationssystematik für Assistenzsysteme vorgestellt. Der Beitrag ist dazu wie folgt aufgebaut: Im zweiten Kapitel werden die Grundlagen von Montageassistenzsystemen aufgezeigt. Darauf aufbauend wird das entwickelte Assistenzsystem sowie dessen Funktionalitäten vorgestellt. In Abschnitt vier wird die Systematik zur Evaluation von Montageassistenzsystemen erläutert und das Studiendesign spezifiziert. Den Abschluss des Beitrags bilden die Diskussion der Ergebnisse sowie die Ableitung von weiteren Untersuchungsgegenständen.


Bild 1: Übersicht und Analyse am Markt verfügbarer Montageassistenzsysteme.

Assistenzsysteme in der Montage

In der Montage lassen sich Assistenzsysteme nach Art der Systemunterstützung klassifizieren [16]. Zum einen werden in der Montage energetische Assistenzsysteme, welche dem Mitarbeiter beispielsweise bei der Manipulation von schweren Bauteilen unterstützen, eingesetzt. Ziel derartiger Systeme ist die Reduktion der körperlichen Belastung von Mitarbeitern. Demgegenüber stehen informatorische Assistenzsysteme, mit dem Ziel Unsicherheiten und mentale Belastungen zu senken [16]. Informatorische Montageassistenzsysteme können einen großen Beitrag zur Steigerung der Arbeitsproduktivität und zur Verkürzung der Anlernzeiten bei neuen Mitarbeitern oder Produkten leisten [17]. Bedingt durch die hohen Qualitätsanforderungen und der immer größeren Variantenvielfalt erklärt dies die starke Verbreitung von Montageassistenzsystemen in der Industrie. Weiterhin trägt die zunehmende Integration von informationstechnischen Systemen in der Produktion zur Verbreitung derartiger Systeme bei [18]. Die speziellen Anforderungen und Rahmenbedingungen in der industriellen Montage führen zu einer Vielzahl möglicher Ausprägungen von Assistenzsystemen [19]. Die nachfolgende systematische Untersuchung der derzeitigen Systeme aus Forschung und Praxis unterstreicht dies. Anhand der in [20] dargestellten Funktionalitäten für eine prozess- und mitarbeiterorientierte Assistenz in der Montage wurden siebzehn identifizierte Montageassistenzsysteme analysiert. Zudem wurde die Art der genutzten Sensorik erfasst. Abschließend wurde untersucht, ob die Systeme bereits in der industriellen Praxis eingesetzt werden oder als Prototyp in der Forschung betrieben werden. Das Ergebnis der untersuchten Montageassistenzsysteme ist in Bild 1 dargestellt. Es zeigt sich ein starker Fokus auf die informatorische Unterstützung der Mitarbeiter. Zudem zeigt sich eine immer stärkere Fokussierung auf automatisierte Qualitätskontrollen mittels optischer Kameratechnik und die damit verbundene Möglichkeit automatisierte Prozessfreigaben zu implementieren. Weitere unterstützende Systeme wie Pick-by-Light für die Kommissionierung von Bauteilen gehört ferner zum Stand der Technik der betrachteten Systeme. Mitarbeiterzentrierte Assistenzfunktionen durch eine aktive ergonomische Unterstützung oder eine aktive Anreizgestaltung zur Motivationssteigerung werden bisher nur im Rahmen von Prototypen in der Forschung umgesetzt. Eine Industrialisierung derartiger Funktionalitäten kann somit bisher nicht assistiert werden.

Funktionalitäten und Umsetzung eines Montageassistenzsystems mit Anreizsystem

Auf Basis der analysierten Montageassistenzsysteme wurden im Rahmen der Beiträge [14] und [19] spezifische Anforderungen für ein neuartiges, mitarbeiterzentriertes Montageassistenzsystem abgeleitet. Ausgehend von diesen Anforderungen wurde ein System entwickelt, dessen Kern ein informatorisches Assistenzsystem darstellt, welches den Mitarbeiter mittels Montageanweisungen durch den Prozess führt. Des Weiteren erfolgt die Projektion von Montageanweisungen und spezifischen Hinweisen direkt in den Arbeitsbereich. Weiterhin ist eine durchgängige Prozesskontrolle mittels Tiefenbildkameras implementiert. Die Prozesskontrolle basiert auf einer durchgängigen Erkennung von Bauteilzustand und Montagefortschritt und ermöglicht die zielgerichtete Informationsbereitstellung entlang des Montageprozesses. Weiterhin erfolgt die ergonomische Bewertung der Mitarbeiter durch die implementierte Kameratechnik. Abschließend wurde eine aktive Anreizgestaltung zur Motivationssteigerung der Mitarbeiter integriert. Bild 2 zeigt den Aufbau des Gesamtsystems sowie die eingesetzten Komponenten. Nachfolgend werden die spezifischen Funktionalitäten des Gesamtsystems beschrieben.

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