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Projektionsgestützte Assistenzsysteme in der manuellen Montage

von Alexander Unrau, Daniel Riediger und Sven Hinrichsen

Die Anforderungen an die Gestaltung von Montagesystemen verändern sich. Dazu tragen kürzer werdende Innovations- und Produktlebenszyklen sowie eine zunehmende Variantenvielfalt bei, mit der eine Montage von kleinen Losen bis hin zur kundenindividuellen Montage einhergeht.

In der Vergangenheit gab es bereits viele Anstrengungen, Montagesysteme wandlungsfähig zu gestalten sowie einzelne Zeitarten zu minimieren. Die schnelle Rekonfiguration von Montagesystemen mittels „Plug & Produce“ ist bisher nur partiell verwirklicht.

In der Simulation von Produktionsabläufen werden visuelle Assistenzsysteme, die beispielsweise mithilfe von Projektoren umgesetzt werden können, bisher als von der Montageplanung unabhängige Module betrachtet. Dagegen bieten gerade Assistenzsysteme das Potenzial, eine direkte digitale Fertigung dahingehend zu unterstützen, dass zum einen bereits erstellte CAD-Daten zur Erstellung der Montageanleitung genutzt werden und zum anderen Prozessdaten aus dem manuellen Montageprozess erfasst und an ein Produktionsplanungssystem übermittelt werden. Berndt und Sauer heben vor allem die Echtzeitfähigkeit solcher Systeme hervor [1]. Diese Eigenschaft wird jedoch bisher nicht genutzt, um generierte Daten direkt in eine Assistenz für den Benutzer einzubinden.


Herausforderungen in der manuellen Montage

Besondere Herausforderungen in Industriebetrieben mit Montagebereichen bestehen darin, effiziente Montageprozesse mit einer hohen Prozessfähigkeit zu gestalten. Insbesondere bei Montagetätigkeiten mit größeren Arbeitsinhalten besteht vielfach das Problem, dass es aufgrund einer hohen Vielfalt an Produktvarianten und einer schwankenden Nachfrage zu Montagefehlern kommt. Zudem werden unter diesen Rahmenbedingungen oftmals Mengen- bzw. Produktivitätsziele verfehlt [3]. Ursachen hierfür liegen u. a. darin begründet, dass Anlernprozesse von neuen Beschäftigten unzureichend unterstützt werden, und Informationen zu einzelnen Montagevorgängen nicht so aufbereitet sind, dass diese in kurzer Zeit vom Menschen erfasst und intuitiv richtig umgesetzt werden können. Bild 1 stellt eine Auswahl von häufigen Problemursachen und ihren Auswirkungen in der manuellen Montage dar.

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Bild 1: Häufige Problemursachen und Auswirkungen in der manuellen Montage


Anforderungen an die Auswahl und Entwicklung von Assistenzsystemen

In der Entwicklung oder Auswahl von Assistenzsystemen ist die Durchführung einer detaillierten Nutzungskontextanalyse – in der Merkmale von Benutzern, von Arbeitsaufgaben und von der Umgebung erfasst werden – von zentraler Bedeutung. Dabei sind möglichst genaue Anforderungen zu definieren, die unter Berücksichtigung der Aufgabe und nutzerbezogener Kriterien dazu führen, ein gebrauchstaugliches Assistenzsystem für den geplanten Anwendungsfall zu entwickeln oder auszuwählen. Bild 2 zeigt eine mögliche Vorgehensmethode zur Systemauslegung eines individuellen Assistenzsystems.

IE Hinrichsen 160415 Bild 2

Bild 2: Vorgehen zur Systemauslegung von Assistenzsystemen (in Anlehnung an: [5])

Neben der richtigen Auswahl von geeigneten Assistenzsystemen sind bei der Konzeptionierung der Systeme die Akzeptanz und die intrinsische Motivation, sich unterstützen zu lassen, die wesentlichen Erfolgsfaktoren, um die genannten Ziele zu erreichen [5]. Damit die Akzeptanz des Benutzers gewonnen und seine Motivation gestärkt wird, sind bei der Systemauslegung folgende Punkte, die Auswirkungen auf die Akzeptanz haben, zu berücksichtigen:

  • die Möglichkeit der Einflussnahme auf das Assistenzsystem,
  • die Transparenz der Arbeitsweise und ein Verständnis für die Eigenschaften des Assistenzsystems,
  • eine einfache kognitive Verarbeitbarkeit der dargebotenen Informationen und
  • Rücksichtnahme auf persönliche Befindlichkeiten.

Eine einfache kognitive Verarbeitung hängt insbesondere davon ab, dass die richtigen Informationen zur richtigen Zeit am richtigen Ort zur Verfügung stehen. Zusätzliche Informationen, beispielsweise zum Bauteil, erleichtern diese ebenfalls.

Um der Gefahr der Unwirtschaftlichkeit vorzubeugen und um eine gute Balance zwischen Flexibilität und Wirtschaftlichkeit zu finden, müssen zunächst die Personengruppen identifiziert werden, für die das Assistenzsystem – nach ihren Bedürfnissen – ausgelegt werden soll. Zudem sollte eine individuelle Beeinflussbarkeit, wie z. B. die Anpassung des Umfangs der dargebotenen Informationen, integriert werden. So können die Anforderungen bezüglich Akzeptanz und Wirtschaftlichkeit in Einklang gebracht werden [4].

Bild 3 zeigt eine Morphologie von Montageassistenzsystemen, in der mögliche Arten der Informationseingabe und -ausgabe zwischen Benutzer und Assistenzsystem unterschieden werden. Bei der Auswahl von geeigneten Ein- und Ausgabeeinheiten sollten die Merkmale der Benutzer, der Aufgabe und der Umgebung berücksichtigt werden. Dabei sind auch Kombinationen der Einheiten zu prüfen, da sie sich sinnvoll ergänzen und die Gebrauchstauglichkeit des Systems steigern können.

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Bild 3: Morphologie von Montageassistenzsystemen [8] (in Anlehnung an: [7])


Potenziale projektionsgestützter Assistenzsysteme

In der Praxis werden vermehrt neue Medien zur Assistenz in der Montage eingesetzt [2], allerdings sind die Standardmedien zur Informationsvermittlung in der manuellen Montage nach wie vor Papier und Monitor. Montagebeschreibungen oder -schablonen in Papierform haben den Nachteil, dass sie leicht verschmutzt oder beschädigt werden können. Es kann zu Verständnisproblemen kommen, wenn diese nicht ausreichend genug beschrieben sind oder Sprachbarrieren bestehen. Zu jedem Auftrag muss womöglich ein anderer Montageablaufplan herausgesucht werden. Dies erhöht, insbesondere bei einer hohen Produktvarianz, die Suchzeiten und birgt das Risiko der Verwechslung in sich. Der Montageablauf ist somit anfälliger für Fehler und führt zu höheren nicht-wertschöpfenden Nebentätigkeits- und Verteilzeiten.

Des Weiteren liegt das Problem der papierbasierten Methoden in der Verdichtung der Auswahl und der bedarfsgerechten Bereitstellung der Informationen. Aus arbeitswissenschaftlicher Sicht sollte der Mensch nicht mit zu vielen Informationen überlastet werden [6] oder zeitaufwendig nach Informationen suchen müssen, da Arbeitsanweisungen bzw. Montageablaufpläne sonst nicht oder nicht mit der nötigen Sorgfalt gelesen werden [2].

Dagegen können innovative Assistenzlösungen mit einer nutzungsgerechten Darstellung von Informationen dazu beitragen, Flexibilität, Qualität und Produktivität zu steigern, um Anforderungen an eine kundenindividuelle und variantenreiche Montage zu erfüllen [5]. Ein projektionsgestütztes Assistenzsystem kann dazu eingesetzt werden, dem Bediener digitale Instruktionen anzuzeigen, damit er seine Aufgabe erfolgreich durchführen kann. Mit einer ergonomischen Darstellung von Arbeitsanweisungen wird dem Bediener exakt angezeigt, welches Teil an welcher Stelle mit welcher Arbeitsmethode montiert werden muss. Es werden dabei nur die für den einzelnen Arbeitsschritt relevanten Informationen bereitgestellt. Dadurch kann nicht nur die Fehlerquote deutlich verringert, sondern auch die Anlern- und Auftragszeiten können erheblich verkürzt werden.

Durch die situationsangepasste Darstellung von Arbeitsanweisungen und -abläufen wird die Komplexität von großen Arbeitsinhalten beherrschbar gemacht. Des Weiteren ist es möglich, mit dem System einen Beitrag zur Steigerung der Effizienz und Qualität, zur Reduzierung von Belastungen und Beanspruchungen für den Beschäftigten und zur Verbesserung der Flexibilität und Wandlungsfähigkeit des Arbeitssystems zu leisten.

Als Anwendungsgebiet für solche Assistenzsysteme sind Arbeitsbereiche mit manuellen Montagetätigkeiten prädestiniert.


Entwicklung eines projektionsgestützten Assistenzsystems

Im Rahmen einer am Labor für Industrial Engineering der Hochschule Ostwestfalen-Lippe durchgeführten Studie wurde ein Prototyp eines projektionsgestützten Assistenzsystems für die manuelle Montage entwickelt und erprobt. Das System ermöglicht eine schnelle Erstellung von Montageablaufplänen und enthält insbesondere Funktionalitäten zur ergonomischen Darstellung von Arbeitsanweisungen und Montageinformationen, die situationsangepasst und intuitiv im direkten Sichtbereich des Benutzers dargestellt werden. Dazu zählen u. a.Markierungs- bzw. Positionierungsdarstellungen direkt auf das Bauteil bzw. eine Vorrichtung, eine Pick-to-Light-Funktion und die Darstellung von Text- und Bildinhalten.

Das System zeichnet sich durch ein innovatives Bedienungskonzept, zu dem eine Sprach- und Gestensteuerung zählt, aus. Die Bedienung des Systems per Sprachbefehl bietet zugleich die Möglichkeit der Beidhandarbeit, da keine zusätzliche manuelle Interaktion stattfinden muss.

Die Vorgehensweise zur Entwicklung des Systems orientierte sich an dem menschzentrierten Gestaltungsprozess nach der Norm DIN EN ISO 9241-210:2011, die eine fortlaufende Evaluation mit Benutzern im Entwicklungsprozess vorsieht (siehe Bild 4).

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Bild 4: Vorgehensweise zur Entwicklung des Systems nach DIN EN ISO 9241-210:2011


Fazit

Die Erprobung des entwickelten projektionsgestützten Assistenzsystems hat gezeigt, dass in der manuellen Montage lange Ein- bzw. Anlernzeiten vermieden werden können. Der Werker kann – ohne Vorkenntnisse über den Montageablauf eines Produkts und nur nach kurzer Einführung in das projektionsgestützte Assistenzsystem – direkt mit der Montage beginnen.

Durch die visuelle Werkerführung kann er einen hohen Übungsgrad erlangen und sich dann bei Bedarf die angezeigten Montageinformationen individuell anpassen, indem er beispielsweise auf die Darstellung der Textinhalte verzichtet und nur mittels visueller Signale durch den Montageprozess geführt wird. Somit kann auch bei bereits angelernten Werkern ein Beitrag zur Fehlervermeidung geleistet werden.

Die Komplexität manueller Montageprozesse sowie die gestiegene Variantenzahl können durch die visuelle Werkerführung im Sinne eines projektionsgestützten Assistenzsystems beherrschbar gemacht werden. Der Einsatz von Assistenzsystemen in der manuellen Montage kann dazu beitragen, dass die Beschäftigten größere Arbeitsinhalte übernehmen. Dabei kann die Motivation der Beschäftigten gesteigert, der Monotonie bei kleinen Arbeitsinhalten entgegengewirkt und gleichzeitig die Produktivität gewährleistet und die Qualität verbessert werden.

Im Zuge einer Weiterentwicklung des am Labor für Industrial Engineering der Hochschule Ostwestfalen-Lippe entwickelten projektionsgestützten Assistenzsystems sollen weitere intuitive Bedienungskonzepte in „realen“ Umgebungen erprobt werden. Ziel ist, noch präzisere Aussagen zur Robustheit, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz des Systems treffen zu können.


Literatur

[1] Berndt, D.; Sauer, S.: Visuelle Assistenz – Unterstützung bei der Durchführung komplexer Montageaufgaben. wt Werkstattstechnik online 102 (2012) 5, S. 162–163. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag, 2012

[2] Dreyer, J.: Situative Informationsbereitstellung an Fertigungseinrichtungen Informationsmodell und Erstellungssystematik. Diss. Universität Stuttgart (2005). Heimsheim: Jost-Jetter, 2006

[3] Haller, E.; Heer, O.; Schiller, E. F.: Innovation in Organisation schafft Wettbewerbsvorteile – Im DaimlerChrysler-Werk Rastatt steht auch bei der A-Klasse-Produktion die Gruppenarbeit im Mittelpunkt. In FB/IE 48 (1999) 1, S. 8 - 17

[4] Meyer, S.: Mein Freund der Roboter. Servicerobotik für ältere Menschen – eine Antwort auf den demographischen Wandel? Berlin: VDE-Verlag, 2011

[5] Müller, R.; Vette, M.; Mailahn, O.; Ginschel, A.; Ball, J.: Innovative Produktionsassistenz für die Montage - Intelligente Werkerunterstützung bei der Montage von Großbauteilen in der Luftfahrt. wt Werkstattstechnik online 104 (2014) 9. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag 2014. S. 552-560

[6] Münzberger, E.: Modularer Lehrbrief "Einführung in die Arbeitsmedizin", Abschnitt Einführung in die Arbeitsphysiologie, 2005: http://cpr.uni-rostock.de/gnd/140903658 (aufgerufen am 04.08.2015)

[7] Schlick, C.; Bruder, R.; Luczak, H.: Arbeitswissenschaft. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2010

[8] Unrau, A.; Hinrichsen, S.; Riediger, D.: Development of projection based assistance system for manual assembly. 6th International Ergonomics Conference, ERGONOMICS 2016 – Focus on Synergy. Zadar, Kroatien (in Druck)

[9] Wiesbeck, M.; Zäh, M. F.; Rudolf, H.; Vogl, W.: New Media and Technology Support in Manual Assembly. In: Fischer, X. et al. (Hrsg.): Research in Interactive Design: Proceedings of Virtual Concept 2006. Playa Del Carmen / Mexiko, 26. November - 1. Dezember 2006. Paris (Frankreich): Springer, 2006


Verfasser

alexander unrau

Alexander Unrau B.Eng.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für Industrial Engineering der Hochschule Ostwestfalen-Lippe

daniel riediger

Daniel Riediger, B.Eng.
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für Industrial Engineering der Hochschule Ostwestfalen-Lippe

sven hinrichsen

Prof. Dr.-Ing. Sven Hinrichsen
Professor für Industrial Engineering an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe


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