Fraunhofer IFF automatisiert Zeitmessung in der Produktion "Stoppuhr im Ärmel" optimiert die manuelle Fertigung

Drei in einen Ärmel integrierte streichholzschachtelgroße Sensoren nehmen die Bewegungen von Hand und Arm präzise auf und messen Beginn und Ende der einzelnen Arbeitsschritte.

Um manuelle Fertigungsschritte möglichst effizient zu gestalten, erfassen Prüfer die Dauer der Arbeitsschritte. Bislang erfolgt das meist manuell – ein fehleranfälliger Vorgang. Abhilfe schaffen soll nun eine automatische Zeitmessung, die der Bediener als Stoppuhr »im Ärmel« trägt. Entwickelt wurde das System vom Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF.

Werkzeuge greifen, Bauteile montieren, bestücken, zusammenfügen und verschrauben, Komponenten lackieren, Maschinen bedienen – viele Arbeitsschritte in der Fertigung werden nach wie vor per Hand erledigt. Doch wie viel Zeit benötigen die Mitarbeiter für die einzelnen Arbeitsschritte? Wie lange dauert der manuelle Montageprozess? Schließlich müssen die Fertigungsunternehmen hierzulande die Arbeitsabläufe der Angestellten ständig prüfen und optimieren, um konkurrenzfähig zu bleiben. Das Erfassen von Ablaufzeiten ist für sie unerlässlich, um die einzelnen Vorgänge zu analysieren. So können sie beispielsweise weite Greifwege, ungünstig platzierte Bauteile, zu häufige Werkzeugwechsel oder uneinheitliche und überflüssige Bewegungen identifizieren, die zu Zeitverlusten führen und einen effizienten Produktionsprozess verhindern.

Bislang führen diese Aufgabe meist Personen durch, die mit der Stoppuhr oder mit digitalen Zeitboards hinter den Mitarbeitern stehen, um die Dauer jeder einzelnen Bewegung zu ermitteln. Allerdings ist diese Vorgehensweise nicht objektiv, fehlerträchtig und für alle Beteiligten mit Nachteilen verbunden: Für die Angestellten ist der Stressfaktor hoch, möglicherweise führen sie die Tätigkeiten nicht in ihrer üblichen Geschwindigkeit durch. Die Unternehmen müssen einen hohen personellen Aufwand betreiben und die Kosten sind dementsprechend hoch.

Eine exaktere, automatisierte und preiswerte Alternative haben jetzt die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF im Auftrag des Magdeburger Ingenieurbüros Dr. Gründler entwickelt: »Drei in einen Ärmel integrierte streichholzschachtelgroße Sensoren nehmen die Bewegungen von Hand und Arm präzise auf und messen Beginn und Ende der einzelnen Arbeitsschritte«, erläutert Martin Woitag, Wissenschaftler am IFF in Magdeburg. Das kann beispielsweise Hinlangen, Greifen, Vorrichten, Fügen, Prüfen oder Loslassen sein. Die miteinander verketteten Sensormodule befinden sich auf Höhe des Ober- und Unterarms sowie an der Hand. Der Mitarbeiter muss sich lediglich die beiden Ärmlinge überstreifen. Wie eine zweite Haut liegen sie eng, aber dennoch bequem an und beeinträchtigen den Beschäftigten nicht. »Mit der bisherigen Stoppuhr-Methode lassen sich von einem Prozessorganisator, je nach Situation, maximal fünf Personen gleichzeitig erfassen. Mit unserer Lösung können Zeitaufnahmen automatisiert ohne zusätzlichen Personalaufwand sogar an mehreren Arbeitsplätzen parallel erfolgen. Entscheidend ist die höhere Genauigkeit und Objektivität des Systems«, sagt Woitag. Bei ihrer Lösung setzen der Forscher und sein Team auf Inertialsensoren, die die Beschleunigungen und Drehraten der Arme und Hände in den drei Achsen X, Y und Z ermitteln.

Im Gegensatz zu anderen Bewegungserfassungssystemen wie etwa GPS funktioniert die inertiale Messtechnik ohne weitere Infrastruktur, die Inertialsensoren können Positionen von Objekten im Raum selbstständig erkennen. »Darüber hinaus muss unsere Lösung nicht aufwändig kalibriert werden. Ein Tool zum einmaligen Einlernen der Messpunkte direkt am Montagearbeitsplatz genügt«, so Woitag. Eine PC-Applikation komplettiert das System. Die Software berechnet und rekonstruiert die Bewegungsabläufe auf Basis der Sensordaten. Sie zerlegt die Abläufe in Bewegungsabschnitte und bestimmt die zugehörigen Zeiten.  Derzeit können die Ärmlinge für logistische und fertigungstechnische Montageaufgaben an Sitzarbeitsplätzen verwendet werden. Im nächsten Schritt wollen die Magdeburger Forscher das System so konzipieren, dass sich auch Montagevorgänge analysieren lassen, bei denen ein Werker steht oder sich im Raum bewegt. Geplant ist außerdem, mit Hilfe der Inertialsensoren Körperhaltungen zu bestimmen und so zu prüfen, wie ergonomisch ein Arbeitsplatz gestaltet ist.