Konzept für ein modulares, rekonfigurierbares Montagesystem - Flexibilitätssteigerung durch Rekonfiguration auf verschiedenen Produktionsebenen

Jasper Wilhelm, Nils Hendrik Hoppe und Michael Freitag

Um Marktanforderungen zu erfüllen, müssen Unternehmen ihre Flexibilität steigern und hohe Produktvielfalt anbieten. In der Montage erfordert dies eine große Anzahl von Spezialmaschinen, was zu hohem Investitions- und Platzbedarf führt. Dieser Beitrag stellt ein Konzept für eine modulare, rekonfigurierbare Montagestation, die um Module mit unterschiedlichen Fähigkeiten erweitert werden kann, vor. Es wird gezeigt, wie ein derartiges System im RAMI4.0-Modell zu verorten ist und welche Anforderungen an die Veränderbarkeit auf verschiedenen Produktionsebenen zu erfüllen sind.

Mit über 50 % der Produktionszeit und 20 % der Produktionskosten stellt die Montage einen wichtigen Schritt im Fertigungsprozess dar und ist von großem Interesse für mögliche Einsparungen [1]. Mit dem Übergang von der Massen- zur Individualfertigung wird die Handhabung einer großen Vielfalt von Teilen und Produkten zu einer der großen Herausforderungen für Montagesysteme [2, 3]. Ähnlich zu Fertigungssystemen müssen sich auch Montagestationen in die digitale Fabrik integrieren und schnell an Nachfrageänderungen anpassen [3].

Diese Steigerung der Flexibilität bei gleichzeitig hoher Produktivität stellt eine große Herausforderung dar, da die Anforderungen in starkem Konflikt zueinanderstehen und nur schwer gemeinsam erfüllt werden können. Die manuelle Montage bietet eine hohe Flexibilität, aber einen geringen Durchsatz, während in der automatischen Montage die Eigenschaften vertauscht sind [4]. Die Kombination von manuellen und automatisierten Lösungen erhöht die Flexibilität der Montagesysteme, erfüllt aber nicht alle Anforderungen an vollständig flexible Lösungen, wie z. B. Produktflexibilität (Herstellung einer Vielzahl von Teiletypen mit der gleichen Ausrüstung), Betriebsflexibilität (Herstellung einer Reihe von Produkten mit z. B. unterschiedlichen Maschinen oder Materialien) und Kapazitätsflexibilität (Herstellung unterschiedlicher Mengen mit Gewinn) [5]. Um den Anforderungen der sich wandelnden Märkte gerecht zu werden, müssen Montagesysteme nicht nur Produktvielfalt und Produktivität kombinieren, sondern sich auch in eine veränderliche Fertigungsumgebung mit weiteren Anpassungsanforderungen integrieren [6].

Modulare und rekonfigurierbare Montage

Rekonfigurierbare Fertigungssysteme (RMS) bieten einen Kompromiss der Produktivität dedizierter Fertigungsstraßen und der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit flexibler Fertigungssysteme. RMS kombinieren flexible Hardware und Software, um sich schnell an Änderungen der Produktionskapazität und der Produkttypen anzupassen [7]. Wichtige Eigenschaften von RMS sind Anpassbarkeit, Konvertierbarkeit, Skalierbarkeit, Modularität, Integrierbarkeit, und Diagnostizierbarkeit [8]. Anpassbarkeit beschreibt die maßgeschneiderte Flexibilität durch die Beschränkung von Systemen oder Maschinen ist auf eine einzige Produktfamilie. Konvertierbarkeit ist die Fähigkeit, die Funktionalität bestehender Systeme und Maschinen schnell an neue Produktionsanforderungen anzupassen. Skalierbarkeit bedeutet, dass Produktionskapazität durch Hinzufügen oder Weglassen von Produktionsmitteln (z. B. Maschinen) oder den Austausch von Systemkomponenten schnell änderbar sind. Modularität ist die Aufteilung der betrieblichen Funktionen in Einheiten, die zwischen alternativen Produktionsschemata für eine optimale Anordnung manipuliert werden können. Integrierbarkeit meint die Fähigkeit, Module durch eine Reihe mechanischer, informatorischer und schließlich erleichternder Integrations- und Kommunikationsmaßnahmen schnell und präzise zu kombinieren. Diagnostizierbarkeit ist die Fähigkeit, den gegenwärtigen Zustand eines Systems zu beurteilen, um die Ursachen von Produktfehlern zu erkennen, zu diagnostizieren und Betriebsfehler unverzüglich zu beheben.


Bild 1: Abbildung der PassForM-Komponenten auf die Ebenen der Produktion
(in Anlehnung an [5]).

Die Idee der Rekonfigurierbarkeit wurde schnell auf Montagesysteme (reconfigurable assembly system, RAS) übertragen [5, 9, 10]. Wichtige Aspekte für die Gestaltung von RAS sind die enge physikalische Kopplung durch Förder- und Transfersysteme [11, 12] sowie die Sensitivität von Montagesystemen in Bezug auf Prozessänderungen [11]. Rekonfigurierbarkeit und Prinzipien der Selbststeuerung sind in allen Ebenen der Fabrik treibende Kräfte zur Steigerung der Flexibilität und führen zu unstrukturierten Systemen, deren Komplexität kontinuierlich steigt [5]. Sämtliche Ebenen der Fabrik sind zellular aufgebaut und dynamisch in das Gesamtsystem integriert. Diese Teilbereiche statten die Fabrik mit individuellen Fähigkeiten aus. Anstelle einer einfachen Rekonfiguration werden autonome mobile Roboter (AMR) Förderanlagen ersetzen und RAS um zusätzliche Fähigkeiten und Arbeitskapazitäten erweitern [3, 10].

Wandelbarkeit und damit Flexibilität kann dabei auf allen Ebenen der Fabrik erreicht werden; von der einzelnen Station, die spezifische Aktionen ausführt, über die Zelle, die aus mehreren Stationen besteht, bis hin zum System oder sogar ganzen Segmenten, Fabriken oder Netzwerken [5]. Flexibilität im Kontext von RAS wird insbesondere auf Zellebene erreicht, indem entweder einzelne Stationen hinzugefügt oder entfernt werden, die Beziehungen zwischen Stationen und Zellen geändert werden oder der Automatisierungsgrad angepasst wird [5, 13]. Um dieses Maß an Flexibilität auf Zellebene zu erreichen, kann jede Maschine als austauschbares Modul betrachtet werden. Einzelne Komponenten sind entsprechend modular, universell und untereinander kompatibel zu gestalten, wobei die Eigenschaften physisch, logisch, virtuell und performance-bezogen sein können [14].

Diese nahtlose Integration auf Modulebene ist das Ziel von „plug-and-produce“ [15]. Fertigungsmodule sollen hierbei einfach austauschbar und neue Fähigkeiten ohne komplexe Inbetriebnahme in das System integrierbar sein [15]. Damit verschiedene Module ähnliche Tätigkeiten erfüllen können, werden Prozesse und ihre Teilschritte innerhalb eines strukturierten Rahmens definiert und zentral verwaltet [15, 16]. In diesen Ansätzen bestehen Prozesse aus Aufgaben, die das übergeordnete Ziel, wie etwa die Montage einer Baugruppe, beschreiben. Diese Aufgaben bestehen aus einer Verkettung von Fähigkeiten, wie dem Greifen eines Objekts, die auszuführen sind [17, 18]. Diese Fähigkeiten setzen sich entweder aus weiteren Fähigkeiten oder grundlegenden Primitiven zusammen [19, 20]. In mehreren Projekten wird eine Produkt-Prozess-Ressourcen-Struktur verwendet, um die Produkte bestimmten Prozessen mit definierten erforderlichen Ressourcen zuzuordnen [19-23].

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung flexibler, rekonfigurierbarer Montagesysteme ist die Integration von Mensch und Maschine in das Systemdesign. Die meisten rekonfigurierbaren Systeme integrieren kollaborative Roboter, entwerfen aber kein vollständig hybrides System. Die Mensch-Maschine-Interaktion in „plug-and-produce“-Anwendungen sowie rekonfigurierbaren Montagesystemen konzentriert sich größtenteils auf die Unterstützung bei der Einrichtung, Kalibrierung und Fehlerbehandlung [24, 25]. Insbesondere die Kalibrierung von Modulen ist aufgrund der damit verbundenen Probleme bei der Inbetriebnahme von großem Interesse [25, 26], weswegen der Mensch zumeist die Einrichtung und Führung von Robotern übernimmt [27].

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