Montageplanung und Toleranzmanagement

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1 Montageplanung und Toleranzmanagement Keine Frage der Produktgröße Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller, Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Matthias Vette M.Eng. Saarbrücken, 10. April 2013 ZeMA ggmbh

2 Gliederung 1 Kurzvorstellung des ZeMA und seiner Schwerpunkte 2 Einführung in die Problemstellung Montage und Toleranzen 3 Produktanalyse und montagegerechte Produktgestaltung 4 Toleranzkettenbeschreibung und Montagesystemoptimierung ZeMA ggmbh Seite 2

3 Zahlen und Fakten des ZeMA im Frühjahr 2013 Gegründet 2009 Unsere Gesellschafter sind - Saarland mit 60% - Universität des Saarlands mit 20% - Hochschule für Technik und Wirtschaft mit 20% Mitarbeiter: aktuell 70 Mitarbeiter/-innen Geschäftsführung wissenschaftlich kaufmännisch Prof. Dr.-Ing. Müller Jochen Flackus ZeMA ggmbh Seite 3

4 Die Ausrichtung und der Focus der ZeMA ggmbh Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik Unser Selbstverständnis: Das ZeMA versteht sich als Ihr Partner zur anwendungsorientierten Forschung und industrienahen Entwicklung im Bereich Mechatronik und Automatisierungstechnik. Unser Focus: Forschung Vom Produkt über den Produktionsprozess bis zum Betriebsmittel. Entwicklung Wir arbeiten in enger Kooperation mit unseren Gesellschaftern der Universität des Saarlandes (UdS) und der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW). ZeMA ggmbh Seite 4

5 Die wissenschaftliche Ausrichtung der ZeMA ggmbh ist aktuell durch drei Schwerpunkte bestimmt Anwendungsbereiche Unsere Forschungsbereiche Hydraulik Pneumatik Elektronik Sensorik und Aktorik Fertigungsverfahren und -automatisierung Montageverfahren und -automatisierung Automobil Luftfahrt Windkraft ZeMA ggmbh Seite 5

6 Ausgewählte Forschungsschwerpunkte des Bereiches Montageverfahren und -automatisierung Montagesystemtechnik und Anlagenplanung Roboter und Handhabungstechnologien Toleranzmanagement im Montageprozess Montageablauf- und Montageprozessplanung Auslegung von Inbetriebnahmeprozessen Modularisierung von Montagesystemen Automatisierung von Montageprozessen Rekonfigurierbare Robotersysteme Steuerung und Bahnplanung Kooperierende Roboter Toleranzmanagement in der Prozessplanungsphase Toleranzanalyse und Fehlerkompensation in Einzelprozessen Parameteridentifikation und - adaption; Prozessrückführung Bild: Dürr ZeMA ggmbh Seite 6

7 Ausgewählte Projekte des Bereiches Montageverfahren und -automatisierung Automatisierte Nässedetektion Virtuelles Anlagen-Engineering Bauteil Prozess Basis Prozess Wandlungsfähigkeit durch rekonfigurierbare Plattformkonzepte für die Montage Modulare Fabrik für die Montage von Windkraftanlagen ZeMA ggmbh Seite 7

8 Gliederung 1 Kurzvorstellung des ZeMA und seiner Schwerpunkte 2 Einführung in die Problemstellung Montage und Toleranzen 3 Produktanalyse und montagegerechte Produktgestaltung 4 Toleranzkettenbeschreibung und Montagesystemoptimierung ZeMA ggmbh Seite 8

9 Aus den vielen Beschreibungen und Definitionen der Montage haben wir folgendes Bild für uns herausgenommen Die Montage ist der Zusammenbau von Teilen und / oder Gruppen zu Erzeugnissen oder zu Gruppen höherer Erzeugnisebenen in der Produktion. Ebene Produkt Ebene Gruppe Produktionsstufe Ebene Teil 1 Teil 2 Die Montage leistet den Transformationsprozess von einzelnen Teilen zu Baugruppen und Modulen bis zum vertriebsfähigen Produkt mit allen notwendigen Funktionseigenschaften. ZeMA ggmbh Seite 9

10 Struktureller Aufbau eines einfach aufgebauten Produktes am Beispiele einer H4 Lampe H4 Lampe Zentrierring Klemmplatte Sockel Kolben Kappe Neben- Wendel Haupt- Wendel Molybdän Band Außenpole Quarzbalken ZeMA ggmbh Seite 10

11 Schematischer Aufbau eines komplexeren Produktes am Beispiel der Grundstruktur des Airbus A350 US FG SSL LS SSR ZeMA ggmbh Seite 11

12 Die Komplexität, die Größe und der Zweck der Produkte unterscheiden sich Montage von Kleinteilen Beispiel: Laser Mittelgroße Montagesysteme Beispiel: PKW Großmontagen Beispiel: Hubschrauber BILD TKK Quelle: ILT, ThyssenKrupp Krause, Eurocopter Handhabungstechnik, Fügeprozesse, Inbetriebnahme. Es gibt mehr Gemeinsamkeiten als man glaubt! ZeMA ggmbh Seite 12

13 allerdings sind die prinzipiellen Aufgaben im Montageprozess für alle Produkte gleich Montageprozess Einzelteile, Baugruppen Handhaben Fügen Montageplanung als vorgelagerte Aufgabe: Grobplanung des Montagesystems Feinplanung der Systemtechnologien Handhaben als notwendige Aufgabe im Montageprozess: Transportieren, Zuführen und Sichern Inbetriebnehmen Fügen als Hauptaufgabe der Montage: Schrauben, Stecken, Schweißen, Löten, Kleben, Nieten, Füllen, Umformen, Urformen Hilfsprozesse Sonderoperationen Produkte Inbetriebnahme als eine zentrale Aufgabe: Justieren, Parametrieren und Funktionsprüfung Unterstützung durch Hilfsprozesse: Speichern, Kontrollieren und Qualitätsprozesse Ergänzung durch Sonderoperationen: Verpackung, Beschriftung, ZeMA ggmbh Seite 13

14 Methodische Vorgehensweise bei der Planung von Montagesystemen, unabhängig von der Größe Kunde Planung des Montagesystems folgt einer methodischen Reihenfolge: Produkt Prozess Betriebsmittel 1. Produkt-Spezifikationen haben höchste Priorität. 2. Der Montageprozess wird auf der Basis des zu montierenden Produktes definiert. 3. Die Betriebsmittel werden entsprechend den Erfordernissen des Montageprozesses gewählt bzw. konzipiert. Iterationen bei der Planung lassen sich nicht vermeiden, aber man kann sie optimieren und reduzieren. Methoden zur Anlagenplanung sind grundlegende Werkzeuge! Lernprozesse und übergreifende Problembetrachtungen sind erforderlich! ZeMA ggmbh Seite 14

15 Gliederung 1 Kurzvorstellung des ZeMA und seiner Schwerpunkte 2 Einführung in die Problemstellung Montage und Toleranzen 3 Produktanalyse und montagegerechte Produktgestaltung 4 Toleranzkettenbeschreibung und Montagesystemoptimierung ZeMA ggmbh Seite 15

16 Grundlage der Montagesystemplanung ist eine gründliche Produktanalyse und die Bestimmung sowie Beschreibung kennzeichndender Merkmale Kunde Produkt Prozess Key Characteristic (KC): Ein quantifizierbares Merkmal eines Produktes, einer Baugruppe, eines Einzelteils oder eines Prozesses, dessen erwartete Abweichung von dem Sollwert inakzeptable Auswirkungen auf die Funktion, die vom Kunden wahrgenommene Qualität, die Kosten oder die Sicherheit hat. Ein KC ist entweder von Bedeutung für die nächste Stufe der Montage ("Assembly KC") oder für die Funktion des Endproduktes ("Performance KC"). Die Ableitung der zu berücksichtigenden Toleranzen aus den Kundenanforderungen erfolgt im Rahmen des KC Flow-Downs. Mit Hilfe der Methode Key Characteristic kann ein grundlegendes Verständnis für das Produkt geschaffen und die Anzahl der zu berücksichtigenden Toleranzen reduziert werden. Quelle: Thornton, A. C.: Variation Risk management. Focusing Quality Improvements in Product Development and Production. Hoboken: John Wiley & Sons, 2004 Whitney, D. E.: Mechanical Assemblies. Their Design, Manufacture, and Role in Product Development. New York: Oxford University Press, 2004 ZeMA ggmbh Seite 16

17 Eine Rückverfolgung von Key Characteristics zu den unterschiedlichen Ausbaustufen innerhalb der Montage ist notwendig Richtung der Rückverfolgung Ausbaustufen innerhalb der Montage Endmontage MKC Manufacturing KC Geometrie und Beschaffenheit der Einzelteile AKC Assembly KC Gewährleistung der Montagefähigkeit für die folgenden Ausbaustufen PKC Perfomance KC Identifikation von Design und Leistungsfähigkeit des Flugzeugs Quelle: Premium Aerotec Rumpf PKC AKC AKC AKC MKC PKC AKC AKC MKC PKC AKC AKC MKC PKC ZeMA ggmbh Seite 17 Sektion PKC Unterbaugruppe AKC AKC PKC Einzelteil MKC MKC MKC

18 Die Rückverfolgung der Merkmale führt zur Identifikation der Kundenanforderung. Hier am Beispiel eines Markierungslasers Kunde Kundenanforderung: Strahlqualität ± A Y Produkt X Z Wärmesenke A - A A Pumpstrahl auf dem Kristall Y Kristall Prozess Grundplatte ZeMA ggmbh Seite 18 X Z Wärmefluss Der Strahl muss die Mitte des Kristalls treffen. Die Linsen müssen am Kristall ausgerichtet werden. Der Kristall ist somit die referenzgebende Größe Die Funktionstoleranzen gewährleisten, dass die geforderte Strahlenqualität erreicht werden kann. Diese muss durch die Montagetoleranzen sichergestellt werden.

19 Die Berücksichtigung der Erfüllbarkeit der Kundenanforderung kann sich durch eine montagegerechte Produktgestaltung vereinfachen Kunde Produkt Prozess Ziele der montagegerechten Produktgestaltung: Reduzierung der Teileanzahl Reduzierung der Anzahl an Füge- bzw. Trennrichtungen Standardisierung der Bauteilschnittstellen Bildung von auftrags- und kundenunabhängigen Vormontagegruppen Ergänzung von Positionier- und Justierhilfen sowie Vermeidung von Anpasstätigkeiten. Quelle: IPT Ergebnis: Konstruktionsverbesserungen ZeMA ggmbh Seite 19

20 Ursprünglicher Aufbau eines konventionellen Festkörper-Lasers mit aufwendigen und schwierigen Justagen Kunde Ausgangssituation: Produkt Prozess Ziele im Beispiel: für automatisierte Präzisionsmontage optimieren Fügen der optischen Komponenten von oben modularer Aufbau, reduzierte Teileanzahl Justagenotwendigkeiten reduzieren ZeMA ggmbh Seite 20

21 Grundplatte Kristall Laserdiode Wärmesenke Quelle: Pumpoptik ZeMA ggmbh Seite 21 quaderförmige Linsen

22 Eine übergeordnete Toleranzbetrachtung des Produktes, seiner Funktionen und der Wechselwirkungen im System ist erforderlich Beispiel: Automobilscheinwerfer Die Ausrichtung des Lichtkegels ist Abhängig von: dem Zusammenbau der Lampe der Ausrichtung der Lampe im Scheinwerfer dem Einbau des Scheinwerfers innerhalb des Frontendes dem Anbau des Frontendes am Fahrzeug Verminderung der Komplexität durch Abgrenzung von Baugruppen und Modulen sowie gezieltem Einbringen von Justagemöglichkeiten. ZeMA ggmbh Seite 22

23 Damit lassen sich die relevanten Bezugsgrößen und Zusammenhänge der Funktionen im System angeben Der Bezug des Lichtkegels richtet sich nach der Fahrachse des Fahrzeuges (d. h. der mittleren Spur der Hinterachse) Spur Fahrachse Fahrachswinkel Symmetrieachse Ermittlung der funktionalen Bezugsgrößen erzeugt eindeutige Zusammenhänge der KC ZeMA ggmbh Seite 23

24 Beschreibung der Toleranzproblematik für eine H4 Lampenmontage als Teil des Gesamtprozesses Problematik bei der Montage von H4 Scheinwerferlampen: Die Lampe wird ohne absolutes Bezugskoordinatensystem (Z-Ring) montiert. Einfügen des Z-Ringes erfolgt in einem der letzten Montageprozessen. ± α,β ± Kritische Merkmale: Positionierung der Nebenwendel zur Abblendkappe Anordnung des Z-Ringes Nebenwendel/ Abblendlicht Hauptwendel/ Fernlicht Z-Ring Schnittstelle zu Befestigung der Lampe im Scheinwerfer Glaskolben Abblendkappe Massepol Sockel ZeMA ggmbh Seite 24

25 Probleme bei der Justage der Scheinwerfer des New Mini 2001 Hier ist die ganzheitliche Betrachtung doch mal schief gegangen! R50 Mini One BJ CCD - Kamera Bilder: Modellautocenter Dürr ZeMA ggmbh Seite 25

26 Probleme bei der Justage der Scheinwerfer des New Mini 2001 Hier ist die ganzheitliche Betrachtung doch mal schief gegangen! R50 Mini One BJ CCD - Kamera Bilder: Modellautocenter Dürr ZeMA ggmbh Seite 26

27 Der Mini 2010 ist anders gestaltet und ein effektiver Gesamtprozess in der Montage kann umgesetzt werden. R60 Mini Countryman BJ Jetzt passt alles! Bilder: Modellautocenter ZeMA ggmbh Seite 27

28 Gliederung 1 Kurzvorstellung des ZeMA und seiner Schwerpunkte 2 Einführung in die Problemstellung Montage und Toleranzen 3 Produktanalyse und montagegerechte Produktgestaltung 4 Toleranzkettenbeschreibung und Montagesystemoptimierung ZeMA ggmbh Seite 28

29 Visualisierung der Zusammenhänge durch Toleranzkettenanalyse Kunde Produkt Toleranzketten sind ein einfaches Werkzeug zur Visualisierung der Prozessanalyse und Tolerierung bei der Montagesystemplanung. Ziele der Toleranzkettenanalyse: anforderungsgerechte und wirtschaftliche Auslegung der Komponenten und Auswahl der Betriebsmittel Identifikation der relevanten Montagetoleranzen Prozess Betriebsmittel KC Jedes Glied der Toleranzkette beschreibt einen Einfluss auf die Montagetoleranz AKC bzw. Funktionstoleranz PKC ZeMA ggmbh Seite 29

30 Beispiel für eine Toleranzkettenanalyse Verschrauben von Rotorblattlagern an Windenergieanlagen Schraubvorgang Prozessungenauigkeit Δx =? Prozessfunktion Roboterkinematik Befestigung Schraubwerkzeug Endeffektor Schraubwerkzeug Werkzeugtoleranz Genauigkeit Roboter Roboterbasis Position Roboter Position Bolzen Rotornabensockel Bauteiltoleranzen Aufstellfläche Rotornabe Schraubenbolzen Ziel ist die Ermittlung der Montagetoleranzen und Einhaltung der Funktionstoleranzen. ZeMA ggmbh Seite 30

31 Intelligente Kompensation von Toleranzen und Unsicherheiten durch Kombination verschiedener Technologien Schraubwergzeug Ausgleichselement Vision System Bildquelle: IPR GmbH Integration von Ausgleichselementen und Messtechnik in das elektro-hydraulische Schraubwerkzeug. ZeMA ggmbh Seite 31

32 Es gibt weitere einfache Möglichkeiten zur Optimierung der Toleranzkette im Gesamtprozess durch Gestaltung von Produkten und Betriebsmitteln am Beispiel von Werkstückträgern Zwischenspindel Subpalette Hinterachse Antriebswelle Getriebe Federbein Kühler Halter Positioniereinheit Karosse Palettenzentrierung Schwimmebenen Bauteilaufnahme Quelle: Dürr ZeMA ggmbh Seite 32 Zwischenspindel Schrauber Indexierdorn

33 Beispiele der Ausgestaltung von Werkstückträgern für kleine, mittlere und große Bauteile zur Optimierung des Montageprozesses Werkstückträger für Leiterklemmen Bild: Phoenix Contact Werkstückträger für eine Pkw-Achse Werkstückträger für Flugzeugteile Bild: Demag Cranes ZeMA ggmbh Seite 33

34 Optimierung des Montageprozesses mit Hilfe der Analyse und Manipulation bzw. Vereinfachung der Toleranzketten Kunde Produkt Prozess Der Bedarf für die Systemoptimierung und damit der Veränderung der Toleranzketten zielt gewöhnlich auf folgendes ab: Verbesserung der Einhaltung der wichtigen Merkmale (KC) Reduzierung der Kosten für die Betriebsmittel Verbesserung der Prozessstabilität Grundsätzliche Optimierungsmöglichkeit: Betriebsmittel Verkürzen einzelner Glieder Wechselseitige Änderung Reduzieren von Gliedern bei Produkt und Betriebsmittel ZeMA ggmbh Seite 34

35 dadurch ergeben sich Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung durch Vermeidung und Vereinfachung der Justagevorgänge größere Wahl der Funktionstoleranzen größere Wahl der Fertigungstoleranzen Können Justagen vermieden werden? Lösungskonzept verändern bzw. verbessern Prinzip der Auslesepaarung Ausgleich durch selbstformende Teile Brauche ich ein Reparatur- oder Wartungskonzept? Auswahl gestufter Passteile Ausgleich durch Einstellen Wie lässt sich die Justage einfach gestalten? ZeMA ggmbh Seite 35

36 Insbesondere mechatronische Produkte lassen sich im System Mechatronik und Automatisierungstechnik intelligent einbinden Einfache Beispiele für die Nutzung der produktbezogenen Aktoren bzw. Sensoren für die Gestaltung eines effizienten Inbetriebnahmeprozesses Parametrieren der Scheinwerfereinstellung Inbetriebnahme des Abstandsregeltempomaten Messsystem Lichtsammelkasten (LK) Lichtsammelkasten Spiegel Lichtstrahl wird vom Lichtsammelkasten erfasst Durch Kamera und Bildverarbeitung ausgewertet Fehlstellungen werden automatisiert durch die Parametrierung der Aktorik des Scheinwerfers korrigiert Am Lichtsammelkasten ist ein Hilfslaser angebracht Integrierter Spiegel wirft Laserstrahl zurück Laserstrahl wird vom Sammelkasten erfasst Justage über Schrauben am Sensor oder Parameterrückführung in das Steuergerät ZeMA ggmbh Seite 36

37 Systemoptimierung Prozessanalyse Produktgestaltung Produktanalyse Zusammenfassung Kunde Produkt Prozess Betriebsmittel Toleranzmanagement muss nicht nur für das Produkt, sondern übergreifend für Produkt, Prozess und Betriebsmittel betrieben werden: Produktanalyse zur Bestimmung (und Reduktion) der relevanten Toleranzangaben Produktgestaltung Montagegerechtheit zur Anpassung und Vereinfachung der Toleranzgebung am Produkt Prozessanalyse zur kostenoptimalen Abbildung des Montageprozesses in Betriebsmitteln Montagesystemoptimierung zur Prozessvereinfachung und zur Nutzung neuer Technologien ZeMA ggmbh Seite 37

38 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Rainer Müller ZeMA - Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik gemeinnützige GmbH Gewerbepark Eschberger Weg, Geb. 9 D Saarbrücken Tel +49 (0) Mail rainer.mueller@mechatronikzentrum.de ZeMA ggmbh