Industrie 4.0: Grundlagen und Anwendungen. Die Praxis von Industrie 2025

Transkript

1 Industrie 4.0: Grundlagen und Anwendungen Die Praxis von Industrie 2025

2 Inhalt Relevante Grundlagen des Konzeptes «Industrie 4.0» für Automationsaufgaben Anwendungen in Produkt- und Prozessautomation und in der Prozessüberwachung «Industrie 4.0» in der Umsetzung: praktische Erfahrungen 2

3 Technologietreiber: Internet, Cyber Physische Systeme (CPS) Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer

4 Zukunft der Massenproduktion: personalisierte Produkte Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer 2014 Produkte werden individualisiert: Losgrösse 1 mit Hilfe von Massenproduktionsmitteln Produktion wird in der virtuellen Welt geplant und mit Istdaten abgeglichen 4

5 Cyber-Physisches System (CPS): digitales Modell Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer 2014 Ein Produkt entsteht virtuell und wird laufend mit gemessenen Echtzeitdaten aufdatiert Der Fertigungsprozess passt sich auf Basis des Cyber-Physischen Modells laufend an Fertigungs- & Entwicklungsprozess erlauben die Losgrösse 1 mit Massenproduktionsmitteln 5

6 Industrie 4.0 in der industriellen Anwendung Produkt Industrie 4.0 Wartung/Überwachung Fertigung Industrie 4.0 in der Fertigung: Losgrösse 1 mit Hilfe smarter Serienproduktion Industrie 4.0 in Produkten: smarte, individualisierte Produkte Industrie 4.0 in der Wartungstechnik: Modellbasierte Zustandsüberwachung 6

7 Produkt Industrie 4.0 Wartung/Überwachung Fertigung Industrie 4.0 Robotergestützte Schleiftechnik SHL 7

8 Schleiftechnik: Stand der Technik Rohling, innen bearbeitet 1. Grobschleifen Programm enthält rund bis einzelne Anweisungen Einrichtprozess richtet sich primär nach Teachpunkten mit Kontakt Arbeitsabfolge: Grobschleifen, Feinschleifen, Polieren Qualitätskontrolle: Vier-Augen-Prinzip 2. Feinschleifen 3. Polieren 4. Prüfen (4 Augen Prinzip) 8

9 Automation Kontaktrollenbandschleifen Prinzipieller Aufbau Schleifmaschine Schleifband Kontaktscheibe Luftdruckzylinder Armatur- Gussrohling Industrieroboter 6 Achsen (30kg Traglast) elastisches Laufpolster Bahnplanung 9

10 Lösungsprinzip Regelung Aktor Wegregelung Prozessmodell: Kraft-Weg-Relation p Kraftregelung Sensorik Fräsprozess Prozessmodell (Roboter und Schleifscheibe) als Basis für eine Mess- und Regelungstechnik.Ziel: Elimination der Einrichtzeit des Schleif- und Polierprozesses die Einrichtzeit konnte von 4-6 h auf unter 30 Minuten verringert werden Zu 70% kann Prozess voll automatisiert werden, bei 30% sind zusätzliche Informationen notwendig Industrie 4.0 Grundlagen anwenden 10

11 Industrie 4.0: smarter Herstellprozess Einrichten Gussformen Giessen Geometrie Prozessdaten Werkzeugbau Fertigungsmittel CNC-Fertigung Drehen/Fräsen Bearbeitungsdaten Input Bahnplanung Design Armatur CAD- Daten Bahnplanung, Schleifen Bahnsteuerung Kontur Schleifen/Polieren Model-based Design Prozessplanung Prozessmodell: - Kraft-Weg-Relation - Prozessplanung Schleifdaten Schichtdicke Prozessdaten Galvanisieren Optische Kontrolle Die Fertigungsschritte zu jedem Teil sind dokumentiert Prozesskontrolldaten Messen Werkstück 11

12 Konstruktion Industrie 4.0: das Cyber-Physische System CPS Giessen Mechanische Bearbeitung Einrichtzeit pro Armatur: < 4 h 1 Modell Digitaler Einrichtprozess Model-based Design Prozessmodell Schleifen & Polieren Gussdaten 1 Einheit Losgrösse Keine Einrichtzeit Geometriedaten Digitale Prozessdaten Datentransfer Galvanisieren Digitales Modell/Geometrie Bahnplanung Roboter Regelung Schleifen Bahnplanung Roboter p Regelparameter Schleifen Giessen Mech. Bearbeitung Schleifen Galvanisieren Automation des Einfahrens eines neuen Armaturendesigns Losgrösse 1 für ein Unikat einer Armatur Digitales Modell als Grundlage der vollautomatisierten Fertigung 12

13 Digitales Modell CPS: Schleifstrategie Einrichten des Schleifprozesses einer Formneuheit einer Armatur digitalisieren Klassifikation der verschiedenen Schleifflächen und ihrer Geometrien Automatisierter Einrichtprozess am Bildschrim 13

14 Digitales Armaturendesign auf CAD-Daten basierend CAD NURBS Quelle KWC - F&E, WEKO, STEP IGES Mathematische Eigenschaften Stetig differenzierbar Ressourcenoptimal (Numerik) Stabile Algorithmen Invariant für Transformationen, d.h. geometrisch eindeutig Analytisch Mathematisch sämtliche Freiformflächen müssen auf Basis der CAD-Daten automatisiert mathematisch beschrieben werden 14

15 Digitales Modell CPS Produzierbarkeit prüfen Roboterschleifzelle Roboter Schleifmaschine Programm Greifsystem Werkzeug Schleifband Pneumatik Positionen Greifer Kontaktfläche Werkstück Elastizität Flächensegment Automatisierte Überprüfung der gewählten Schleifpaarungen: geometrisch möglich? Falls ja: digitalisierte Bahnplanung des Roboters wird automatisch erstellt 15

16 Abgleich von Planungs- und Istdaten in der Praxis Generieren einer adaptiven Fertigungssteuerung mit Hilfe des CPS werden aufgrund der Solldaten die Fertigungsschritte definiert jedes einzelne Bau-, bzw. Fertigungsteil wird individuell geplant und gefertigt die einzelnen Fertigungsschritte werden prozessintegriert überwacht (Istdaten) Fortlaufend mit dem Herstellprozess werden die einzelnen Prozessschritte automatisiert an die realen Messdaten (Soll-Ist) angepasst die zugehörigen Algorithmen garantieren die geforderte Qualität 16

17 CPS-basierte Fertigung: ein neuer Herstellprozess Modellbasierte Konstruktion/Entwicklung Digitales Modell Modell Freiformflächen - Modell Schleifen - Modell Polieren Giessen Mech. Bearbeiten Schleifen Galvanisieren Prozesssichere Toleranzfelder ε Modellbasierte Schleifprogrammierung Digital Fehler / Störung aufbringen Schleifbarkeit / Robustheit prüfen 17

18 Fazit: Industrie 4.0 in der Praxis Beispiel Armaturenherstellung Erstellen eines digitalen Modells des Fertigungsprozesses (CPS) Einbringen praktischer Erfahrungen in das digitale Modell (CPS) Implementieren des Cyber-Physischen Systems in die reale Fertigungswelt: Aktorik, Sensorik, Kommunikationstechnik (Internet of Things IoT) Losgrösse 1 als generelle Zielsetzung in der Herstellung von Armaturen Einrichtzeit für eine Neuteil von 200 auf 4 Stunden reduzieren Herstellbarkeit wird digital geprüft neue Form des Herstellverfahrens, Prozessprogrammierung wird maschinell durchgeführt neues Geschäftsmodell: der Kunde entwirft seine Armaturen selbst und lässt die Herstellbarkeit prüfen, Produzent erstellt Angebot und produziert den Entwurf als Einzelstück 18

19 Weiterbildungsprogramm der Fachhochschule Nordwestschweiz Industrie 4.0: umfassende Grundlagen aus einer ganzheitlichen Perspektive Die folgenden Themenblöcke werden bearbeitet: Neue Geschäftsmodelle Digitalisierung und Vernetzung von technisch-intelligenten Systeme substituieren herkömmliche Geschäftsmodelle Optimierung von Geschäftsprozessen Ein funktionierendes Zusammenwirken von Mensch, Technik und Organisation ein Erfolgsfaktor für innovative und flexible Geschäftsprozesse. Automatisierung und Cyber-physische Systeme (CPS) Merkmale von CPS und die Bedeutung der Modellbildung; Mensch-Roboter-Kollaboration; Herausforderungen für Standards und Schnittstellen Dezentrales Computing Vom PC zur intelligenten Umgebung Change to Digital Führungs- und Veränderungsprozesse für Organisationen und Mitarbeitende. rechtliche Aspekte im Zusammenhang mit der Einführung von Industrie 4.0 Zielpublikum: Angehende Projektleitende, Projektverantwortliche und Kadermitarbeitende aus der Industrie, Wirtschaft und öffentlicher Verwaltung, welche ihr Wissen über Industrie 4.0 vertiefen und ergänzen wollen. 12 Kurstage 15./16. Sept., 22./23. Sept., 30.Sept., 20./21. Okt., 27./28. Okt., 10./11. Nov., 17 Nov.; Prüfung am letzten Kurstag (10 ETCS) Kontakt, persönliche Beratung: Prof. Dieter Fischer, Kursleiter / dieter.fischer@fhnw.ch Web:

20 Ihr Partner für Industrie 4.0 Lösungen Fachhochschule Nordwestschweiz Hochschule für Technik Institut für Automation Klosterzelgstrasse Windisch T +41 (0) F +41 (0) info.ia.technik@fhnw.ch Prof. Dr. Roland Anderegg roland.anderegg@fhnw.ch T Industrie 4.0 in industriellen Prozessen 20