Flexible Fertigungs- Systeme

Transkript

1 FFS.1 Flexible Fertigungs- Systeme

2 FFS.2 1. Flexible Fertigungssysteme 2. Verkette Fertigungsstrukturen 3. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von komplexen Fertigungssystemen Vorlesungsinhalte I

3 FFS.3 FFS stellen ein Konzept zu automatischer, ungetakteter, richtungsfreier und damit hochflexibler Fertigung einer definierten Gruppe ähnlicher Teile dar. Werkstücke dieser Gruppe können in wahlfreier, ohne durch Umrüsten unterbrochene Folge automatisch abgearbeitet werden. Rall Besonderheiten flexibler Fertigungssysteme

4 FFS.4 Strukturen von Fertigungssystemen

5 FFS.5 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH Struktur Merkmale Flexible Transferstraße Flexibles Fertigungssystem Flexible Fertigungsinsel Flexible Fertigungszelle Verkettung Innenverkettung von NCund PLC - Bearbeitungsstationen Außenverkettung mehrerer NC - Bearbeitungsstationen Mehrere Einzelmaschinen unverkettet; NC- Maschinen durch konventionelle Arbeitsplätze ergänzt Einsatzmaschine mit vollautomatisierter Ver- und Entsorgung Bearbeitungsstufen Mehrstufige Bearbeitung Mehrstufige Bearbeitung Mehrstufige Bearbeitung Einstufige Bearbeitung Materialfluß Informationsfluß Transport getaktet Materialfluß gerichtet voll integriert/ teilautomatisch Transport ungetaktet Materialfluß ungerichtet voll integriert/ teilautomatisch Transport ungetaktet; manuell oder automatisch Materialfluß ungerichtet voll integriert/ teilautomatisch Automatische Maschinenbeschränkung Versorgung von Pufferplatz oder aus Werkstückspeicher voll integriert Flexibilität / Automatisierungsgrad begrenzte Anpassungsfähigkeit an verschiedene Aufgaben; hoher Automatisierungsgrad geringer Flexibilitätsgrad kein manuelles Rüsten für begrenztes Teilspektrum; hoher Automatisierungsgrad mittlerer Flexibilitätsgrad hohe Anpassungsfähigkeit an große Werkstückvielfalt, mittlerer bis hoher Automatisierungsgrad, hoher Flexibilitätsgrad geringer Rüstaufwand für umfangreiches Teile - Spektrum; hoher Automatisierungsgrad, hoher Flexibilitätsgrad Autonomiegrad keine dispositionsautonomie mittlere dispositionsautonomie hohe dispositionsautonomie mittlere bis hohe dispositionsautonomie Kapitaleinsatz hoch hoch gering bis mittelgroß mittelgroß Maßberg Maßberg Flexible Fertigungsstrukturen Flexible Fertigungsstrukturen

6 FFS.6 Werkstückdurchlauf bei verketteten Arbeitsstationen

7 FFS.7 Betrachtung im stationären Betrieb Rall Verkettete Fertigungsstrukturen

8 FFS.8 Es liegen M flexibel verkettete Strukturen S m m{1,..., M}, M mit der der Ausbringungsmenge A m und den Taktzeiten t m vor. Die Ausbringungsmenge A des Systems kann im stationären Betrieb nicht besser sein, als die Ausbringungsmenge der A Min A schlechtesten Station: m Regeln für flexibel verkettete Strukturen I

9 FFS.9 Das Produkt aus Einzelverfügbarkeit V m der Stationen und produzierten Teilen pro Zeiteinheit 1/t m muss für sämtliche Stationen gleich sein: A V T t const. m m m m m V1 T1 t1 Vm Tm tm VM TM tm const. V1 V V t t t 1 m M m M const. Regeln für flexibel verkettete Strukturen II

10 FFS.10 Rall Transportstrukturen

11 FFS.11 Handhaben ist das Schaffen definierter Veränderungen oder vorübergehende Aufrechterhalten einer vorgegebenen räumlichen Anordnung von geometrisch bestimmten Körpern in einem Bezugskoordinatensystem. Es wird in folgende Funktionen eingeteilt: - Speichern, - Mengen verändern, - Bewegen, - Sichern und - Kontrollieren. VDI Richtlinie 2860

12 FFS.12 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH Werkstück Werkstückaufnahmeelemente (Prismenleisten) für wellenförmige Werkstücke Distanzstift Stapelstütze Rahmenverstrebung Gabelzinkenschutzrohr mit Einführschräge IPA Magazinrahmen Palettenbaukasten Palettenbaukasten

13 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH FFS Komponenten Einsatzbeispiele Entwicklungsfelder Magazingrundrahmen Zusammenfassung von Losen an Werkzeugmaschinen Entwurf u. Konstruktion modularer Magazine, Einsatzmodule u. Aufnahmeelemente Einsatzmodule Kommissionierung von Werkstücken, Werkzeugen, Meß- und Spannmitteln sowie Handhabungsgreifern Auswahl von Aufnahmemöglichkeiten für Teile Aufnahmeelemente Kommissionierung von Baugruppen zur Montage Durchlaufoptimierung für Einsatzmodule H. Warnecke Modulare Magazine - das Bindeglied in Fertigung und Montage Modulare Magazine das Bindeglied in Fertigung und Montage

14 FFS.14 Rall Vergleich von Portalladern und Industrierobotern

15 FFS.15 Rall Elastische Verkettung

16 FFS.16 Das hierarchische Steuerungssystem der automatischen Fabrik

17 FFS Optimierung der Produktion nach vorgegebenen Kriterien stetige Verbesserung der Ablaufplanung Steuern der Bearbeitungsvorgänge Steuern des Materialflusses dynamisches Bereitstellen, Koordinieren + Zuweisen von Material, Werkzeugen, Maschinen, Transport-, Spann- und Prüfmitteln. Rall Aufgaben einer FFS-Steuerung

18 Zeitverlust bei herkömmlicher Bearbeitung Schnellere Auftragsw. 130 h/a = 1,5% Abbau org. Störungen 200 h/a = 2,3% Pausenbetrieb 250 h/a = 2,8% 3. Schicht 1220 h/a = 14% 2. Schicht 1220 h/a = 14% Sonntage,Samstage Feiertage 1752 h/a = 20% 1242 h/a=14% 8760 h/a=100% 5838 h/a=66% Zeitgewinn durch Automatisierung 2.Schicht 1570 h/a = 18% 3.Schicht 1900 h/a = 22% FFS.18 Sonntage,Samstage, Feiertage 2736 h/a = 31% Werkst.wechsel, Org. Störungen 657 h/a = 7,5% Personalausfälle 525 h/a = 6% Technische Störungen 130 h/a = 1,5% Technische Störungen 175 h/a = 1,9% Rall Wirtschaftliche Bedeutung der Automatisierung in in der der Fertigung

19 FFS.19 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH Prozeßüberwachung in flexiblen Fertigungssystemen Integrierte Werkzeugüberwachung Integrierte Werkstücküberwachung Standzeitüberwachung Optische Werkzeugüberwachung Zerspankraftmessung Überwachung der Hauptspindelwirkleistung Körperschallanalyse Tastereinsatz zur indirekten Längenmessung Lagebestimmung mit Meßtaster Aufmaßbestimmung mit Meßtaster Qualitätsprüfung mitt Meßtaster Durchmesserprüfung mit Meßdorn Werkstückprüfung an Meßstationen im flexiblen Fertigungssystem Integrierte Fehlerdiagnose Zustandsmeldungen der Maschinen- und Systemkomponenten Zustandsmeldungen der Steuerungen im Störungsfall Meldungen der automatisierten Werkzeug- und Werkstücküberwachung Rechnergeführte Fehlersuche und Störbeseitigung Diagnosemöglichkeit über Modem/Akkustikkoppler Rall Aufgaben der Prozessüberwachung Prozeßüberwachung in flexiblen Fertigungssystemen

20 FFS.20 Zeichnen und Bennen Sie die drei wichtigen Fertigungssystemstrukturen. Welche Regel gilt es bei flexible verketten Fertigungsstrukturen einzuhalten? Repetitorium

21 FFS.21 Kollisionsobjekt WER? WANN? Kollisionszeitpunkt räumliche Eigenschaften Kollision zeitliches Verhalten WO? WARUM? Kollisionsräume Kollisionsursache Rall Einflussgrößen bei der Entstehung von Kollisionen

22 FFS.22 COLLISION CONTROL OFFLINE ONLINE Graphic visual CAD-Functions Mathematical Direct Indirect Visual assessment Boolean Intersection Algorithms Robot external sensor data Robot internal sensor data CAD Model Mathematical Model Real environment Simple mathematical model Description of environment Description of robots CAD Model Mathematical Model... Selected points Rall Methods of the collision control

23 Test method FFS.23 mathematical graphic visual use of CAD functions Rough model (1st step) Mean model (2nd step) Exact model (3rd step) Rall Methods for the collision test during off-line programming

24 FFS.24 Sensor Industrial robot control TV-camera Workpiece hopper with sorting Subsequent treatment R.Karg Arrangement of equipment with the storage of pictures

25 FFS Werkstückidentifikation 2. Bestimmung von Position und Orientierung 3. Qualitätsprüfung 4. Kontrolle der Aufspannung Werkstücküberwachung

26 FFS.26 - System für Späneentsorgung, Trennung und Trocknung - System zur Reinigung von Werkstücken (und Paletten) - Meß- und Kontrolleinrichtungen - Kühlmittelanlagen Rall Zusatzsysteme für F F S

27 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH FFS Achtung: Im Flugzeugbau werden teilweise bis zu 95% des Rohteilvolumens zerspant! Aufgaben: - Späne müssen schnellstens aus Arbeitsraum entfernt werden, da der größteteil der zugeführten Energie in ihnen enthalten ist; - unterschiedliche Späne müssen voneinander getrennt werden; - Rückgewinnung des teuren Kühlschmiermittels. - Halleninfrastruktur: unter Flur verlegte Spänekanäle Späne Späneentsorgung in FFS

28 FFS.28 Automatisches Späneentsorgungssystem

29 FFS.29 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH FFS modular aus Baukastensystem aufbauen Investitionen fallen zeitlich versetzt an - neue, teure Technologie auch für kleine Unternehmen finanzierbar, dadurch kein Abkoppeln vom technischen Fortschritt; - keine personelle Überforderung; - kommunikativer Know how-aufbau. Rall Stufenweiser Stufenweiser Aufbau eines Aufbau Fertigungssystems von FFS

30 FFS.30 Rall Stufenweiser Aufbau eines Fertigungssystems

31 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH FFS Die Aufgabe des Bedieners wurde anspruchsvoller (wenige psychische und physische Belastung, dafür mehr Wartung, Überwachung, Störungsbeseitigung). Die Fertigung erfolgt bedarfsgerecht ( kleine Scheinlose, keine Bring-, sondern Holschuld). FFS erlauben chaotische Fertigung (Stückzahlflexibilität, Losgröße 1). FFS realisieren Integration von Information und Materialfluß. Rall Merkmale flexibler Fertigung Merkmale flexibler Fertigung

32 FFS.32 Zuverlässigkeit Beschaffenheit einer Einheit bezüglich ihrer Eignung, während oder nach vorgegebenen Zeitspannen unter den Anwendungsbedingungen seine Funktion zu erfüllen. Funktionsfähigkeit Eignung einer Einheit, die geforderte Funktion unter den Anwendungsbedingungen zu erfüllen. Störung Fehlende, fehlerhafte oder unvollständige Erfüllung der Funktion durch die Einheit In Anlehnung an DIN Zuverlässigkeitsbegriffe I

33 FFS.33 Versagen Entstehen einer Störung unter den zugelassenen Betriebs- und Umweltbedingungen Ausfall Beendigung der Funktionsfähigkeit einer Einheit im Rahmen der zugelassenen Beanspruchungen Vollausfall: Ausfall sämtlicher Funktionen der Einheit Teilausfall: Ausfall nicht sämtlicher Funktionen in Anlehnung an DIN Zuverlässigkeitsbegriffe II

34 FFS.34 V MTBF MTBF MTTR Die Verfügbarkeit V bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, ein System während der Einsatzdauer im Sollzustand anzutreffen. Die momentane Verfügbarkeit ist die Wahrscheinlichkeit, eine Einheit in einem vorgegebenem Zeitpunkt der geforderten Anwendungsdauer in einem funktionsfähigen Zustand anzutreffen (bedingte Wahrscheinlichkeit). MTBF = E{T} MTTR = E{R} := mittlere störungsfreie Laufdauer := mittlere Entstördauer Definition der Verfügbarkeit

35 FFS.35 N 1 i T T B Si T Si T B := i-te Stillstandsdauer := Betriebsdauer Nutzungsgrad eines Systems

36 FFS.36 Nutzungsgrad eines Systems

37 FFS.37 Annahme: Ein System oder Element kann sich nur in zwei zueinander dualen Zuständen z = 1 arbeitend oder z = 0 ausgefallen befinden. Damit gilt zz 0. Die zufällige Zeit von der Inbetriebnahme bis zum Ausfall ist die Lebenszeit des Systems. Die Lebenszeit habe eine Verteilungsfunktion F(t) = P(T < t), die die Fehlerwahrscheinlichkeit definiert. Für deren Dichtefunktion gilt: df f ( t) ( t) p( t) dt Überlebenswahrscheinlichkeit 1

38 FFS.38 Technische Systeme werden zu einem bestimmten Zeitpunkt, den man willkürlich zu null (t = 0) setzen kann, in Betrieb genommen. Damit besteht der Zusammenhang: t F( t) f ( t) dt Hieraus folgt, dass F(0 ) 0 und F( ) 1 ist. Für die mittlere Lebenszeit gilt somit: E T 0 f ( ) d 0 Überlebenswahrscheinlichkeit 2

39 E T 0 FFS.39 u vdx u v vud x, mit f ( ) d u v f ( ) u1 v F( ) 0 E T F( ) F( ) d mit F(0 ) 0 F( ) 1 F ( ) d 1 F( ) d Der Term R( t) 1 F( t) charakterisiert die Zuverlässigkeit des Systems im Intervall [ 0, t [. Hierunter versteht man die Wahrscheinlichkeit, dass das System in der Betriebszeit t nicht ausfällt (Überlebensw. und Zuverlässigkeit sind duale Aussagen). Überlebenswahrscheinlichkeit und Zuverlässigkeit

40 FFS.40 In der Praxis stellt sich die Frage, welche Zuverlässigkeit ein System zum Zeitpunkt t + t 0 hat, dass bereits t 0 Zeiteinheiten ohne Versagen gearbeitet hat? Es ist somit nach der bedingten Verteilungsfunktion P( T t t T t ) 0 0 P( T t t0 T t0) P( T t ) zum Zeitpunkt t + t 0 unter der Bedingung, dass das System zum Zeitpunkt t 0 funktionstüchtig war, gefragt. 0 Zuverlässigkeit 1

41 Da für t 0 P( T t t T t ) f ( t) d t F( t t) F( t ) t 0 t 0 P( T t ) f ( t) d t F( ) F( t ) 1 F( t ) t ist, erhält man weiter 0 0 FFS.41 P( T t t0 T t0) F( t0 t) F( t0) FB ( t) P( T t t0 T t0) P( T t ) 1 F( t ) F () t B F( t t) F( t ) Ft ( ) 0 Zuverlässigkeit 2

42 FFS.42 Somit gilt für die bedingte Zuverlässigkeit des Systems: R ( t) 1 F ( t). B B B R ( t) 1 F ( t) 1 B F( t0 t) F( t0) 1 Ft ( ) 1 F( t0) F( t0 t) F( t0) 1 Ft ( ) F( t 0 t) R( t0 t) 1 F( t ) R( t ) 0 0 R B () t R( t t) 0 Rt ( ) 0 Zuverlässigkeit 3

43 FFS.43 Die Ausfallrate () t eines Systems steht in einem Zusammenhang zur bedingten Zuverlässigkeit R () t B des Systems. Fragen wir nach der Wahrscheinlichkeit, dass das System im Intervall [ t0, t0 t] versagt, wenn es bereits das Alter t0 erreicht hat, so erhalten wir R( t0) R( t0 t) Rt ( ) 0 Beziehen wir diese Größe auf das Zeitintervall t wir ferner R( t0) R( t0 t) R( t0) R( t0 t) t t Rt ( ) Rt ( ) 0 0, so erhalten Ausfallrate 1

44 FFS.44 Lassen wir t gegen null streben, so erhalten wir R( t0) R( t0 t) R( t0 t) R( t0) t t R( t ) 0 lim lim : ( t0) t0 R( t 0 0) t R( t0) R( t0) R() t Die Lösung der DGL () t definiert den Rt () Zusammenhang zwischen der Ausfallrate und Zuverlässigkeit. Ausfallrate 2

45 Typus der Funktion kx de kx R( t) ( t) R( t) k e dx FFS.45 Annahme: R() t e d dt R t d dt t ( x)d x t ( x)d x t0 t0 ( ) e Kettenregel ( x)d x t d dt t t0 R ( t) e ( x)dx t ( x)d x R t e t t R t t0 ( ) ( ) ( ) ( ) t 0 Hauptsatz der Integral- und Diff.-R. Ausfallrate 3

46 FFS.46 R() t () t Rt () R() t e t ( x)d x t0 Aufgrund dieses Zusammenhangs sind Zuverlässigkeit und Ausfallrate gleichwertige Begriffe. Die Konstanz der Ausfallrate ist eine charakteristische Eigenschaft der e-funktion. Systeme mit exponentiell verteilter Lebenszeit altern nicht. Ihr Versagen wird durch Umwelt- und Funktionsbeanspruchungen hervorgerufen. Dies sollte der Bereich der normalen Nutzung eines Systems sein. Ausfallrate 4

47 = () t R() t Rt () FFS.47 3 t Betriebszeit Frühausfälle Betriebsphase 3 Alterungserscheinungen - Mängel bei Planung und Konstruktion - Probleme bei Fertigung, Montage, Inbetriebnahme und Integration - technische und organisatorische Fehler - konstruktive Mängel / Auslegungsfehler - verschleißbedingte Ausfälle - Dauerbruch, Alterung etc. Ausfallrate 5 Rall

48 FFS.48 Systeme bestehen aus Subsystemen, Baugruppen oder Bauelementen. Es wird näherungsweise angenommen, dass die Fehlerereignisse statistisch unabhängig sind. Bei komplexen Systemen hat sich in der Praxis bewährt, die Systemgrenzen so zu wählen, dass man die Analyse auf Basis von Subsystemen oder Baugruppen vollziehen kann (Wahl geeigneter Systemgrenzen). Zuverlässigkeitsanalyse I

49 FFS.49 Hinsichtlich der Zuverlässigkeitsbetrachtungen unterscheidet man serielle und parallele Systeme: Serielle Systeme haben die Eigenschaft, dass das Versagen nur eines Systems zum Ausfall des Gesamtsystems führt. Parallele Systeme müssen die relevanten Funktionen wechselseitig vollständig erfüllen, so dass erst beim Ausfall sämtlicher Systeme das Gesamtsystem versagt. Technische Parallelschaltungen sind nicht auch zwangsläufig Parallelschaltungen im Sinne der Zuverlässigkeitstheorie. Zuverlässigkeitsanalyse II

50 FFS.50 S 1 S m S M R ( t) P( T t T t T t) Ges 1 m M M 1 m M m m1 P( T t) P( T t) P( T t) P( T t) M R ( t) R( t), statistische Unabhängigkeit Ges m1 M R ( t) R ( t), statistische Unabhängigkeit R ( t) const. Ges Zuverlässigkeit von Seriensystemen m m

51 S 1 S m S M M Ges m1 1 R ( t) 1 R ( t) m FFS.51 M PGes ( T t) P Tm t y x y x y m1 Duale Aussagen PGes ( T t) P Tm t Tm t Tm t m1 M M M P Tm t P( Tm t) m1 m1 R ( t) 1 1 R ( t) Ges M m1 m Zuverlässigkeit von redundanten parallelen Systemen

52 FFS.52 Kalte Reserve: Die Reserveelemente sind keinen (signifikanten) Beanspruchungen ausgesetzt. Infolgedessen verändern sich ihre statistischen Eigenschaften nicht. Bei mechanischen und elektrischen System sind periodische Probeläufe zum Erhalt der Funktionalität sinnvoll (Korrosion, Schmierung, Formierung Elektrolytkondensatoren usw.). Warme Reserve: Die Reserveelemente sind nur geringen Beanspruchungen ausgesetzt. Das Versagen dieser ist möglich, jedoch ist die Zuverlässigkeit höher als die der genutzten Elemente. Heiße Reserve: Die Reserveelemente sind den gleichen Beanspruchungen ausgesetzt und haben deshalb zu den Arbeitselementen äquivalente Zuverlässigkeiten. Reservierung

53 FFS.53 Die Betrachtung der reinen Zuverlässigkeitsaspekte ist zwar naheliegend, jedoch reicht dies in der Praxis meist nicht aus. Letztlich liegt hier ein Optimierungsproblem, bei dem neben der Zuverlässigkeit noch andere Größen (Kosten, Volumen, Masse usw.) mit einzubeziehen sind, vor. Mit Hilfe eines Gütekriteriums lassen sich dann die Standardaufgaben der Theorie der optimalen Reservierung beschreiben. Minimierungs- und Optimierungsprobleme sind äquivalent. Optimale Reservierung

54 FFS.54 Die Elemente komplexer Systeme wirken überwiegend seriell, weshalb diese zumeist eine geringere Zuverlässigkeit aufweisen als einfache Systeme. Deshalb so komplex wie nötig und so einfach wie möglich. Dies wirkt sich in der Regel auch positiv auf die Kosten aus. Komplexe Systeme

55 FFS.55 Iwb, TU München Verfügbarkeit komplexer Systeme

56 FFS.56 Shah Nutzungsgrad von FFS

57 FFS.57 AWK Ursachen für lange Inbetriebnahmezeiten komplexer Fertigungsanlagen

58 FFS.58 Rall Maßnahmen Verkürzung nicht produktiver Zeiten

59 FFS.59 AWK Stillstandsursachen komplexe Systeme

60 FFS.60 Einflussfaktoren auf den Nutzungsgrad

61 FFS.61 AWK Anwenderseitige Maßnahmen Verfügbarkeitserhöhung

62 FFS.62 AWK Einflussnahme Systempersonal

63 FFS.63 Shah Investitionskosten FFS

64 FFS.64 Nutzen von FFS

65 FFS.65 CIM, Computer Integrated Manufacturing CIM Rall Computer Integrated Manufacturing

66 FFS.66 Zeichnen und Bennen Sie die drei wichtigen Fertigungssystemstrukturen. Welche Regel gilt es bei flexible verketten Fertigungsstrukturen einzuhalten? Zeichnen Sie die typische Ausfallratenkurve eines Fertigungssystems, benennen Sie die Bereiche und beschriften Sie die Achsen. Wie werden serielle und parallele Systeme bei Zuverlässigkeitsbetrachtungen charakterisiert? Berechnen Sie die Zuverlässigkeit eines Serien- und Parallelsystem bestehend aus zwei Komponenten. Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein? Erläutern Sie die drei Reserveprinzipien. In welchem Sinne sind komplexe Systeme unter dem Aspekt der Zuverlässigkeit zu betrachten. Repetitorium