Tilo Pfeifer Robert Schmitt (Hrsg.) Autonome Produktionszellen

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1 Tilo Pfeifer Robert Schmitt (Hrsg.) Autonome Produktionszellen

2 Tilo Pfeifer Robert Schmitt (Hrsg.) Autonome Produktionszellen Komplexe Produktionsprozesse flexibel automatisieren Mit 257 Abbildungen 13

3 Professor em. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Prof. h.c. Tilo Pfeifer Professor Dr.-Ing. Robert Schmitt Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement Steinbachstr Aachen Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN 10 ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Umschlaggestaltung: medionet AG, Berlin Satz: Digitale Druckvorlage der Herausgeber Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020 /m

4 Vorwort Die Komplexität moderner Produkte und die Notwendigkeit Fertigungsprozesse noch reaktionsschneller an die individuellen, häufig sehr variantenreichen Kundenbedürfnisse anzupassen, zwingen die Unternehmen zunehmend, ihre Produktionsanlagen hin zu hochflexiblen, wandlungsfähigen Einheiten umzugestalten. Damit einher geht die Forderung nach einem maximalen Grad an Autonomie in der operativen Ebene, um Produktionsprozesse über einen längeren Zeitraum flexibel, zuverlässig und vor allem störungsfrei durchzuführen. Um die Voraussetzungen für diese Produktionseinrichtungen zu schaffen, bestehen die gegenwärtigen Ziele darin, die Funktionalität und die Leistungsfähigkeit von Produktionsanlagen zu erweitern, um den hohen Grad an Selbstständigkeit zu erreichen. Dieser Handlungsbedarf wurde von mehreren Forschungseinrichtungen der RWTH Aachen aufgegriffen und führte dort zur Einrichtung des Sonderforschungsbereichs (SFB) 368. Zahlreiche Erfindungen und Impulse für die Industrie und Forschung sind im Rahmen der zwölfjährigen Laufzeit aus dem Sonderforschungsbereich hervorgegangen. Durch einen frühzeitigen und intensiven Austausch mit der Praxis konnten die Ergebnisse kontinuierlich an die sich weiterentwickelten Bedürfnisse der Unternehmen angepasst sowie durch neue Technologien erweitert werden. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), namentlich Frau Dr. Grindel, Herrn Dr. Heil, Frau Dr. Hilger, Herrn Dr. Hollmann, Frau Dr. Konze-Thomas, Frau Dr. Retz-Schmidt, Herrn Verschragen und Herrn Dr. Wehrberger, möchten wir für die frühzeitige Einsicht in die Bedeutung dieses Themas sowie für die umfangreiche Unterstützung über den gesamten Projektverlauf herzlich danken. Durch ihre Hilfe wurde es möglich, im Rahmen dieses Buches eine Vielzahl von Konzepten und Lösungsansätzen zum Thema autonome Produktion für Forschung und Praxis zu geben. Insbesondere möchten wir an dieser Stelle im Namen des gesamten Forscherteams den Gutachtern der vergangenen vier Förderperioden danken, ohne deren Weitblick, konstruktiver Kritik und Sachverstand eine solch komplexe Thematik nicht hätte erfolgreich bearbeitet werden können. An dieser Stelle sind namentlich zu erwähnen: Professor Hans Bertram, Professor Ulrich Draugelates, Professor Heinz Haferkamp, Professor Jürgen Hesselbach, Professor Hartmut Janocha, Professor Werner Jüptner, Professor Horst Kunzmann, Professor Wolfgang Laurig, Professorin Daniela Männel, Professor Wolfgang Maßberg, Dr. Niederstadt, Professor Georg Redeker, Professor Scholz-Reiter, Professorin Luise Schorn-Schütte,

5 VI Vorwort Professor Günther Seliger, Professor Dieter Spath, Professor Albert Weckenmann, Professor Klaus Weinert und Professor Engelbert Westkämper. Abschließend möchten wir dem gesamten Forscherteam, d.h. den Professoren und Mitarbeitern der beteiligten Forschungseinrichtungen, für die über den gesamten Förderzeitraum realisierte exzellente Arbeit, das große Engagement und die hochkarätige wissenschaftliche Zusammenarbeit danken. Besondere Anerkennung gebührt den Erstellen dieses Buches, die es ermöglicht haben, die im Rahmen des Sonderforschungsbereichs gesammelten Ergebnisse verständlich und kompakt aufzubereiten. Der Springer-Verlag hat sich freundlicherweise bereiterklärt, die im Rahmen des SFB 368 mit großer Praxisrelevanz und Qualität erarbeiteten Forschungsergebnisse in der renommierten VDI-Reihe zu verlegen. Aachen, im September 2005 Tilo Pfeifer Robert Schmitt

6 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...VII Autorenverzeichnis... XI Abkürzungsverzeichnis... XVII 1 Autonome Produktionszellen: Eine Vision für die Produktion im 21. Jahrhundert Definition: Autonomie, Autonome Produktionszelle Autonome Produktion: Ein Weg zur Emanzipation der Produktion Subactum der Produktion Emanzipation der Produktion Autonome Funktionen in der Fertigung Integrations- und Umsetzungskonzepte Arbeitsorganisation und Benutzerunterstützung...17 Literatur Autonomie in der prozessübergreifenden Planung Zentrale und dezentrale Planung Prozessübergreifende Planung durch Multiagentensysteme Aufbau von Multiagentensystemen Die APZ-Multiagentenplattform Nachrichten und Verhandlungen im APZ-Netzwerk APZ-Agententypen Autonomie in der dezentralen Auftragssteuerung Anforderungen an die dezentrale Auftragssteuerung Ebenenmodell der Autonomen Produktionszelle Einteilung der Aufgaben in Module Detaillierung der relevanten Module zur dezentralen Auftragssteuerung Prüfplanung Eingliederung der Prüf- und Messplanung in den Zellenkontext Durchgängige Bereitstellung von Maß- und Toleranzdaten...47 Literatur...52

7 VIII Inhaltsverzeichnis 3 Steuerungsstrukturen für autonome Produktionssysteme Offenes Steuerungssystem für die Autonome Produktionszelle Einleitung OSACA Plattform Steuerung der Autonomen Produktionszelle Benutzungsschnittstelle der Steuerung Perspektiven offener Steuerungsplattformen Feature-orientierte Programmierung APZ Interpreter Feature-orientierte Programmierschnittstelle STEP-NC ISO Werkstattorientiertes Programmiersystem (WOP-Tool) Entwicklung von skalierbaren Logik- und Datenstrukturen für den APZ-Interpreter Prozessabhängige, laufzeitparallele Bahnplanung in der Steuerung Bewertung feature-orientierter Programmierkonzepte Agentenbasierte Fertigungsleittechnik Einleitung Referenzobjektmodell für die Fertigungsleittechnik Projektierbare, agentenbasierte Plattform für die Leittechnik Sensor/Aktor-Netzwerk Einleitung Umfangreiche Integrationsaufgaben Anforderungen an das Steuerungssystem Struktur-offene Steuerung in Hard- und Software SAM als skalierbare und einheitliche Feldbusschnittstelle Zusammenfassung Literatur Autonomes Frässystem Einleitung Technologieplanung, Modellbildung und Optimierung Modellbildung für das Fertigungsverfahren Fräsen Prozessoptimierung Flexible Spann- und Greifsysteme Flexible Spannsysteme für den Fräsprozess Spannen mit niedrigschmelzenden Metallen Flexible Greifsysteme für den Fräsprozess Maschinenintegrierte Werkstückmessung Motivation der integrierten Überwachung Bildverarbeitungsgestützter Überwachungs- und Steuerungsansatz Aufbau der BV-Kette CAD-Abgleich zur Lageerkennung Antastwegüberwachung Automatisierung mit Bildverarbeitung Fazit Störungsmanagement

8 Inhaltsverzeichnis IX Bearbeitungsrandbedingungen Prozessstörungen Sensorik, Signalverarbeitung und -auswertung Prozess- und Störungsidentifikationsmodule Simulierte Ermittlung von Werkzeugbelastungsgrenzen Erweiterte Maschinenfunktionalität Kompensation thermischer Fehler Kompensation statischer Strukturverformung Vermeidung und Dämpfung dynamischer Instabilitäten Automatisierte Werkzeugverschleißmessung Potenzial einer automatisierten Verschleißmessung Messgrößen Aufbau einer automatisierten Messzelle Bildverarbeitungssoftware ToolSpy Einsatzszenarien Fazit Literatur Autonomes Laserschweißsystem Einleitung Autonome Produktionszelle für das Schweißen mit Laserstrahlung Laserstrahlschweißen Autonome Produktionszelle Planung und Simulation Prozessüberwachung Prozessregelung Technologieplanung Motivation Feature Modell Prozessplanung Technologiemodul Technologiemodul als Planungs-Kernel Applikation 1: CAMLas Offline Planungssystem Applikation 2: CORBA Planungsserver Benutzerzentrierte Mensch-Maschine-Interaktion beim Laserstrahlschweißen Analyse und Modellierung der Aufgaben Benutzerzentrierte Simulation Modellbasierte Gestaltung der Benutzungsschnittstelle Intelligente Benutzungsunterstützung Flexible Spann- und Greifsysteme Flexible Spannsysteme für den Laserstrahlschweißprozess Flexible Greifsysteme für den Laserstrahlschweißprozess Sensorik und Aktorik in der Produktion Definitionen Autonomiefunktionen durch erweiterte Sensorik und Aktorik Phasen in der Produktion...305

9 X Inhaltsverzeichnis Arbeitsvorbereitung: Leistungskontrolle und Strahldiagnose Arbeitsvorbereitung und Bearbeitungsphase: Anbindung von peripheren Komponenten des Produktionsumfeldes Bearbeitungsphase: Prozessüberwachung während der Materialbearbeitung Prozessüberwachung im Vorlauf Prozessüberwachung in der Wechselwirkungszone Prozessüberwachung im Nachlauf APZ-Bearbeitungskopf zur gleichzeitigen Beobachtung der drei Zonen mit einer Kamera Sensor-Aktor-Vernetzung Prozess- und Nahtfolgeregelung Problemstellung Prozessregelung Nahtfolgeregelung Literatur Fazit Sachverzeichnis

10 Autorenverzeichnis Abel, Dirk, Prof. Dr.-Ing. (Kapitel 5.7) Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen Steinbachstr. 54, Aachen Beck, Ralf, Dipl.-Ing. (Kapitel 5.7) Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen Steinbachstr. 54, Aachen Böske, Lars, Dipl.-Ing. (Kapitel 5.6) Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstr. 15, Aachen Boldt, Torsten, Dr.-Ing. (Kapitel 4.3, 5.5) Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen Bollig, Alexander, Dr.-Ing. (Kapitel 5.7) Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen Steinbachstr. 54, Aachen Brecher, Christian, Prof. Dr.-Ing. (Kapitel 3.1, 3.2, 3.3, 4.3, 4.6) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Breit, Holger, Dipl.-Ing. (Kapitel 4.6) Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen

11 XII Autorenverzeichnis Deutges, Dominic, Dr.-Ing. (Kapitel 3.4) Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Dietrich, Björn, Dipl.-Ing. (Kapitel 2.4, 4.4) Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Esser, Martin, Dipl.-Ing. Dipl.-Kfm. (Kapitel 4.6) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Eversheim, Walter, Prof. em. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Dr. h. c. mult. (Kapitel 1.2, 2.1, 2.2, 2.3) Lehrstuhl für Produktionssystematik, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Gauchel, Wolfgang, Dipl.-Ing. (Kapitel 4.3, 5.5) Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen Hermes, René, Dipl.-Ing. (Kapitel 1.1, 1.3, 1.4, 3.4, 4.7, 6) Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Hirsch, Peter, Dipl.-Ing. (Kapitel 4.6) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Hork, Martin, Dipl.-Ing. (Kapitel 4.3) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen

12 Autorenverzeichnis XIII Kaierle, Stefan, Dr.-Ing. (Kapitel 5.1, 5.2, 5.3, 5.6) Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstr. 15, Aachen Kittel, Jochen, Dipl.-Ing. (Kapitel 5.3) Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstr. 15, Aachen Klocke, Fritz, Prof. Dr.-Ing. (Kapitel 4.1, 4.2, 4.5) Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Kohmäscher, Torsten, Dipl.-Ing. (Kapitel 4.6) Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen Kreutz, Ernst-Wolfgang, Dr. rer.nat. (Kapitel 5.1, 5.2, 5.3, 5.6) Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstr. 15, Aachen Künzer, Alexander, Dr.-Ing. Dipl.-Inform. (Kapitel 1.5, 5.4) Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen Bergdriesch 27, Aachen Lescher, Marco, M. Eng. (Kapitel 3.1) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Luczak, Holger, Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. (Kapitel 1.5, 5.4) Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen Bergdriesch 27, Aachen

13 XIV Autorenverzeichnis Mann, Stefan, Dipl.-Ing. (Kapitel 5.1, 5.2) Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstr. 15, Aachen Murrenhoff, Hubertus, Prof. Dr.-Ing. (Kapitel 4.3, 4.6, 5.5) Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen Nad, Thomas, Dipl.-Wirt. Ing. (Kapitel 1.2, 2.1, 2.3) Lehrstuhl für Produktionssystematik, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Oehme, Olaf, Dr.-Ing. (Kapitel 1.5) Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen Bergdriesch 27, Aachen Ortmann, Jürgen, Dipl.-Ing. (Kapitel 5.6) Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstr. 15, Aachen Pfeifer, Tilo, Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c.mult. Prof. h.c. (Kapitel 1.1, 1.3, 1.4, 2.4, 3.4, 4.4, 4.7, 6) Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Poprawe, Reinhart, Prof. Dr. rer.nat. (Kapitel 5.1, 5.2, 5.3, 5.6) Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstr. 15, Aachen Possel-Dölken, Frank, Dipl.-Ing. (Kapitel 3.3) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen

14 Autorenverzeichnis XV Regaard, Boris, Dipl.-Ing. (Kapitel 5.6) Lehrstuhl für Lasertechnik Steinbachstr. 15, Aachen Ripp, Stephan, Dipl.-Ing. (Kapitel 2.2) Lehrstuhl für Produktionssystematik, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Schlick, Christopher, Prof. Dr.-Ing. (Kapitel 1.5, 5.4) Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen Bergdriesch 27, Aachen Schmidt, Ludger, Dr.-Ing. (Kapitel 1.5, 5.4) Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen Bergdriesch 27, Aachen Schmitt, Robert, Prof. Dr.-Ing. (Kapitel 1.1, 1.3, 1.4, 2.4, 3.4, 4.4, 4.7, 6) Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Schuh, Günther, Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. (Kapitel 1.2, 2.1, 2.2, 2.3) Lehrstuhl für Produktionssystematik, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Stegen, Axel, Dipl.-Ing. (Kapitel 4.2) Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Veselovac, Drazen, Dipl.-Ing. (Kapitel 4.1, 4.5) Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen

15 XVI Autorenverzeichnis Vitr, Mirco, Dipl.-Ing. (Kapitel 3.2) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Voss, Markus, Dipl.-Inform. (Kapitel 3.1) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen Weck, Manfred, Prof. em. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. (Kapitel 3.1, 3.2, 3.3, 4.3, 4.6) Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen

16 Abkürzungsverzeichnis 2D zweidimensional 3D dreidimensional A Antastpunkt A(q -1 ) Polynom der linken Seite einer Differenzengleichung A/D Analog/Digital (Wandler) AC Axis Control ACTIVE-UI Autonomous Production Cells Mutimodal and Adaptive User Interface AE Acoustic Emission AO Architecture Object APC Approximate Predictive Control API Application Programming Interface APZ Autonome Produktionszelle(n) ARX Auto-Regressive with Exogeneous Input ASS Application Services System A VB mm² Freiflächenverschleißfläche B(q -1 ) Polynom der rechten Seite einer Differenzengleichung BGE Basisgeometrieelement(e) BV Bildverarbeitung C(q -1 ) Polynom des Störsignals CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CAN Controller Area Network CBN kubisches Bornitrid CCD Charge Coupled Device CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CORBA Common Object Request Broker Architecture CPC Coaxial Process Control CPN Coloured Petri-Nets C T m/min normierte Schnittgeschwindigkeit C v min normierte Standzeit ˆD Prädizierter Verlauf der zukünftigen Einschweißtiefe DCOM Distributed Component Object Model DMS Dehnungsmessstreifen EDV elektronische Datenverarbeitung

17 XVIII Abkürzungsverzeichnis ES-KP Ersatzsystem der Kraftmessplattform ES-SL Ersatzsystem des Slim-Line Sensor EU Europäische Union F c N Schnittkraft F c,gem N Gemessene Schnittkraft F ci N Schnittkraft Schneide i F cn N Schnittnormalkraft F cni N Schnittnormalkraft Schneide i F cnx N Schnittnormalkraft x-anteil F cny N Schnittnormalkraft y-anteil F cx N Schnittkraft x-anteil F cy N Schnittkraft y-anteil FEM Finit Element Methode FFS Flexibles Fertigungssystem FFT Fast Fourier Transformation FFZ Flexible Fertigungszelle FU Functional Unit F x N Zerspankraft in x-richtung F y N Zerspankraft in y-richtung F z N Zerspankraft in z-richtung GEMS Generic Error Modelling System g K, s K Koordinatensysteme g O, s O Koordinatenursprünge GPC Generalized Predictive Control G v (q -1 ) Vorfilter HEDOMS Human Error and Disturbance Occurrence in Manufacturing Systems HSC High Speed Cutting HSK Hohlschaftkegel HSS Hochleistungsschnellarbeitsstahl HÜMNOS Entwicklung herstellerübergreifender Module für den nutzerorientierten Einsatz offener Steuerungssysteme I Gemessene Intensität IDL Interface Definition Language IIPM Iterative Inverse Perspective Matching IPC Industrie PC ISO International Standards Organisation J Zu minimierendes Funktional des MPR KAZ Kollisionsfreie Antast-Zyklen KL mm Kolklippenbreite K ML zeitbezogene Platzkosten KNN Künstliche(s) Neuronale(s) Netz(e) KT mm Kolktiefe K WT Werkzeugkosten je Standzeit L mm Abstand zwischen zwei Sollbahnpunkten

18 Abkürzungsverzeichnis XIX L Anzahl der Schnitte LED Light-Emitting Diode Integriertes analytisches Teilmodell des KNN MBZ Maschinenbezugspunkt MC Motion Control MCAO Master Configuration Architecture Object MCM Motion Control Manager M DP Masse der Deckplatte MKS Maschinenkoordinatensystem M M Masse Meißel mit Anlageplatte MMI Mensch-Maschine-Interaktion MPR Modellgestützte Prädiktive Regelung M SE/2 Masse der oberen Hälfte des Sensors M SL Masse Slim-Line Sensor M SZ Masse Zwischenlagenscheibe, Befestigungsschraube und Schneide MTS Message Transport System MVC Model-View-Controller M z Nm Drehmoment um z-achse N 1 Unterer Prädiktionshorizont N 2 Oberer Prädiktionshorizont NC Numerical Control / Numerische Steuerung N u Stellhorizont OCEAN Open Controller Enabled by an Advanced Real- Time Network OMG Object Management Group OSACA Open System Architecture for Controls within Automation Systems PC Personal Computer PDM Produkt-Daten-Modell PKD polykristalliner Diamant P n Werkzeug-Schneidennormalebene POSIX Portable Operating System Interface for Unix P r Werkzeug-Bezugsebene P VB Verschleißebene R Transformationsmatrix RC Robot Control RCD Rotierender Schnittkraftdynanometer RFID Radio Frequency Identification Transponder ROI Region of Interest RT-CORBA Real-Time CORBA R th mm theoretische Rautiefe RWTH Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule S Vorsegmentiertes Bild SAM Sensor/Aktor-Modul Segmentiertes Binärbild S B

19 XX Abkürzungsverzeichnis SC Spindle Control SCAO Slave Configuration Architecture Object SFB Sonderforschungsbereich SK Steilkegel SPS Speicherprogrammierbare Steuerung STEP Standard for the Exchange of Product Model Data SV mm Schneidkantenversatz in Richtung Freifläche SV mm Schneidkantenversatz in Richtung Spanfläche T min Standzeit TCP Tool Center Point TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TP Teilprojekt des SFB368 T S s Abtastzeit U Zu optimierende zukünftige Stellgrößen bzw. Stellgrößenänderungen VB mm Verschleißmarkenbreite VB 1 mm Verschleißmarkenbreite zum Zeitpunkt 1 VB max mm maximale Verschleißmarkenbreite VDW Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken VK Verschleißkriterium VME Versa Module Europa Ŵ Prädizierter Verlauf der zukünftigen Nahtbreite WOP Werkstattorientierte Programmierung WWW World Wide Web X Überfahrpunkt X A Koordinate des Geradenabschnittanfangs X E Koordinate des Geradenabschnittendes XML extended Markup Language Ŷ Prädizierter Verlauf der zukünftigen Ausgangsgrößen Z Zwischenpunkt 1-m c N/mm² Anstiegswert Schnittkraft 1-m cn N/mm² Anstiegswert Schnittnormalkraft a p mm Schnitttiefe b mm Spanungsbreite b j Schwellwert eines Neurons des KNN Schwellwertparameter c D c i N/m Federsteifigkeit (Index i) d d mm Einschweißtiefe e Modelloffset f z mm Zahnvorschub h mm Spanungsdicke Orthogonaler Abstand zwischen Modelleckpunkt und Projektionsstrahl

20 Abkürzungsverzeichnis XXI K Polytropenexponent der Standzeit k c N/mm² spezifischer Schnittkraftkoeffizient k c,n N/mm² spezifischer Schnittnormalkraftkoeffizient k c1.1 N/mm² normierter spezifischer Schnittkraftkoeffizient k i kg s -1 Dämpfungskonstante (Index i) k z N/mm² spezifische Zerspankraft k z1.1 N/mm² normierte spezifische Zerspankraft m c Polytropenexponent der Schnittkraft m cn Polytropenexponent der Schnittnormalkraft m i Geradenabschnitt eines korrigierten Sollbahnpunktes m z Polytropenexponent der Zerspankraft N 1/min Drehzahl n a Anzahl an verzögerten Ausgängen des Regressors n b Anzahl an verzögerten Eingängen des Regressors n s Schnittpunktzahl P kw Laserleistung P bar Druck r mm Allgemeiner Abstandsvektor r wz mm Werkzeugradius S Bildpixel S Pixel des segmentierten Binärbilds s B Pixel der segmentierten Binärmaske s f mm Vorschubweg s R Referenzbildpixel T bzw. t w min Zeit t z rad Zahnteilungsbogen U Allgemeines Eingangssignal V bzw. v f m/min Vorschubgeschwindigkeit V 15VK m/min Viertelstundenschnittgeschwindigkeit v c m/min Schnittgeschwindigkeit v ok m/min kostenoptimale Schnittgeschwindigkeit v ot m/min fertigungszeitoptimale Schnittgeschwindigkeit W mm Nahtbreite w ij Wichtung eines Neurons des KNN W /l µm linearer Verschleißbetrag der Freifläche W /v µm³ volumetrischer Verschleißbetrag der Freifläche W /v1 µm volumetrischer Verschleißbetrag der Freifläche zum Zeitpunkt 1 w v µm³/min Verlustvolumenstrom w / µm³/min Verlustvolumenstrom der Freifläche zum Zeitpunkt 1 v1 X Allgemeines Signal, Variable y Allgemeines Ausgangssignal z Anzahl der Zähne

21 XXII Abkürzungsverzeichnis z mm Fokuslage Freie Modellantwort Matrix der Sprungantwortkoeffizienten Grad Freiwinkel n Grad Werkzeug-Normalfreiwinkel R mm Schneidenfehlstellung Regressor des KNN n Grad Werkzeug-Normalspanwinkel Grad Rotationswinkel aus Grad Austrittswinkel Schneide ein Grad Eintrittswinkel Schneide Grad Eingriffswinkel Schneide i r Grad Werkzeug-Einstellwinkel Gewichtung der Stellgrößenänderung Grad Stellungswinkel Störsignal, weißes Rauschen

22 1 Autonome Produktionszellen: Eine Vision für die Produktion im 21. Jahrhundert 1.1 Definition: Autonomie, Autonome Produktionszelle In den rohstoffarmen und hoch industrialisierten Ländern Zentraleuropas, insbesondere in Deutschland, nehmen traditionsgemäß die Entwicklung, Herstellung, der Betrieb und der weltweite Export von Produktionseinrichtungen einen hohen Anteil am Volkseinkommen ein [1, 2]. Individuelle Kundenorientierung, kurze Time-to-Market-Intervalle und vor allem technische Innovationen sind dabei die wesentlichen Vorteile des Standorts Deutschland, die es zu bewahren und auszubauen gilt. Daher ist es notwendig, den sich ändernden Marktanforderungen rechtzeitig zu entsprechen und die Innovationsfähigkeit der deutschen Industrie gezielt weiter zu erhöhen [3]. Die Situation der Produktions- und Fertigungstechnik ist zunehmend gekennzeichnet durch steigende Anforderungen an die Individualität, Funktionalität und Qualität der Produkte und nicht zuletzt auch an die Zeitverkürzung der Produktentstehungsprozesse. Diese Anforderungen bedingen wiederum zunehmend komplexere und mit hoher Präzision ablaufende Produktionsprozesse, die aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen zwangsläufig einen hohen Automatisierungsgrad sowie eine hohe Störungstoleranz aufweisen müssen. Ebenso bedarf der Produktionsprozess eines hohen Grades an Flexibilität, damit Kundenwünsche möglichst wirtschaftlich, umfassend und schnell befriedigt werden können [4, 5]. Der Aspekt der Flexibilität muss an dieser Stelle besondere Berücksichtigung finden. Wie sich in der Vergangenheit vermehrt gezeigt hat, ist eine Hochautomatisierung ohne jegliche Berücksichtigung einer ausreichenden Flexibilität keine Lösung zur Reaktion auf die geänderten Produktionsrahmenbedingungen. Ein frühes Beispiel für eine inflexible Hochautomatisierung war die Halle 54 von Volkswagen in Wolfsburg. Durch die Komplexität, welche durch die Automatisierung induziert wurde, wurde das Gesamtsystem extrem inflexibel. Auf diese Weise wurde der kalkulierte wirtschaftliche Vorteil durch Stillstandszeiten, hohen technischen Supportaufwand, aufwändige Umbaumaßnahmen für neue Varianten sowie durch die benötigten Ersatzkapazitäten rasch wieder zunichte gemacht [6]. Zusätzlich wird die Notwendigkeit der Flexibilität einer Produktionsanlage auch durch eine vom Fraunhofer Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung (ISI) durchgeführte Studie belegt (Abb. 1.1). In dieser Studie stellte sich heraus, dass eine der Hauptursachen für die Unzufriedenheit mit in der Vergangenheit getätigten Automatisierungsinvestitionen in der Inflexibilität dieser Anla-

23 2 1 Autonome Produktionszellen: Eine Vision für die Produktion im 21. Jahrhundert gen in Bezug auf die sich wandelnden Marktverhältnisse liegt. So gaben 57% der befragten Firmen an, dass sie eine größere Flexibilität gegenüber Kapazitätsschwankungen benötigen, welche durch eine reine Hochautomatisierung nicht gewährleistet werden kann. Die Notwendigkeit einer größeren Produktflexibilität verdeutlichten 39% der Betriebe. Fast zwei Drittel der Unternehmen führten an, dass die derzeit immer kleiner werdenden Seriengrößen mit hoch automatisierten Anlagen nicht mehr wirtschaftlich gefertigt werden können. Des weiteren berichteten 38% der befragten Firmen aus eigenen Erfahrungen, dass mit zunehmender Automatisierungstiefe nicht nur die Flexibilität der Produktionsanlage sinkt, sondern auch die Anzahl der Prozessstörungen steigt. Hierdurch kommt es zu einer Beeinträchtigung der Qualität von Produktions- und Prozessabläufen und somit auch der Produktqualität. Die Beseitigung derartiger Prozessstörungen erfordert jedoch zum Teil sehr zeitintensive Eingriffe durch Fachpersonal, das zudem den steigenden Anforderungen durch die zunehmende Komplexität der Bearbeitungsabläufe gerecht werden muss. Um dennoch im produzierenden Gewerbe weiter erfolgreich zu sein, muss es das Ziel der Produktionstechnik sein, weg zu kommen von starr automatisierten Systemen für die Massenfertigung und hin zu flexibel, schnell und intelligent arbeitenden Produktionssystemen zu gelangen. Wesentliche Fortschritte bei der Bewältigung dieser Produktionsaufgaben lassen sich nur erzielen, wenn das Produktionssystem als autonome Einheit die einzelnen Arbeitsschritte im Idealfall lückenlos vom Rohteil bis zum Fertigteil selbstständig und insbesondere störungstolerant ausführt. Zudem muss der Anwender im Produktionsprozess von der Planung bis zur Umsetzung des fertigen Produktes wirkungsvoller unterstützt werden. In diesem Zusammenhang wird Autonomie in dreifacher Hinsicht verstanden (Abb. 1.2): schrumpfende Seriengröße 65% größere Kapazitätsflexibilität geringere Investitionen größere Produktflexibilität bessere Nutzung der Qualifikationen höhere Verfügbarkeit niedrigere Fertigungskosten bessere Organisationskompatibilität kürzere Produktlebenszyklen 14% 18% 25% 41% 39% 38% 38% 57% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% Quelle: Fraunhofer-ISI, 1999 Abb Gründe für die Reduzierung einer Hochautomatisierung [6]

24 1.1 Definition: Autonomie, Autonome Produktionszelle 3 F JE EA H JA 7 JA H I J J K A I * A K J A H I. =? D = H > A EJA H C A H A? D JA. A H, = HI JA K C 2 H A I I JH = I F = H A 5 EC A JH A - J = I JK C L 4 K JE A = K BC = > A 7 JA HI J J K C > A E HA = JEL A ) K BC = > A 1 JA C H = JE L 6 A E BK JE = EJ JA = D A K L I EC A 7 I A J K A H. A HJEC K C I = K BC = > A A H A A E 1@ A = B= L 4 D JA E > EI K. A HJEC JA K H? D 5 A > I EC A 2 = K C 5 A > I EC A 5 J H K C I > A D K C. A N E> A E JA C HEA HJA 0 D = > K C I JA? D E / A EA JA * A K J A H B D H K C 5 J H K C I J A H = 5 A > I EC A - H A K C L. A D A H K I A 5 A > I EC A 4 A = JE = K B. A D A H K I A - JI? D A E@ K C I F A JA L H A H) 2 0 D A HA 5 J H I E? D A H D A EJ= K? D > A E F A N A * A = H> A EJK C I B C A 0 D A HA / A = K EC A EJ@ A H* A = H> A EJK K H? D D D A HA 2 H A I I = I? D E A B D EC A EJ Abb Teilaspekte der Autonomie Autonomie durch die verstärkte Integration von Teilfunktionalitäten. Die Produktionsanlage erhält einen erweiterten Funktionsumfang und kann somit eine erweiterte Palette von Fertigungsschritten vornehmen. Zu diesen erweiterten Funktionen zählen Dienste zur Prozessplanung, -überwachung und -regelung, wie beispielsweise die Ermittlung von thermischen Verformungen oder das Messen des Prozessergebnisses auf der Maschine. Autonomie durch Störungstoleranz. Die Produktionsanlage erhält Funktionalitäten, die sie befähigen, selbstständig auf Störungen zu reagieren. In heutigen Produktionszellen erfordern Parameterschwankungen und dadurch bedingte Prozessstörungen oft sehr zeitintensive und mit hohem Fehlerpotenzial behaftete Eingriffe zur Störungsbehebung. Es ist somit zweckmäßig, die Zahl der nötigen Benutzereingriffe zur Störungsbeseitigung weitgehend zu minimieren. Autonomie für den Benutzer durch optimierte Unterstützung. Die Produktionsanlage stellt dem Maschinenbenutzer vielfältige Funktionen in facharbeitergerechter Form zur Verfügung. Prozess- und Maschinenzustand sind immer transparent und ein Eingriff in den Fertigungsablauf und die Planung der nächsten Bearbeitungsschritte ist jeder Zeit möglich. Der Maschinenbenutzer wird somit von Routineaufgaben entlastet und kann mit erhöhter Aufmerksamkeit Planungs- und Überwachungsaufgaben nachgehen. Zusammenfassend wird unter Autonomie eines Produktionssystems die Fähigkeit verstanden, komplexe Bearbeitungsprozesse mit einem maximalen Grad an Selbstständigkeit über einen längeren Zeitraum zuverlässig und störungsfrei durchzuführen. Die dabei von einer Autonomen Produktionszelle (APZ) übernommenen Aufgaben erstrecken sich auf die Bereiche Planung, Steuerung, Benutzungsschnittstelle, Greif- und Spanntechnik sowie das prozessnahe Störungsmanagement.

25 4 1 Autonome Produktionszellen: Eine Vision für die Produktion im 21. Jahrhundert Durch die Forderung nach einem maximalen Grad an Selbstständigkeit ist eine verstärkte Einbeziehung des Benutzers notwendig. Aus diesem Grunde wird die Grenze der Autonomen Produktionszelle um Benutzer und Maschine gezogen. Somit definiert sich die Autonome Produktionszelle anhand der folgenden Leistungsmerkmale: Produktionsanlage, die aufgrund wesentlich erweiterter Funktionalität und Leistungsfähigkeit komplexe Bearbeitungsfolgen weitestgehend selbstständig und mit hoher Störsicherheit durchführen kann. Die wesentlichen Erweiterungen in der Funktionalität und Leistungsfähigkeit der Produktionsanlage werden durch die Vereinigung von Planungs-, Bearbeitungs- und Überwachungsfunktionen unmittelbar an der Bearbeitungsanlage erzielt. Der Benutzer der Produktionsanlage verfügt vor Ort über im Idealfall alle Funktionen zur Umsetzung und Kontrolle der Fertigungsaufgabe in einer facharbeitergerechten Form. Benutzer und Produktionsanlage bilden als Autonome Produktionszelle eine mit hoher Selbstständigkeit operierende Einheit innerhalb der betrieblichen Organisationsstruktur. Die im Rahmen dieses Buches dargestellten Lösungsansätze zur Autonomie von Fertigungsanlagen basieren auf den Forschungsergebnissen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 368 Autonome Produktionszellen, der in interdisziplinären Teams an der RWTH Aachen bearbeitet und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wurde. Ziel aller Ansätze ist es, ein Höchstmaß an Funktionalität, Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit zu schaffen. Autonome Produktionszellen heben sich somit von heutigen Fertigungssystemen durch die gleichzeitige Optimierung der Zielgrößen Produktivität und Flexibilität ab (Abb. 1.3). Dieses wird durch den Aufbau aus ihrerseits wieder autonomen Subsystemen gewährleistet [7, 8]. Die potenziellen Einsatzgebiete Autonomer Produktionszellen stellen sowohl klein- und mittelständische Unternehmen dar, bei denen Teile kleiner bis mittlerer Stückzahl und hoher Typenvielfalt gefertigt werden (Ein-Maschinen-Konzept), als auch autonome Produktionseinheiten innerhalb größerer Fabrikstrukturen, die aus mehreren Autonomen Produktionszellen (Mehr-Maschinen-Konzept) bestehen. Als Bearbeitungsprozesse für die im Rahmen des SFB entwickelten Autonomen Produktionszellen wurden die Fräsbearbeitung und das Laserstahlschweißen exemplarisch ausgewählt, da sie von hoher industrieller Relevanz sind und zum anderen komplexere Mechanismen zur Prozessbeherrschung erfordern. Auf diese beiden Bearbeitungsverfahren und die damit verbundenen Lösungsansätze zur Autonomie wird im Rahmen dieses Buches detailliert eingegangen.

26 1.2 Autonome Produktion: Ein Weg zur Emanzipation der Produktion 5 Produktivität Starre Mehrmaschinensysteme Einzweckmaschine Transferstraße Umrüstbare Einzweckmaschine Flexible Mehrmaschinensysteme Autonome Produktionszelle Flexible Fertigungszelle Ein- Maschinen- Konzept Mehr- Maschinen- Konzept Einzelmaschinen Umrüstbare/ flexible Transferstraße Flexibles Fertigungssystem Bearbeitungszentrum NC- Maschine Universalmaschine Flexibilität Abb Einordnung einer APZ nach Flexibilität und Produktivität [nach 9] 1.2 Autonome Produktion: Ein Weg zur Emanzipation der Produktion Ausgehend von der erfolgreichen Einführung des Toyota Production Systems (TPS) setzen verschiedenste Produktionssystem-Konzepte auch in Deutschland ihren Siegeszug fort. Insbesondere Großunternehmen versuchen mittels ihrer Konzepte, z.b. Mercedes-Benz-Produktionssystem (MPS), Bosch Production System (BPS) oder SYNCHRO bei Trumpf, durch eine ganzheitliche Betrachtung der Anforderungen, eine möglichst effiziente und flexible Produktionseinheit zu schaffen. Bei systemtheoretischer Betrachtung lässt sich das Produktionssystem als ein Subsystem des gesamten Unternehmens definieren. Hierbei agiert das Subsystem Produktion allerdings nicht völlig isoliert, sondern steht in ständiger Interaktion mit anderen Subsystemen des Unternehmens bzw. mit seiner Umwelt (Abb. 1.4). Spätestens seit dem Zeitpunkt der Industrialisierung steht das Produktionssystem in gleichzeitiger Interaktion mit all diesen Subsystemen und muss den unterschiedlichen Anspruchnehmern gerecht werden. Auch wenn das Produktionssystem schon damals konkurrierenden Zielansprüchen ausgesetzt war, z.b. den gewünschten Output für das Absatzsystem zu geringsten Kosten für das Finanzsystem zu generieren, hatte das Produktionssystem zum damaligen Zeitpunkt eine deutlich exponiertere Stellung innerhalb des Unternehmens und auf dem Markt. Beispielsweise hatte sich der Absatzmarkt, vertreten durch die Kunden, nach den produzierten Waren zu richten, wie das berühmte Zitat von Henry Ford Sie können einen Wagen in jeder Farbe haben, solange er schwarz ist belegt.

27 6 1 Autonome Produktionszellen: Eine Vision für die Produktion im 21. Jahrhundert Personalsystem Personalwesen Arbeitsorganisation Absatzsystem Kundenzufriedenheit Kundenanforderungen Beschaffungssystem Bestände Qualität Technologiesystem Verfahren Automatisierung Produktionssystem Rechtssystem Mitbestimmung Haftung Umweltsystem Schadstoffe Energie Finanzsystem Wirtschaftlichkeit Liquidität Abb Das Produktionssystem als Subsystem [10] Subactum der Produktion Aufgrund sozialer, politischer, rechtlicher, technologischer, ökonomischer und ökologischer Änderungen stellt sich sowohl das Umfeld als auch die Anspruchssituation der Subsysteme heutzutage völlig anders dar. Diese Änderungen hatten weitreichende Auswirkungen auf die Position des Produktionssystems innerhalb der Unternehmung. Heute fordert der Markt, bzw. fordern die Kunden, qualitativ hochwertigste Produkte, die individuell auf die Bedürfnisse des Einzelnen abgestimmt (Customiziation) und kurzfristig verfügbar sein müssen. Gleichzeitig verlangt der Absatzmarkt, basierend auf der hohen Transparenz der Märkte, einen konkurrenzlos günstigen Preis. Diese Anforderungen sind mit bisherigen Modellen und Theorien nicht vereinbar. Die Ansätze des Taylorismus [11] beispielsweise ermöglichen zwar eine Produktion zu wettbewerbsfähigen Preisen, kommen allerdings der Anforderung nach Individualität, Einzigartigkeit und ständigen Nachfrageschwankungen nicht nach. Auch das Modell von Porter gerät zunehmend in eine Zwickmühle : Die lange Zeit gültigen Erfolgsstrategien der Kostenführerschaft einerseits oder der Differenzierungsstrategie andererseits werden heutzutage gleichzeitig gefordert. Der Grund für diese Verschiebung liegt u.a. in der zunehmend globalen Ausrichtung der Unternehmen. Die Nutzung von Wettbewerbsvorteilen in unterschiedlichen Ländern ermöglicht die Aufhebung der bisher bestehenden Dichotomie. Das Know-how und die Technologien in den hoch entwickelten Industriestaaten führen zu neuartigen Entwicklungen und Produkt- Markt-Innovationen. Die günstigen Produktionsbedingungen in Entwicklungsund Schwellenländern führen zur kostengünstigen Produktion dieser Produkte. Für deutsche Unternehmen stellt sich daher seit Jahren die Frage, wie sich eine Produktion in Deutschland in diesem Spannungsfeld behaupten kann. Konkreter: Wie kann die Produktion den konfliktären Forderungen der verschiedenen Anspruch-

28 1.2 Autonome Produktion: Ein Weg zur Emanzipation der Produktion 7 nehmer gerecht werden und sich gleichzeitig aus dem Würgegriff befreien? Wie gelingt eine Emanzipation der Produktion? Emanzipation der Produktion In den folgenden Ausführungen wird anhand ausgewählter Aspekte aufgezeigt, wie der Einsatz Autonomer Produktionszellen diesem Anspruch an Effizienz und Flexibilität gerecht wird und damit einen Ansatz zur Emanzipation der Produktion bietet. Abbildung 1.5 zeigt wesentliche Elemente, die für eine erfolgreiche Umsetzung der Autonomen Produktionszelle verantwortlich sind. Die interne Effizienz erreicht die APZ durch die Nutzung wirtschaftlicher Hebelwirkungen: Economies of Scale, Scope, Speed und Knowledge auf unterschiedlichen Ebenen des Zellenmanagements. Robuste autonome Ressourcen, Automation und ein durchgängiges Planungssystem ermöglichen die Steigerung der Produktivität über die Leistungsfähigkeit üblicher hierarchischer Produktionssysteme hinaus. Die Economies of Scale erreicht die Autonome Produktionszelle auf der Ebene der Prozesse. Da jede Zelle nur eine begrenzte Anzahl an Prozessen anbietet, ergibt sich beim Betrieb der Zelle eine Spezialisierung und eine Standardisierung der Prozesse, wie erste Anwendungen des Konzeptes der APZ, z.b. im Werkzeugbau, zeigen [13]. Gleichzeitig bildet die Zelle durch die Spezialisierung ein einzigartiges Fähigkeitsprofil aus, mit dem sie sich von anderen Produktionszellen differenzieren kann (Economies of Scope). Interne Effizienz Economies of Scale Spezialisierte Prozesse Standardisierte Auftragsabwicklung Mehrmaschinenbedienung Economies of Scope Individuelles Leistungsangebot Modulare Erweiterbarkeit (Offenheit) Economies of Speed Kurze Plan- und Rüstzeiten Automatisierte, autonome Betriebsmittel (z.b. flexible Spannsysteme) Economies of Knowledge Automatisierung von Routinetätigkeiten Wissensmanagement Feedbackoptimierte Planung Wirtschaftlichkeit bei kleinen Stückzahlen Hohe Wertschöpfung Kurze Durchlaufzeiten Flexibilität Kollaborationsfähigkeit Konfiguration/Rekonfiguration Auftragsabwicklung Zugriff auf Ressourceninformationen Übernahme von Produktdaten (angebotene Prozesse, Kapazitätsdaten) Weitergabe von Mengen- und Zentrale Datenbank Termindaten Austausch von Planungsdaten Abwicklung von dispositiven Aufgaben Offene Standards, z.b. OSACA, STEP-NC, http, Featuretechnologie Geringe Transaktionskosten Schnelle (Re)Konfiguration Individuelle Produktionsnetze Abb Interne Effizienz und Kollaborationsfähigkeit als Erfolgsfaktoren [12]

29 8 1 Autonome Produktionszellen: Eine Vision für die Produktion im 21. Jahrhundert Die erforderliche Geschwindigkeit (Economies of Speed) in der Abwicklung der Aufträge erreicht die APZ durch das Konzept der maschinennahen Planung. Dabei wird erst kurz vor Beginn des Fertigungslaufes mit der Planung der Prozesse begonnen, so dass die Verfügbarkeit der Ressourcen berücksichtigt werden kann. Die geringe Validität der Planungsergebnisse bei herkömmlicher Planung, die weiter im Vorfeld der Produktion stattfindet, wird hierdurch vermieden. Die erforderliche Anpassung der Planungsergebnisse entfällt. Gleichzeitig unterstützt das APZ-Planungssystem den Werker systematisch. Es entbindet ihn von Routinetätigkeiten, wie beispielsweise der Kalkulation von Bearbeitungszeiten, der Bahnplanung oder der NC-Programm-Erstellung. Vielmehr arbeitet der Werker gezielt wertschöpfend auf der Grundlage seines Erfahrungswissens, indem er, neben der Abwicklung der Aufträge, Entscheidungsstrategien entwirft, wie z.b. durch Konfiguration von Entscheidungstabellen oder Optimierungsalgorithmen des Planungssystems [14]. Im Zusammenspiel mit den für die APZ entwickelten flexiblen Rüstsystemen lassen sich so die indirekten Tätigkeiten minimieren und auch sehr geringe Stückzahlen noch wirtschaftlich herstellen. Nicht zuletzt wegen der Fokussierung auf den Bediener der Autonomen Produktionszelle nimmt das Wissensmanagement (Economies of Knowledge) eine zentrale Rolle innerhalb des Zellen-Managements ein. Zur Unterstützung des Lernens erfolgt das Wissensmanagement auf mehreren Ebenen durch systematisierte Feedbackschleifen, z.b. zur Dokumentation von Maschinenstörungen, für Prozessplanung bzw. -controlling, zur Optimierung von NC-Programmen sowie zur Auswahl optimaler Bearbeitungsparameter [15]. Insgesamt können so vielfältige Lernprozesse unterstützt und zur Steigerung der Effizienz genutzt werden. Die Gestaltung lokaler Einzeloptima einer jeden Produktionszelle reicht jedoch nicht aus, um den Anforderungen der komplexen Produkte und insbesondere den Ansprüchen des Marktes gerecht zu werden. Erst eine effiziente, flexible und dynamische Konfiguration der einzelnen Zellen zu einem optimalen Gesamtsystem sichert den Erfolg. Das Ziel besteht darin, durch eine entsprechende Kollaborationsfähigkeit die schnelle Konfiguration zu Produktionsnetzwerken sowie eine möglichst reibungslose Abwicklung der Fertigung über die Zellen hinweg sicherzustellen. In der Konfigurationsphase gilt es zunächst einen Abgleich zwischen dem herzustellenden Produkt und den angebotenen Funktionen bzw. Dienstleistung der Autonomen Produktionszellen vorzunehmen. Aus technischer Sicht sind dazu zunächst Informationen über die Art und die Kapazität der angebotenen Ressourcen erforderlich, bevor in einem zweiten Schritt über den Zusammenschluss verhandelt werden kann. Kollaborationsfähigkeit in der Abwicklungsphase stellt daher Anforderungen an den Austausch von Produktdaten als Ausgangspunkt für die Planung und an den Austausch von Planungsdaten, wie z.b. Termine und Menge, NC-Programme oder Kapazitätsdaten zur Koordination der Leistungserstellung. Ein bewährter Ansatz zur Umsetzung der Kollaborationsfähigkeit ist die Nutzung allgemeiner und offener Standards. Auch in der Entwicklung der APZ spielen derartige Standards eine wesentliche Rolle. Auf der technischen Ebene sind beispielsweise der OSACA-Standard (Open System Architecture for Controls within Automation Systems) oder STEP-NC (Standard for Exchange of Product Model Data) zu nennen. Eine neue Initiative (OpenFactory) ermöglicht darüber

30 1.3 Autonome Funktionen in der Fertigung 9 hinaus auch die standardisierte Kommunikation im Bereich der Auftragsabwicklung. Die vorgestellten Elemente zeigen, wie das Konzept der APZ dazu beiträgt, die scheinbar konkurrierenden Ziele der Flexibilität und Adaptibilität bei Marktschwankungen, der Effizienz und Kostenführerschaft bei modernsten Produktionseinrichtungen und hochqualifizierten Mitarbeitern zu vereinen. Gelingt es der Produktion, die beschriebenen Elemente Autonomer Produktionszellen umzusetzen, kann sich nicht nur der Standort Deutschland gegenüber Produktionsstandorten mit geringeren Lohnkosten behaupten, sondern auch den Anspruchnehmern, insbesondere den Kundenwünschen, gerecht werden. Eine Emanzipation, sprich die Befreiung aus dem Zustand der Abhängigkeit, rückt damit in greifbare Nähe. 1.3 Autonome Funktionen in der Fertigung Wie bereits in Abschn. 1.1 erläutert, erstrecken sich die von einer Autonomen Produktionszelle übernommenen Aufgaben auf die Bereiche Planung, Steuerung, Benutzungsschnittstelle, Greif- und Spanntechnik und das prozessnahe Störungsmanagement. Um den angestrebten hohen Grad an Selbstständigkeit zu erreichen, muss eine Autonome Produktionszelle gegenüber heutigen Fertigungseinrichtungen folgende erweiterte Funktionen in der Fertigung aufweisen, welche sich detailliert anhand der funktionalen Abfolge von der Planung bis hin zum Produktionsprozess veranschaulichen lassen (Abb. 1.6). + ),, = JA ) K BJH = C = JA 4 D JA E A 0 = > A K C A ) K J A 2 K JE I A A. A H JEC JA E A 2 = K C 5 JA K A H K C * A K J K C I I? D EJJI JA A / H A EB 5 F = JA? D E 5 J H K C I = = C A A J 5 A I H A A I I I O I JA A,, Abb Autonome Produktionszelle: Vom Rohteil bis zum Fertigteil