Industrie 4.0: Grundlagen und Anwendungen Die Praxis von Industrie 2025
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
Technologietreiber: Internet, Cyber Physische Systeme (CPS) Bauernhansl et al: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik, Springer 2014 3
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
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
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
Produkt Industrie 4.0 Wartung/Überwachung Fertigung Industrie 4.0 Robotergestützte Schleiftechnik SHL 7
Schleiftechnik: Stand der Technik Rohling, innen bearbeitet 1. Grobschleifen Programm enthält rund 1 500 bis 2 000 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
Automation Kontaktrollenbandschleifen Prinzipieller Aufbau Schleifmaschine Schleifband Kontaktscheibe Luftdruckzylinder Armatur- Gussrohling Industrieroboter 6 Achsen (30kg Traglast) elastisches Laufpolster Bahnplanung 9
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
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
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
Digitales Modell CPS: Schleifstrategie Einrichten des Schleifprozesses einer Formneuheit einer Armatur digitalisieren Klassifikation der verschiedenen Schleifflächen und ihrer Geometrien Automatisierter Einrichtprozess am Bildschrim 13
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
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
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
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
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
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: www.fhnw.ch/technik/weiterbildung/management
Ihr Partner für Industrie 4.0 Lösungen Fachhochschule Nordwestschweiz Hochschule für Technik Institut für Automation Klosterzelgstrasse 2 5210 Windisch T +41 (0)56 202 75 28 F +41 (0)56 202 82 39 info.ia.technik@fhnw.ch Prof. Dr. Roland Anderegg roland.anderegg@fhnw.ch T +41 56 202 77 43 22.03.2016 Industrie 4.0 in industriellen Prozessen 20