Mit Hilfe von Downstream-Kompensation zur ausschussfreien Fertigung
Automatisierte Null-Fehler-Fertigung
Bei mehrstufigen Produktionssystemen für die Fertigung rotierender Bauteile kann bereits ein kleiner Fehler zu Ausschuss führen. Um die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen sicherzustellen, wird eine Null-Fehler-Fertigung angestrebt. Wir stellen dafür eine Web-App vor, welche Bauteilvariationen automatisch erkennen und Fehlerkompensationsstrategien ableiten kann. Das Potential des mehrstufigen Produktionssystems wird genutzt, um Fehler am Bauteil im Produktionsfluss durch eine geeignete Steuerung beeinflussbarer Prozessparameter zu beheben.

Die zunehmende Digitalisierung in Industrie und Gesellschaft treibt auch den Wandel in der Produktion voran. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Unternehmen hinsichtlich einer effizienten und ressourcenschonenden Herstellung hochwertiger und individueller Produkte. Eine wettbewerbsfähige Produktion muss in der Lage sein, schnell auf Marktveränderungen und Kundenwünsche zu reagieren und dennoch kostengünstige Produkte anbieten zu können. Der Trend zur Individualisierung führt aber auch zu einer zunehmenden Komplexität der Produktionsprozesse und Prozessketten, was das Auftreten von Fehlern begünstigt. Um auf dem Weltmarkt wettbewerbsfähig zu bleiben, ist es wichtig, eine möglichst fehlerfreie Produktion zu erreichen. In der Vergangenheit wurden Methoden wie Six Sigma erfolgreich zur Qualitätssicherung eingesetzt. Sie betrachten die Produktion jedoch als statische Systeme und können mit dem heutigen Verständnis von Produktion und Industrie 4.0 als dynamisches und flexibles Gesamtsystem nur bedingt genutzt werden. Das von der Europäischen Union im Rahmen des Clusters Horizon 2020 geförderte Projekt ForZDM hat sich mit dieser Thematik die letzten vier Jahre beschäftigt. Ziel war es, flexiblere und umfassendere Methoden zu entwickeln, die das dynamische Umfeld der Produktion berücksichtigen und den Anforderungen an eine fehlerfreie, kundenspezifische Produktion mit gleichzeitig hohem Kostendruck und Nachhaltigkeit, gerecht werden. Hierzu wurde das Grundprinzip der Null-Fehler-Fertigung (Zero-Defect Manufacturing – ZDM) herangezogen und weiterentwickelt, um speziell die Fähigkeiten mehrstufiger Produktionssysteme zu nutzen, die eine Kompensation von entstandenen Bauteilabweichungen entlang des Materialflusses (Downstream-Kompensation) ermöglicht.

Berücksichtigung sämtlicher Prozesse

In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt auf der Optimierung einzelner Prozesse durch den Einsatz verschiedener Arten von Prozessregelungen innerhalb der Fertigung. Aber auch nach der Optimierung eines einzelnen Prozesses treten Fehler in Form von Abweichungen auf, die nicht alle vorhersehbar sind und deren Ursache oft nicht ad hoc erkannt werden kann. Diese Abweichungen, die durch verschiedene Faktoren verursacht werden können, werden je nach verfügbaren Messsystemen oft erst spät oder gar nicht erkannt. Da das fehlerhafte Produkt anschließend weiterhin seinen vorgesehenen Produktionsprozess durchläuft, können daraus weitere Fehler entstehen, was in vielen Fällen zu Ausschuss oder enorm hohen Kosten durch Nacharbeit führt. Um eine solche Nacharbeit am Ende des eigentlichen Produktionsprozesses zu vermeiden, konzentriert sich der ZDM-Ansatz auf die globale Verbesserung des mehrstufigen Produktionssystems unter Berücksichtigung aller Prozesse und ihrer Möglichkeiten. Durch die frühzeitige Erkennung möglicher Fehler kann die Vermeidung oder Kompensation dennoch auftretender Fehler durch Berücksichtigung aller Fähigkeiten des Systems erreicht werden.

Downstream-Kompensation in der Praxis

Am Beispiel der Produktion einer Turbinenwelle wurde innerhalb von ForZDM eine Methode entwickelt, die sogenannte Downstream-Kompensation, die sich auch auf andere Produktionssysteme von rotierenden Bauteilen übertragen lässt. Zunächst werden jegliche Informationen über das Produktionssystem und Bauteil in einer Datenbank gesammelt und der entwickelten Web-App zur Modellierung des Bauteils und Produktionssystems zur Verfügung gestellt. Das Bauteil wird mit Hilfe eines parametrischen Modells für jeden Zustand der zahlreichen Prozesse beschrieben und kann somit als digitaler Zwilling des Bauteils betrachtet werden. Dieser dient hauptsächlich während des gesamten Produktionsprozesses als Basis für den Vergleich von Soll- und Ist-Zustand und somit zur Fehleridentifikation und Qualitätskontrolle. Das Produktionssystem wird so modelliert, dass die Fähigkeiten der unterschiedlichen Prozesse abgebildet sind und auf sogenannte Features des digitalen Zwillings gemappt werden können. Diese werden im Falle einer Bauteilabweichung zur Identifikation von Kompensationsmöglichkeiten herangezogen. Zum Schluss werden die Messsysteme den Bauteil-Features zugeordnet um letztendlich den Soll-Ist-Vergleich des Bauteils zu ermöglichen.

Diese Informationen werden einer zweiten Web-App zur Verfügung gestellt, die zusätzlich mit Live-Daten aus der Produktion versorgt wird. Das zweite Tool wurde speziell zur Auswertung der Daten entwickelt, um einerseits interstationäre Zusammenhänge zu identifizieren die aus der Modellierung nicht erkannt wurden. Andererseits für erkannte Bauteilabweichungen eine Kompensationsstrategie zu identifizieren, die eine Reparatur des Bauteils entlang des Produktionssystems ermöglicht. Es werden Algorithmen wie zum Beispiel die Hauptkomponentenanalyse oder Entscheidungsbäume eingesetzt, um statistische Informationen aus den verfügbaren Datensätzen zu extrahieren. Die Maschinen wurden zudem mit neuen CNC-Funktionalitäten ausgestattet um gewisse Zyklen für bspw. geometrische Fehler automatisiert ausführen zu können, ohne individuelle Fertigungsszenarien entwickeln zu müssen. Für die Validierung wurden 200 Turbinenwellen mit jeweils 300 bauteilbeschreibenden Parametern verwendet.

Fazit und Ausblick

Bisher funktioniert dieser Ansatz bei bestehenden Produktionssystemen, die eine ausreichende Datenbasis produzierter Bauteile zur Verfügung stellen. Diese ist notwendig um interstationäre Zusammenhänge zu identifizieren und auch allgemein Wissen aus dem System zu extrahieren. Mit einem Blick in die Zukunft wäre es aber auch möglich, Produktionssysteme für rotierende Bauteile bereits parallel zur virtuellen Inbetriebnahme auf Basis des digitalen Zwillings, mit bekannten Fehlern zu beaufschlagen und die Downstream-Kompensationsmethode bereits bevor das reale mehrstufige Produktionssystem aufgebaut ist anzuwenden. Der Vorteil wäre, das Wissen über Kompensationsmöglichkeiten bereits in einer frühen Phase zu generieren, das geplante mehrstufige Produktionssystem zu optimieren und für die reale Produktion vorbereitet zu sein, ohne die notwendige Datenbasis am realen System aufzeichnen zu müssen.

Der Ansatz zu Steuerungstechnik aus der Cloud wurde vor fünf Jahren erstmals umfangreich auf den Stuttgarter Innovationstagen präsentiert. Zum Jubiläum der Fachtagung am 12. und 13. Oktober werden in einer Podiumsdiskussion die Fortschritte der Steuerungstechnik aus der Cloud bewertet. Des Weiteren werden Einblicke in Trends und Entwicklungen aus den Bereichen ‚Software Defined Manufacturing‘ und ‚Intelligente Produktion‘ gegeben. Durch internationale Vorträge und direkten Kontakt mit Experten aus IT und klassischer Automatisierungstechnik werden Innovationen und interdisziplinärer Austausch vorangetrieben.

ISW Institut für Steuerungstechnik der

Das könnte Sie auch Interessieren

Bild: Bachofen AG
Bild: Bachofen AG
Heavy Metal

Heavy Metal

Die gewichtigen Planetengetriebe von Rollstar sind dabei, wenn ein Loch in den Gotthard gebohrt oder der Schiefe Turm von Pisa gerettet wird – für die zuverlässige Überwachung von Drehzahl und Schaltpositionen sorgen induktive Sensoren von Turck.

Bild: ©ipopba/gettyimages.de
Bild: ©ipopba/gettyimages.de
Die richtigen Interfaces für Spätentschlossene

Die richtigen Interfaces für Spätentschlossene

Dass an einer immer tiefergehenden Digitalisierung der Produktionssysteme langfristig kein Weg vorbeiführt, hat sich bei Herstellern, Betreibern und Dienstleistern des Maschinenbaus als Konsens etabliert. Zugleich sorgen aber oft Aussagen wie die folgende, von der T-Systems-Webseite entnommene für Unsicherheit bei den OEM des Maschinenbaus: „Bestehende Geschäftsmodelle werden durch die Digitalisierung in Frage gestellt, die globalen Märkte werden zunehmend volatiler.“

Bild: Bosch Rexroth AG
Bild: Bosch Rexroth AG
Präzise und ressourcensparend

Präzise und ressourcensparend

Mehr Präzision, mehr Effizienz, weniger Ressourcen: Der Maschinenbauer Kohlbacher hat im Bereich der Schärfraumausstattung und Sägeproduktion einen bisher manuell gelösten Nachbearbeitungsprozess automatisiert. Das Besondere dabei ist der Einsatz von künstlicher Intelligenz. Die technische Basis dafür liefert die neue Rexroth-Steuerungplattform ctrlX Automation.

Bild: Melior Motion GmbH
Bild: Melior Motion GmbH
Planetengetriebe 
neu gedacht

Planetengetriebe neu gedacht

Konstrukteure von Robotik- und Automationslösungen stehen vor der Wahl: Zykloid- oder Planetengetriebe? In den letzten Jahrzehnten lautete die Antwort häufig Zykloidgetriebe. Doch die Planetengetriebe haben aufgeholt und zeigen sich mittlerweile in vielerlei Hinsicht vorteilhaft. Das Hamelner Unternehmen Melior Motion produziert mit seiner PSC-Reihe sehr präzise, leise sowie langlebige Antriebseinheiten.

Bild: Dunkermotoren GmbH
Bild: Dunkermotoren GmbH
Viel mehr als Motoren

Viel mehr als Motoren

Das industrielle Internet der Dinge bietet völlig neue Möglichkeiten für die Antriebstechnik. Um diese möglichst auszuschöpfen, bündelt Dunkermotoren sein Knowhow in der Entwicklung von dezentralen Steuerungsprogrammierungen und IIoT-Lösungen unter der neuen Marke Nexofox. So will das Unternehmen zudem ein ganzheitliches Lösungsangebot schaffen: Zum einen von der Beratung und Konzeptentwicklung bis zur partnerschaftlichen Projektrealisierung. Zum anderen von der Feldebene bis in die Cloud aus einer Hand.