Montagesystemgestaltung – Toleranzmanagement als …¼ller.pdf · Elektrik/ Elektronik...

© WZL/Fraunhofer IPT

Montagesystemgestaltung –Toleranzmanagement als Planungsbasis

3. Aachener Montage-Tagung

R. Müller, M. Esser

16. März 2011 in Aachen

Seite 2© WZL/Fraunhofer IPT

Gliederung

Einführung und Motivation – Veränderungen in der Montage1

Wandlungsfähigkeit – Freie Anpassung von Montagesystemen2

Toleranzmanagement – Wirtschaftliche Nutzung von Wandlungsfähigkeit3

Fazit und Ausblick4


„Produktion kann Wohlstand in Deutschland langfristig sichern“ –wandlungsfähige Montage ist hierzu ein Lösungsansatz

Quelle: VDI Nachrichten 19.03.10, FAZ Sonntag 09/2010, Aachener Montagestudie

Produktions-umfeld 2010

wirtschaftliche Erholung

dennoch verschärfte Wettbewerbslage

Zukunftspotenzial

verbesserte Prozesse

engere Zusammenarbeit zwischen Wert-schöpfungs-partnern

7,7 Mio. Beschäftigte in der Produktion

Wandlungsfähige und selbstorganisierende Fabrik

Ausbau des Automatisierungs-Know-hows

Das BMBF empfiehlt folgende Zukunftsfelder & Innovationen

02002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

13012011010090

7080

Produktionsindex für das produzierende Gewerbe

2005=100


Aufgaben der Montage und Umsetzung in einem modular aufgebauten Montagesystem

Einzelteile, Baugruppen

Produkte

Mo

nta

gep

roze

ss

Handhaben

Fügen

Inbetriebnehmen

Hilfsprozesse

Sonderoperationen

Basismodul

Prozessmodule

Transportmodul

Zuführungsmodul

ZusatzeinrichtungenBilder: Bosch Rexroth

Betriebsmittel - Modulbaukasten


Modularität und Skalierbarkeit ermöglichen heute Flexibilität in einem vorgedachten Rahmen

Quelle: Dürr, Daimler

Änderungen im Produkt

Änderungen in der Technologie

Änderungen in der Stückzahl

mehr/weniger Takte

Anpassung Prozesstechnik

Anpassung der Taktzeit

An

zah

l Pro

zess

sch

ritt

e

SKD

CKD

Full size


Zukünftige Anforderungen an Montageanlagen verlangen mehr als nur Flexibilität

Prozess 3

Prozess 2

Prozess 1

? Prozess 3

Prozess 2

Prozess 1

Lini

eV

erän

deru

ng

Produkt BetriebsmittelProzess

RekonfigurationWandlungs-treiber

Wandlungs-treiber


Wandlungsfähigkeit erweitert die Reaktionsfähigkeit des Gesamtsystems Montage

Wandlungsfähigkeit ist kein neues Modewort für Flexibilität.

Zeit

Pro

du

ktio

nsu

mfe

ld

Gegenwart Zukunft

Flexibilität

Wandlungs-fähigkeit

nahe Zukunft

Investitions-entscheidung

Wandlungsfähigkeit bedeutet:

Anpassungsfähigkeit jenseits des vorgehaltenen Flexibilitätskorridors

Freiräume für unvorhersehbare Veränderungen wurden vorgedacht

Investitionskosten für Anpassungen entstehen erst bei der Durchführung der Veränderung


Gliederung




Fazit und Ausblick4


Objekt

Mechatronische Ansätze werden in Montageanlagen sinnvoll genutzt

mechatronisches System

mechanische Struktur

Software

Elektrik/Elektronik

Schnitt-stellen

mechatronisches Modul 1

Mechanik Elektronik Software

modulares mechatronisches System

mechatronisches Modul 2


mechatronisches Modul n


separate Entwicklung

Organisationsstrukturen

komplexe Schnittstellen

starres System

rekonfigurierbares System

gekapselte Komplexität

interdisziplinäre und durchgängigeBeschreibung notwendig–

+

techn. Ausprägungz.B. mechatronisches Modul

ObjektorientierteAnalyse

Verantwortlichkeiten

Methoden

Koo

rdin

ator


Montagesysteme werden auf modularer Basis ganzheitlich geplant

Betriebsmittel

Montageprozess

Produkt

Teil

Teil

Teil

Produkt

Die Planung von Montagesystemen folgt einer chronologischen Methodik:

– Die Produktspezifikationen hat in der Regel erste Priorität.

– Der Prozessablauf und die Einzelprozesse werden auf Basis des zu montierenden Produktes festgelegt.

– Die Montageausrüstung folgt dem Bedarf der definierten Prozesse.

Abweichungen von dieser Reihenfolge können notwendig sein für die rekursive Optimierung von:

– Produktdesign,

– Montageprozessen oder

– Betriebsmittelkonfiguration.


Rekonfigurationsgerechte Modularisierung von Montageanlagen ist die Basis der Wandlungsfähigkeit

Verantwortlichkeiten / Methoden

Einzelteile/Baugruppen

Prozess

Montage-system/ -linie

Produkt Beeinflussung des

Montagsystems durch– Produktänderungen

– Prozessänderungen

Verantwortlichkeiten– stellen den Zusammen-

hang zwischen Produkt, Prozess und Technik/ Planung dar und

– ermöglichen Wandlungsfähigkeit.

Betriebsmittel stellen die technische Ausprägung der Methoden dar, z.B. als

– manueller Arbeitsplatz

– mechatronisches Modul

Wandlungstreiber

Kosten


standardisierte Prozesseund Anlagenverständnis

modulare rekonfigurierbare Plattformkonzepteund Prozessverständnis

Montagesystemhersteller Montagesystemnutzer

Rekonfiguration zur Nutzung über die Produktlebensdauer hinaus

Integration eigener Prozessmodule

mechatronische Modularisierung

effiziente Konfiguration

Module für Prozesse, Zuführung und Transport

Nutzung

BewertungÜberwachung

Rekonfig

uratio

n

Die angestrebte Wandlungsfähigkeit erfordert ein gleichsinniges Verständnis zwischen Hersteller und Anwender

Nutzung von Kompatibilität


5,8 m 57 m

Beispiele für die Notwendigkeit wandlungsfähiger Montagesysteme lassen sich in ganz unterschiedlichen Produktgrößenordnungen finden

200 mm80 mm

miniaturisierter Beschriftungslaser

Großraumpassagierflugzeug

Bild: Boeing

Für die Montage komplexer Produkte muss Wandlungsfähigkeit konsequent geplant und umgesetzt werden.


Gliederung




Fazit und Ausblick4


Ausgehend von den Kundenanforderungen werden zunächst Funktionstoleranzen festgelegt

Kundenanforderung: Strahlqualität

Kristall

GrundplatteWärmefluss

Wärmesenke Pumpstrahl auf dem Kristall

Y

ZX

A

A

Z

Y

X

Der Strahl muss exakt die Mitte des Kristalls treffen.

Die Linsen müssen am Kristall ausgerichtet werden.

Funktionstoleranzen gewährleisten, dass die geforderte Qualität erreicht wird.

Betriebsmittel

Montageprozess

ProduktTeil

Teil

Teil

Produkt

Pro

du

ktan

alys

e

A - A

Linse 2


Technische Produkte weisen in der Regel eine hohe Anzahl an Funktionstoleranzen auf

Quelle: Thornton, A. C.: Variation Risk management. Focusing Quality Improvements in Product Development and Production. Hoboken: John Wiley & Sons, 2004Whitney, D. E.: Mechanical Assemblies. Their Design, Manufacture, and Role in Product Development. New York: Oxford University Press, 2004

Methode der Key Characteristics

Kundenforderung

Key CharacteristicsFlowdown

RelevanteToleranzen

Mit Hilfe der Methode kann die Anzahl der zu berücksichtigenden Toleranzen reduziert und ein grundlegendes Verständnis für das Produkt geschaffen werden.

Markieren einer Oberfläche (Beschriftungslaser)Kundenforderung

Strahlqualität

Symmetrie der Temperatur-verteilung im

Kristall…

… ...

…

… …

Key Characteristics

Mittige Lage der Pumplinie auf dem Kristall in x-

Richtung

…

...

Position der Linse 2 in x-Richtung relativ zum Kristall

Montage-relevanteToleranzen

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…

…


Key Characteristics sind die entscheidenden Funktionstoleranzen

Ein “Key Characteristic” (KC) ist eine quantifizierbare Größe, die direkten Einfluss auf eine wesentliche Eigenschaft des Produktes hat.

Ein KC kann sowohl für die nächste Montagestufe entscheidend sein (“Assembly KC”) als auch für die Funktion des fertigen Produktes (“Performance KC”).

KC Sektions-durchmesser

Bild: Spirit Bild: Boeing


Flugzeugtüren aus Aluminium

Vielzahl von Teilen

großer Montageaufwand

Flugzeugtüren aus CFK

im RTM-Verfahren hergestellt(Resin-Transfer-Moulding)

zwei bis drei Teile, verringerter Montageaufwand

Toleranzfestlegung in der RTM-Form

Betriebsmittel

Montageprozess

ProduktTeil

Teil

Teil

Produkt

Pro

du

kt-

op

tim

ieru

ng

Zur Vereinfachung der Montage kann eine Produktoptimierung sinnvoll sein

Bilder: Eurocopter

Beispiel: Flugzeugtüren


Aus dem Montageprozess und den festgelegten KCs wird die notwendige Ausprägung der Montageanlage abgeleitet

anforderungsgerechte und wirtschaftliche Auswahl der Betriebsmittel

Jedes Glied der Toleranzkette beschreibt einen Einfluss auf die Montagetoleranz

Identifikation der Montagetoleranzen

Betriebsmittel

Montageprozess

ProduktTeil

Teil

Teil

Produkt

Pro

zess

anal

yse

Bild: Airbus


Der Aufbau und der Ablauf der Montageanlage werden aus den Produkt- und Prozesseigenschaften bestimmt

Unterschale

Frachtboden Fußbodenrostlinke Schale

rechte Schale

Rumpfsektion

Oberschale

Bild

: Pre

miu

m A

erot

ec


21 © BRÖTJE Automation GmbH

Toleranzanalysen schärfen das Systemverständnis an einzelnen Montagestationen

KC: vertikaler Außendurchmesser der SektionMesspunktUnterschale

Präsentier-rahmenOberschale

MesspunktOberschale

WerkstückträgerUnterschale

Stationsrahmen

- Formtoleranz Bauteil- Aufnahmetoleranz Rahmen- Formtoleranz Rahmen

- Positioniertoleranz- Formtoleranz

Sationsrahmen

- FormtoleranzTräger Unterschale

- EinrichttoleranzStationsrahmen

- EinrichttoleranzTräger Unterschale

Fundament


Qualität und Kosten müssen im Lernprozess optimiert werden

Optimierung durch:

Verkürzung von Kettengliedern

Eliminierung von Kettengliedern

Wechselseitige Veränderung der Kettenglieder

Betriebsmittel

Montageprozess

ProduktTeil

Teil

Teil

Produkt

Sys

tem

-o

pti

mie

run

g

Problemstellung:

Wenn die erreichbare Montagegenauig-keit für die Erfüllung des KC nicht ausreicht oder zu teuer ist, müssen Prozess und Anlage angepasst werden.


Effiziente Wandlungsfähigkeit der Montageanlage wird durch durchgängiges Toleranzverständnis ermöglicht

Angetriebene Haltearme ermöglichen flexible Positionierung der Seitenschale innerhalb des Arbeitsraumes.

Systemverständnis entsteht durch Lernprozess.

Aufbau als Baukasten ermöglicht Rekonfiguration zur Anpassung an neue Produkte oder Technologien.

Systemverständnis ist für schnelle Wiederinbetriebnahme notwendig.


Toleranzmanagement für alle Baugrößen: Das Vorgehen ist gleich!Systemverhalten

modelliertnicht modelliert

ModellinhaltModellfehler

systematisch(prinzipiell modellierbar)

stochastisch(nicht modellierbar)

Modellierung und Fehlerkompensation bieten viele Möglichkeiten der Systemoptimierung.

Bild

: Pre

miu

m A

erot

ec


Gliederung




Fazit und Ausblick4


Produkt-definition

Produktion

Nutzung

Entsorgung

Konzept

Konstruktion

Fertigung

Montage

Kräfte

Temperatur

Wartung

Reparatur

Recycling

Ein

fluss

des

T

oler

anzm

anag

emen

ts

Pro

dukt

lebe

nszy

klus

Toleranzmanagement und Montagesystemplanung sind eng verbunden

Produkt – Definition aller Koordinaten-

systeme

– Dokumentation der KC

– Festlegung der Toleranzfelder

Montageprozess– Implementierung nominaler

Prozesse statt Best-Fit

– Akzeptieren von Lernprozessen

Montageanlage– Dokumentation und Verifikation

von Toleranzketten

– Verkürzung und Vereinfachung von Toleranzketten


Zusammenfassung

Betriebsmittel

Montageprozess

Produkt

Teil

Teil

Teil

Produkt

Produktanalysezur Bestimmung und Reduktion der relevanten Toleranzangaben

montagegerechte Produktgestaltungzur Anpassung und Vereinfachung der Toleranzvorschriften am Produkt

Prozessanalysezur optimalen Abbildung des Montageprozesses in Betriebsmittel

Flexibilitätzur Anpassung an unterschiedliche Situationen innerhalb eines vorher definierten Rahmens

Systemoptimierungzur Prozessvereinfachung und zur Nutzung neuer Technologien

Rekonfigurationzur wandlungsfähigen Anpassung auch an Unvorhergesehenes

Wandlungsfähigkeit erfordert ein ganzheitliches Vorgehen über Produkt, Prozess und Betriebsmittel.Das Toleranzmanagement schafft die Voraussetzungen, dieses Vorgehen umzusetzen.


Gliederung




Fazit und Ausblick4

Montagesystemgestaltung – Toleranzmanagement als …¼ller.pdf · Elektrik/ Elektronik...

Documents

Transcript of Montagesystemgestaltung – Toleranzmanagement als …¼ller.pdf · Elektrik/ Elektronik...