Autonome produktionszellen : komplexe produktionsprozesse flexibel automatisieren

389 Pages·2006·13.981 MB·English

by  Tilo Pfeifer

Tilo Pfeifer · Robert Schmitt (Hrsg.)
Autonome Produktionszellen
Tilo Pfeifer · Robert Schmitt (Hrsg.)
Autonome
Produktionszellen
Komplexe Produktionsprozesse flexibel automatisieren
Mit 257 Abbildungen
1 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. 53
52074 Aachen
[email protected]
[email protected]
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Satz: Digitale Druckvorlage der Herausgeber
Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020 /m 5 4 3 2 1 0
Vorwort
Die Komplexität moderner Produkte und die Notwendigkeit Fertigungsprozesse
noch reaktionsschneller an die individuellen, häufig sehr variantenreichen Kun-
denbedürfnisse anzupassen, zwingen die Unternehmen zunehmend, ihre Produkti-
onsanlagen 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 fle-
xibel, zuverlässig und vor allem störungsfrei durchzuführen.
Um die Voraussetzungen für diese Produktionseinrichtungen zu schaffen, be-
stehen die gegenwärtigen Ziele darin, die Funktionalität und die Leistungsfähig-
keit von Produktionsanlagen zu erweitern, um den hohen Grad an Selbstständig-
keit zu erreichen.
Dieser Handlungsbedarf wurde von mehreren Forschungseinrichtungen der
RWTH Aachen aufgegriffen und führte dort zur Einrichtung des Sonderfor-
schungsbereichs (SFB) 368. Zahlreiche Erfindungen und Impulse für die Industrie
und Forschung sind im Rahmen der zwölfjährigen Laufzeit aus dem Sonderfor-
schungsbereich hervorgegangen. Durch einen frühzeitigen und intensiven Aus-
tausch mit der Praxis konnten die Ergebnisse kontinuierlich an die sich weiterent-
wickelten 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 um-
fangreiche 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 Forscher-
teams 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, Pro-
fessor Werner Jüptner, Professor Horst Kunzmann, Professor Wolfgang Laurig,
Professorin Daniela Männel, Professor Wolfgang Maßberg, Dr. Niederstadt, Pro-
fessor Georg Redeker, Professor Scholz-Reiter, Professorin Luise Schorn-Schütte,
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 gesam-
ten 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 Forschungser-
gebnisse in der renommierten VDI-Reihe zu verlegen.

Aachen, im September 2005
Tilo Pfeifer
Robert Schmitt
Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis..............................................................................................VII
Autorenverzeichnis.............................................................................................XI
Abkürzungsverzeichnis..................................................................................XVII
1 Autonome Produktionszellen: Eine Vision für die Produktion im 21.
Jahrhundert...........................................................................................................1
1.1 Definition: Autonomie, Autonome Produktionszelle...................................1
1.2 Autonome Produktion: Ein Weg zur Emanzipation der Produktion............5
1.2.1 Subactum der Produktion.....................................................................6
1.2.2 Emanzipation der Produktion...............................................................7
1.3 Autonome Funktionen in der Fertigung.......................................................9
1.4 Integrations- und Umsetzungskonzepte.....................................................14
1.5 Arbeitsorganisation und Benutzerunterstützung........................................17
Literatur...........................................................................................................21
2 Autonomie in der prozessübergreifenden Planung.......................................25
2.1 Zentrale und dezentrale Planung................................................................25
2.2 Prozessübergreifende Planung durch Multiagentensysteme......................27
2.2.1 Aufbau von Multiagentensystemen....................................................27
2.2.2 Die APZ-Multiagentenplattform........................................................28
2.2.3 Nachrichten und Verhandlungen im APZ-Netzwerk..........................29
2.2.4 APZ-Agententypen.............................................................................31
2.3 Autonomie in der dezentralen Auftragssteuerung......................................32
2.3.1 Anforderungen an die dezentrale Auftragssteuerung.........................32
2.3.2 Ebenenmodell der Autonomen Produktionszelle...............................33
2.3.3 Einteilung der Aufgaben in Module...................................................35
2.3.4 Detaillierung der relevanten Module zur dezentralen
Auftragssteuerung.......................................................................................37
2.4 Prüfplanung................................................................................................45
2.4.1 Eingliederung der Prüf- und Messplanung in den Zellenkontext.......45
2.4.2 Durchgängige Bereitstellung von Maß- und Toleranzdaten...............47
Literatur...........................................................................................................52
VIII Inhaltsverzeichnis
3 Steuerungsstrukturen für autonome Produktionssysteme...........................53
3.1 Offenes Steuerungssystem für die Autonome Produktionszelle................54
3.1.1 Einleitung...........................................................................................54
3.1.2 OSACA Plattform..............................................................................54
3.1.3 Steuerung der Autonomen Produktionszelle......................................57
3.1.4 Benutzungsschnittstelle der Steuerung...............................................58
3.1.5 Perspektiven offener Steuerungsplattformen......................................60
3.2 Feature-orientierte Programmierung..........................................................61
3.2.1 APZ Interpreter..................................................................................61
3.2.2 Feature-orientierte Programmierschnittstelle.....................................61
3.2.3 STEP-NC – ISO 14649......................................................................63
3.2.4 Werkstattorientiertes Programmiersystem (WOP-Tool)....................64
3.2.5 Entwicklung von skalierbaren Logik- und Datenstrukturen für den
APZ-Interpreter...........................................................................................66
3.2.6 Prozessabhängige, laufzeitparallele Bahnplanung in der Steuerung..67
3.2.7 Bewertung feature-orientierter Programmierkonzepte.......................69
3.3 Agentenbasierte Fertigungsleittechnik.......................................................70
3.3.1 Einleitung...........................................................................................70
3.3.2 Referenzobjektmodell für die Fertigungsleittechnik..........................71
3.3.3 Projektierbare, agentenbasierte Plattform für die Leittechnik............75
3.4 Sensor/Aktor-Netzwerk.............................................................................76
3.4.1 Einleitung...........................................................................................76
3.4.2 Umfangreiche Integrationsaufgaben – Anforderungen an das
Steuerungssystem........................................................................................77
3.4.3 Struktur-offene Steuerung in Hard- und Software.............................78
3.4.4 SAM als skalierbare und einheitliche Feldbusschnittstelle................81
3.4.5 Zusammenfassung..............................................................................83
Literatur...........................................................................................................83
4 Autonomes Frässystem....................................................................................87
4.1 Einleitung...................................................................................................87
4.2 Technologieplanung, Modellbildung und Optimierung.............................91
4.2.1 Modellbildung für das Fertigungsverfahren Fräsen...........................94
4.2.2 Prozessoptimierung..........................................................................107
4.3 Flexible Spann- und Greifsysteme...........................................................108
4.3.1 Flexible Spannsysteme für den Fräsprozess.....................................109
4.3.2 Spannen mit niedrigschmelzenden Metallen....................................114
4.3.3 Flexible Greifsysteme für den Fräsprozess......................................123
4.4 Maschinenintegrierte Werkstückmessung...............................................133
4.4.1 Motivation der integrierten Überwachung.......................................133
4.4.2 Bildverarbeitungsgestützter Überwachungs- und Steuerungsansatz138
4.4.3 Aufbau der BV-Kette.......................................................................139
4.4.4 CAD-Abgleich zur Lageerkennung..................................................151
4.4.5 Antastwegüberwachung...................................................................153
4.4.6 Automatisierung mit Bildverarbeitung – Fazit.................................155
4.5 Störungsmanagement...............................................................................157
Inhaltsverzeichnis IX
4.5.1 Bearbeitungsrandbedingungen.........................................................159
4.5.2 Prozessstörungen..............................................................................161
4.5.3 Sensorik, Signalverarbeitung und -auswertung................................165
4.5.4 Prozess- und Störungsidentifikationsmodule...................................174
4.5.5 Simulierte Ermittlung von Werkzeugbelastungsgrenzen.................181
4.6 Erweiterte Maschinenfunktionalität.........................................................187
4.6.1 Kompensation thermischer Fehler....................................................187
4.6.2 Kompensation statischer Strukturverformung..................................194
4.6.3 Vermeidung und Dämpfung dynamischer Instabilitäten..................198
4.7 Automatisierte Werkzeugverschleißmessung..........................................210
4.7.1 Potenzial einer automatisierten Verschleißmessung.........................210
4.7.2 Messgrößen......................................................................................211
4.7.3 Aufbau einer automatisierten Messzelle...........................................213
4.7.4 Bildverarbeitungssoftware – ToolSpy..............................................217
4.7.5 Einsatzszenarien – Fazit...................................................................226
Literatur.........................................................................................................230
5 Autonomes Laserschweißsystem...................................................................235
5.1 Einleitung.................................................................................................235
5.2 Autonome Produktionszelle für das Schweißen mit Laserstrahlung........237
5.2.1 Laserstrahlschweißen.......................................................................237
5.2.2 Autonome Produktionszelle.............................................................238
5.2.3 Planung und Simulation...................................................................241
5.2.4 Prozessüberwachung........................................................................244
5.2.5 Prozessregelung................................................................................247
5.3 Technologieplanung.................................................................................250
5.3.1 Motivation........................................................................................250
5.3.2 Feature Modell.................................................................................250
5.3.3 Prozessplanung.................................................................................256
5.3.4 Technologiemodul............................................................................257
5.3.5 Technologiemodul als Planungs-Kernel...........................................259
5.3.6 Applikation 1: CAMLas – Offline Planungssystem.........................261
5.3.7 Applikation 2: CORBA Planungsserver...........................................265
5.4 Benutzerzentrierte Mensch-Maschine-Interaktion beim
Laserstrahlschweißen.....................................................................................267
5.4.1 Analyse und Modellierung der Aufgaben........................................268
5.4.2 Benutzerzentrierte Simulation..........................................................271
5.4.3 Modellbasierte Gestaltung der Benutzungsschnittstelle...................274
5.4.4 Intelligente Benutzungsunterstützung..............................................283
5.5 Flexible Spann- und Greifsysteme...........................................................289
5.5.1 Flexible Spannsysteme für den Laserstrahlschweißprozess.............290
5.5.2 Flexible Greifsysteme für den Laserstrahlschweißprozess...............298
5.6 Sensorik und Aktorik in der Produktion..................................................303
5.6.1 Definitionen......................................................................................303
5.6.2 Autonomiefunktionen durch erweiterte Sensorik und Aktorik.........304
5.6.3 Phasen in der Produktion..................................................................305
X Inhaltsverzeichnis
5.6.4 Arbeitsvorbereitung: Leistungskontrolle und Strahldiagnose..........306
5.6.5 Arbeitsvorbereitung und Bearbeitungsphase: Anbindung von
peripheren Komponenten des Produktionsumfeldes.................................309
5.6.6 Bearbeitungsphase: Prozessüberwachung während der
Materialbearbeitung..................................................................................311
5.6.7 Prozessüberwachung im Vorlauf......................................................312
5.6.8 Prozessüberwachung in der Wechselwirkungszone.........................312
5.6.9 Prozessüberwachung im Nachlauf...................................................332
5.6.10 APZ-Bearbeitungskopf zur gleichzeitigen Beobachtung der drei
Zonen mit einer Kamera............................................................................333
5.6.11 Sensor-Aktor-Vernetzung..............................................................336
5.7 Prozess- und Nahtfolgeregelung..............................................................338
5.7.1 Problemstellung................................................................................338
5.7.2 Prozessregelung................................................................................339
5.7.3 Nahtfolgeregelung............................................................................352
Literatur.........................................................................................................360
6 Fazit.................................................................................................................365
Sachverzeichnis..................................................................................................369
Autorenverzeichnis
Abel, Dirk, Prof. Dr.-Ing.
(Kapitel 5.7)
Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen
Steinbachstr. 54, 52074 Aachen

Beck, Ralf, Dipl.-Ing.
(Kapitel 5.7)
Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen
Steinbachstr. 54, 52074 Aachen

Böske, Lars, Dipl.-Ing.
(Kapitel 5.6)
Lehrstuhl für Lasertechnik
Steinbachstr. 15, 52074 Aachen

Boldt, Torsten, Dr.-Ing.
(Kapitel 4.3, 5.5)
Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen
Steinbachstr. 53, 52074 Aachen

Bollig, Alexander, Dr.-Ing.
(Kapitel 5.7)
Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen
Steinbachstr. 54, 52074 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
Steinbachstr. 53, 52074 Aachen

Breit, Holger, Dipl.-Ing.
(Kapitel 4.6)
Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen
Steinbachstr. 53, 52074 Aachen