Schnell zu praktisch anwendbaren Lösungen
Prozessoptimierung
Der Schaltschrankbau ist nach wie vor durch eine werkstattorientierte Fertigung gekennzeichnet. In Zeiten von Industrie 4.0 und Losgröße 1 zeigt sich dieser Ansatz als nicht wettbewerbsfähig. Wie sich Prozesse optimieren lassen und so der Aufwand reduziert werden kann, verdeutlichen die Ergebnisse einer Kooperation von Phoenix Contact und der Ruhr-Universität Bochum.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHWeitergabe der umfassenden Erfahrungen
Phoenix Contact verfügt über ein umfassendes Know-how im Maschinenbau. Die 180 Mitarbeiter des eigenen Maschinenbaus unterstützen die entwickelnden und produzierenden Geschäftsbereiche des Unternehmens schon seit vielen Jahren weltweit. Das Leistungsportfolio reicht dabei von der Erstellung manuell bedienbarer Vorrichtungen bis zu komplexen Fertigungssystemen. In diesem Zusammenhang ist das ClipX-Konzept entstanden, das auf bewährten Kerntechnologien sowie einem breiten Wissen im Bereich des Engineering sowie der IT-Integration, Produktion und Logistik basiert. Seine Erfahrungen gibt das ClipX-Team auch an andere Unternehmen weiter. Angeboten werden beispielsweise:
? die Betrachtung des gesamten Fertigungsprozesses anhand von Lean-Methoden
? die gemeinsame Erarbeitung eines individuellen Konzepts für die manuelle,
teilautomatische oder automatische Gestaltung von Prozessen
Aufgrund der hohen nachfragebedingten Varianz erweist sich der manuelle Montageanteil im Schaltschrankbau als hoch. Da die Projektlaufzeiten seiner Kunden aus dem Maschinen- und Anlagenbau jedoch stetig kürzer werden, muss auch der Schaltschrankbau immer effizienter produzieren. Hinzu kommt ein steigender Kostendruck: Produkte bis zur Losgröße 1 sollen zu Stückkosten heutiger Großserien angeboten und dabei innerhalb kürzester Zeit von der Entwicklung bis zur Marktreife geführt werden. Eine werkstattorientierte Fertigung eignet sich für derartige Herausforderungen nur unzureichend. Der Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) der Ruhr-Universität Bochum und Phoenix Contact haben sich daher dieser Aufgabenstellung angenommen. Seit 2016 besteht zwischen der Hochschule und dem Unternehmen eine enge Forschungskooperation, um Themen rund um die Montage im Schaltschrankbau zu erörtern und entsprechende Lösungen zu entwickeln.
Bild: LPS
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHEntwicklung von zwei Demonstratoren im Bereich Klemmenleistenfertigung
Zur fließenden Gestaltung des Technologietransfers von Wissenschaft und Industrie ist in der Lern- und Forschungsfabrik des LPS ein System für die Klemmenleistenmontage aufgebaut worden, das durch reale Industrieaufträge betrieben wird. Mit diesem Vorgehen wollen die Kooperationspartner sicherstellen, dass die im wissenschaftlichen Umfeld erarbeiteten Technologien frühzeitig an industrienahen Prozessen erprobt werden und schnell zu industriell anwendbaren Lösungen im Schaltschrankbau führen. Im Rahmen der engen Zusammenarbeit zwischen Phoenix Contact und dem LPS sowie den seit knapp zwei Jahren am Lehrstuhl gesammelten Erfahrungen hinsichtlich der Klemmenleistenmontage sind inzwischen zwei innovative Demonstratoren konzipiert worden. Ein Arbeitsplatz, der schon mit einem Pick-by-Light-System zur Verringerung der Suchzeiten für Materialien ausgestattet war, wurde um ein Augmented-Reality-Assistenzsystem erweitert. Am Montagesystem des LPS steht darüber hinaus eine Anwendung zum robotergestützten Setzen von Reihenklemmen kurz vor der Implementierung in den dortigen Montagebetrieb.
Bild: LPSMontageassistenz zur Verringerung des Suchaufwands
Bedingt durch die hohe Individualisierung und die oftmals geringen Losgrößen gibt es für die Montage von Klemmenleisten keine "fertigen Anleitungen". Die notwendigen Informationen entnehmen die Mitarbeiter beim Zusammenbau der Leisten implizit aus dem Produktaufbau. Der damit verbundene hohe Aufwand für die Informationssuche im Prozess soll nun durch eine flexible Montageassistenz gesenkt werden. Im Rahmen eines ersten Demonstrators ist ein Prototyp dieser Montageassistenz mit unterschiedlichem Visualisierungsumfang für zwei Klemmenleistenvarianten in einen Montagearbeitsplatz zur Klemmenleistenfertigung integriert worden. Genutzt werden dabei drei verschiedene Endgeräte: die Augmented-Reality-Brille (AR-Brille) Hololens von Microsoft, ein Monitor und ein Pick-by-Light-System. Über die AR-Brille als Endgerät wird die Einbaulage von Komponenten anhand von 3D-CAD-Daten, die das reale Montageobjekt überlagern, schrittweise im Sichtfeld des Werkers angezeigt. Mit der Marker-basierten Kalibrierung zum Arbeitsplatz sowie zur montierten Klemmenleiste, der Indikation von Entnahmebehältern sowie der Darstellung textueller Anweisungen sind bereits weitere Funktionen der AR-Anwendung umgesetzt worden. Als alternativ miteinander gekoppelte Endgeräte der flexiblen Montageassistenz kommen im Demonstrator ein Monitor mit einer simplen grafischen Benutzeroberfläche sowie ein Pick-by-Light-System zur Visualisierung vereinfachter Montageinformationen zum Einsatz. Das Pick-by-Light-System markiert die Entnahmebehälter, wohingegen die grafische Oberfläche auf dem Monitor der Anzeige von Montage-informationen in Form von 2D-Grafiken und textuellen Daten dient. Der Demonstrator zeigt, dass sich die flexible Montageassistenz einerseits unabhängig vom zur Darstellung erforderlichen Endgerät verwenden lässt. Auf der anderen Seite reduzieren sich die Suchzeiten für die benötigten Komponenten und Informationen. Der aktuelle Entwicklungsfokus liegt auf einer zentralen Systemkomponente zur automatisierten Ableitung eindeutiger Montagesequenzen aus virtuellen Produktabbildern. Das ermöglicht die dynamische Nutzung der flexiblen Montageassistenz im realen Produktionsumfeld.
Bild: LPSMensch-Roboter-Interaktion für die Verbesserung der Qualität und Effizienz
Durch eine Potenzialanalyse hinsichtlich des Einsatzes von kollaborierenden Leichtbaurobotern (LBR) im Rahmen des am LPS aufgebauten Montagesystems ist das Setzen von Endhalterklemmen als geeignetes Anwendungsszenario für die Mensch-Roboter-Interaktion (MRI) identifiziert worden. Dabei rastet der LBR zunächst sämtliche Endhalterklemmen auf die Tragschiene auf. Im Anschluss übernimmt der Mitarbeiter die vormontierte Baugruppe und komplettiert sie, während der LBR schon die nächste Klemmenleiste vorbereitet. Aufgrund ihres besonders festen Sitzes verhindern Endhalterklemmen das Verrutschen der auf der Tragschiene befindlichen Reihenklemmen und anderen Komponenten. Am LPS durchgeführte Messungen haben Kräfte von über 200 N zum Setzen der Endhalterklemmen nachgewiesen. Im rein manuellen Montageprozess führt das zu einer erheblichen physischen Belastung der Finger und Hand des Mitarbeiters. Werden die Endhalterklemmen durch den Leichtbauroboter auf die Tragschiene aufgebracht, verringert sich also die körperliche Anstrengung des Mitarbeiters, der jetzt die komplexen Montagetätigkeiten mit höherer Teilevarianz übernehmen kann. Durch diese Arbeitsteilung ergeben sich ebenfalls Qualitäts- und Effizienzvorteile: Die vormontierten Endhalterklemmen zeigen dem Mitarbeiter die Klemmenblöcke in exakter Position auf der Tragschiene an. So ist das Vergessen von Komponenten nahezu ausgeschlossen und Toleranzen können sich beim Aufbau der Klemmenleiste nicht mehr aufaddieren. Ferner entfällt das Einmessen von Anfangs- und Zwischenmaßen, was den Bestückungsprozess deutlich beschleunigt.
Bild: LPS
Bild: LPSÜberführung der Lösung auf bisher unbekannte Varianten
Die MRI-Anwendung ist im ersten Schritt in einer Simulation modelliert und optimiert worden. Anschließend haben die Kooperationspartner einen Demonstrator entwickelt, um die Umsetzbarkeit und das Sicherheitskonzept an Musterprodukten zu testen. Im nächsten Schritt wird die Applikation in den Realbetrieb des am LPS installierten Montagesystems überführt. Dazu wurde am Lehrstuhl ein Ansteuerungskonzept für den LBR erarbeitet, mit dem sich die Endhalterklemmen auf der Grundlage der digitalen Klemmenleistenbeschreibung ohne zusätzlichen Programmieraufwand auch für bisher unbekannte Varianten setzen lassen. In diesem Zusammenhang erhält das auf der Robotersteuerung befindliche Basisprogramm die Typen und Positionsdaten der Endhalterklemmen über eine TCP/IP-Schnittstelle. Damit dieses Prinzip breitere industrielle Anwendung findet, definieren Phoenix Contact und der LPS gemeinsam den zukünftigen Standard der digitalen Produktbeschreibung bei Phoenix Contact.
Datendurchgängigkeit auf der horizontalen und vertikalen Ebene
Die Industrialisierung des Schaltschrankbaus erweist sich als weitreichendes Vorhaben. Dabei geht es um die Erarbeitung und Produktisierung komplexer Lösungen als Zusammenspiel aus IT-technischem Know-how, Produktionsorganisation und Mechatronik. Mit dem Vorhaben sind erhebliche Umbrüche verbunden, deren aktive Gestaltung eine frühzeitige Lenkung und Begleitung erfordert, aber ebenso Freiräume für kreative Entwicklungen offen lassen muss. Diesen Herausforderungen können am Markt agierende Unternehmen oder Institutionen nur gemeinsam begegnen. Die Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Produktionssysteme und Phoenix Contact stellt somit eine Keimzelle für den Austausch mit Anwendern und Partnern sowie die Konzipierung technischer Lösungen dar. Neben der Produktisierung der bislang erarbeiteten Ansätze sind bereits weitere konkrete Aufgabenstellungen im Bereich der Mensch-Roboter-Kollaboration, Werkerassistenzsysteme und Arbeitsplatzgestaltung für Anwendungen im Schaltschrankbau geplant. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der vertikalen und horizontalen Datendurchgängigkeit, da sich diese mit Blick auf die Strukturierung aller Prozesse im Schaltschrankbau als ein wesentlicher Befähiger zeigt. Vollständige Produktbeschreibungen, offene Datenformate und eine reibungslose Kommunikation bilden die Grundlage für wandlungsfähige Prozesse, welche die Anforderungen einer industriellen Losgröße-1-Fertigung im Schaltschrankbau erfüllen können.
Umsetzung und Evaluierung theoretischer Konzepte
Der Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) an der Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Maschinenbau, wird seit 2015 durch Prof. Dr. Bernd Kuhlenkötter geleitet. Die wissenschaftliche Ausrichtung des LPS umfasst die Themenfelder Produktionsmanagement und -automatisierung, industrielle Robotik sowie Digitalisierung in der Fertigung. Der LPS betreibt eine nach modernen Gesichtspunkten ausgestattete Lern- und Forschungsfabrik (LFF), in der die theoretischen Konzepte umgesetzt und industrienah evaluiert werden.
Der Schaltschrankbau ist nach wie vor durch eine werkstattorientierte Fertigung gekennzeichnet. In Zeiten von Industrie 4.0 und Losgröße 1 zeigt sich dieser Ansatz als nicht wettbewerbsfähig. Wie sich Prozesse optimieren lassen und so der Aufwand reduziert werden kann, verdeutlichen die Ergebnisse einer Kooperation von Phoenix Contact und der Ruhr-Universität Bochum.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbHWeitergabe der umfassenden Erfahrungen
Phoenix Contact verfügt über ein umfassendes Know-how im Maschinenbau. Die 180 Mitarbeiter des eigenen Maschinenbaus unterstützen die entwickelnden und produzierenden Geschäftsbereiche des Unternehmens schon seit vielen Jahren weltweit. Das Leistungsportfolio reicht dabei von der Erstellung manuell bedienbarer Vorrichtungen bis zu komplexen Fertigungssystemen. In diesem Zusammenhang ist das ClipX-Konzept entstanden, das auf bewährten Kerntechnologien sowie einem breiten Wissen im Bereich des Engineering sowie der IT-Integration, Produktion und Logistik basiert. Seine Erfahrungen gibt das ClipX-Team auch an andere Unternehmen weiter. Angeboten werden beispielsweise:
? die Betrachtung des gesamten Fertigungsprozesses anhand von Lean-Methoden
? die gemeinsame Erarbeitung eines individuellen Konzepts für die manuelle,
teilautomatische oder automatische Gestaltung von Prozessen
Aufgrund der hohen nachfragebedingten Varianz erweist sich der manuelle Montageanteil im Schaltschrankbau als hoch. Da die Projektlaufzeiten seiner Kunden aus dem Maschinen- und Anlagenbau jedoch stetig kürzer werden, muss auch der Schaltschrankbau immer effizienter produzieren. Hinzu kommt ein steigender Kostendruck: Produkte bis zur Losgröße 1 sollen zu Stückkosten heutiger Großserien angeboten und dabei innerhalb kürzester Zeit von der Entwicklung bis zur Marktreife geführt werden. Eine werkstattorientierte Fertigung eignet sich für derartige Herausforderungen nur unzureichend. Der Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) der Ruhr-Universität Bochum und Phoenix Contact haben sich daher dieser Aufgabenstellung angenommen. Seit 2016 besteht zwischen der Hochschule und dem Unternehmen eine enge Forschungskooperation, um Themen rund um die Montage im Schaltschrankbau zu erörtern und entsprechende Lösungen zu entwickeln.
Phoenix Contact Deutschland GmbH
Dieser Artikel erschien in SCHALTSCHRANKBAU Sonderbeilage Schaltschränke 2018 - 21.11.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.schaltschrankbau-magazin.de
