DE102016012451A1

DE102016012451A1 - Verfahren zum Überwachen, Analysieren und Betreiben wenigstens einer Produktionsanlage

Info

Publication number: DE102016012451A1
Application number: DE102016012451.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rehmann; Andreas Bünting
Original assignee: Ehr & Co KG GmbH; Daimler AG
Current assignee: Isv Ehr De GmbH
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen und Betreiben wenigstens einer Produktionsanlage, mit den Schritten: Erfassen von Prozessdaten von jeweiligen, zu wenigstens einer Prozesskette (10) der Produktionsanlage gehörenden Produktionsmitteln (24), mittels welchen Bauteile von zumindest einer Bauteilvariante hergestellt werden; Erfassen von Messgrößen an den Produktionsmitteln (24) und/oder Bauteilen entlang der Prozesskette (10); Vorgeben von zumindest einem Qualitätsmerkmal, welches die Qualität der Bauteile quantifiziert; Ermitteln von Wechselwirkungen zwischen den Messgrößen, Prozessdaten und dem zumindest einen Qualitätsmerkmal; Betreiben der Produktionsmittel (24) auf Basis der ermittelten Wechselwirkungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen, Analysieren und Betreiben wenigstens einer Produktionsanlage.
Beim Betreiben einer Produktionsanlage spielt eine Vielzahl von unterschiedlichen Einflussfaktoren eine Rolle im Hinblick auf die erzielbare Qualität herzustellender Bauteile. Insbesondere die Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Einflussfaktoren einer Produktionsanlage ist wesentlich, um jeweilige Produktionsmittel, wie beispielsweise Anlagen, Maschinen, Geräte und Werkzeuge, so einzustellen und aufeinander abzustimmen, dass eine bestimmte Qualität bei herzustellenden Produkten sichergestellt werden kann.
Die DE 21 2010 000 220 U1 zeigt ein System zur automatischen Aufnahme und Strukturierung von technischen Schäden an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs, die bei einem Unfall oder durch andere mechanische Einflüsse aufgetreten sind. Die Beschädigungen an der Fahrzeugkarosserie werden nach Sektionen, wie zum Beispiel Motorhaube, Kotflügel vorne links, und dergleichen differenziert. Je nach Auswerteergebnis werden jeweilige beschädigte Bauteile erneuert, neu lackiert oder anderweitig instandgesetzt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen, Analysieren und Betreiben wenigstens einer Produktionsanlage bereitzustellen, mittels welchem ein besonders gutes Verständnis der Abläufe der Produktionsanlage sowie der Wechselwirkungen zwischen eingesetzten Produktionsmitteln und hergestellten Bauteilen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überwachen und Betreiben wenigstens einer Produktionsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen und Betreiben wenigstens einer Produktionsanlage werden Prozessdaten von jeweiligen, zu wenigstens einer Prozesskette der Produktionsanlage gehörenden Produktionsmitteln erfasst, mittels welchen Bauteile zumindest einer Bauteilvariante hergestellt werden. Des Weiteren werden Messgrößen an den Produktionsmitteln und/oder Bauteilen entlang der Prozesskette erfasst. Es wird zumindest ein Qualitätsmerkmal vorgegeben, welches die Qualität der Bauteile quantifiziert. Des Weiteren werden Wechselwirkungen zwischen den Messgrößen, den Prozessdaten und dem zumindest einen Qualitätsmerkmal ermittelt, wobei die Produktionsmittel auf Basis der ermittelten Wechselwirkungen betrieben werden.
Unter Produktionsmitteln sind insbesondere Anlagen, Maschinen, Geräte, Werkzeuge, Vision Systeme und die damit verbundenen produktionstechnischen Verfahren zu verstehen, mittels welchen die besagten Bauteile hergestellt werden. Bei den erfassten Prozessdaten kann es sich beispielsweise um eine Datenaufnahme von Prozess- und Technologieparametern handeln, beispielsweise von Laserquellen, Prozessoptiken, Förder- und Handhabungssystemen, Presssystemen, Translations- und Rotationseinheiten, 2D- oder 3D-Oberflächenmesssystemen, Sensorsystemen, Laserstrahlcharakterisierungen, Reinigungseinheiten, Prüfsystemen und dergleichen. Es werden verschiedenste Prozessparameter aus Vorprozessen, Hauptprozessen und nachgeschalteten Prozessen aufgenommen, ausgewertet und in ein übergeordnetes Qualitätssicherungssystem übertragen und dokumentiert. Die Zuordnungen erfolgen bauteilspezifisch und mit Bezug zu den Quality-Gates.
Erfindungswesentlich ist dabei die intelligente, methodische Analyse und Auswertung von vorzugsweise allen für die Herstellung der Bauteile relevanten Messgrößen und deren Auswirkungen auf die Herstellung der Bauteile. Verschiedenste sogenannte Quality-Gates können als Funktion verschiedener Haupteinflussgrößen auf die Produktionsanlage angepasst und optimiert werden.
Im Wesentlichen können alle Größen sowohl an den Produktionsmitteln als auch an den Bauteilen entlang der gesamten Prozesskette gemessen werden, wobei insbesondere diejenigen Messgrößen erfasst werden, welche einen besonders wesentlichen Einfluss auf das Produktionsergebnis haben. Darüber hinaus können verschiedene Qualitätsmerkmale, beispielsweise in Form von Qualitätskennzahlen, vorgegeben werden, welche die Qualität der hergestellten Bauteile quantifizieren bzw. charakterisieren. Durch Ermittlung der verschiedenen Wechselwirkungen zwischen den Messgrößen, Prozessdaten und den Qualitätsmerkmalen können die verschiedenen Wirkzusammenhänge innerhalb der Produktionsanlage ermittelt und beim Betreiben der einzelnen Produktionsmittel berücksichtigt werden.
Insbesondere kann im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Softwareapplikation verwendet werden, die der Sammlung, Speicherung, Interpretation und Visualisierung von Sensor- und/oder Systemdaten einer industriellen Produktionsanlage oder eines Anlagenteils dient. Diese Softwareapplikation ist grundsätzlich in der Lage, alle auftretenden Maschine-Maschine- sowie Mensch-Maschine-Kommunikationsprotokolle und -verfahren bereitzustellen sowie die Kommunikation untereinander sicherzustellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt eine Systemarchitektur mit entsprechenden Schnittstellen zum Einsatz, die allgemeingültig sind und nicht nur ausschließlich auf bestimmte Prozessschritte oder Anlagenteile begrenzt sind. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt daher ein Systemkonzept zugrunde, das die Vernetzung mehrerer unterschiedlicher Fertigungslinien auch an unterschiedlichen Standorten ermöglicht.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein gesteigertes Prozesskettenverständnis im Hinblick auf die Produktionsanlage ermöglicht, wobei insbesondere Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Haupteinflussgrößen der Produktionsanlage besser verstanden werden können. Daraus ergibt sich eine Erhöhung der gesamten Anlagenverfügbarkeit und die Möglichkeit einer verbesserten Teil- und Gesamtprozessoptimierung der Produktionsanlage.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein mittels der Produktionsmittel an dem Bauteil durchgeführter Produktionsschritt in Form eines Videos aufgezeichnet und das Video ausgewertet wird, wobei die Auswertung des Videos zumindest beim Betreiben des aufgezeichneten Produktionsmittels berücksichtigt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem besagten Produktionsschritt um einen Schweißvorgang an einem Bauteil handeln, wobei in diesem Zusammenhang Schmelzbäder untersucht werden können, indem während des Schweißvorgangs ein Video von den auftretenden Schmelzbädern aufgezeichnet wird. Unter Zuhilfenahme einer Bildverarbeitung können die aufgezeichneten Schmelzbäder untersucht und analysiert werden. In Kenntnis der Charakteristika der jeweiligen Schmelzbäder kann beispielsweise der eigentliche Prozessschritt des Schweißens optimiert werden. Grundsätzlich erfolgt also vorzugsweise eine Art aktive Videoauswertung während einzelner Prozessschritte. Dadurch kann das Verständnis der einzelnen Prozessschritte und gegebenenfalls auch der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessschritten untereinander gesteigert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Teil der auf die Bauteile bezogenen Messgrößen mit Daten eines Finite-Elemente-Modells von Bauteilen verglichen wird. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Bauteil während seiner Herstellung in irgendeiner Weise verformt oder mit Kräften beaufschlagt wird. Durch einen Vergleich mit einem Finite-Elemente-Modell können besonders gute Rückschlüsse dahingehend gezogen werden, ob das Bauteil nun in wunschgemäßer Weise gerade bearbeitet wird oder nicht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass auf die Abmaße der Bauteile bezogene Messgrößen mit einem Bauteilmodell, insbesondere mit einem CAD-Modell, verglichen werden. Die Maßhaltigkeit während der Herstellung des Bauteils kann dadurch auf besonders einfache Weise überprüft werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Teil der Prozesskette simuliert und daraus resultierende Simulationsergebnisse mit den Messgrößen, Prozessdaten und/oder dem zumindest einen Qualitätsmerkmal verglichen sowie bei der Steuerung der Produktionsmittel berücksichtigt wird. Es kann also eine integrierte Teil- und Gesamtprozesssimulation der Produktionsanlage und insbesondere der bei der Herstellung der Bauteile eingesetzten Produktionsmittel erfolgen. Durch einen Abgleich zwischen den Simulationsergebnissen und den real auftretenden Werten im Zuge der Produktion können wertvolle Rückschlüsse im Hinblick auf die verschiedensten Wechselwirkungen der Produktionsanlage gewonnen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei zumindest einem der Produktionsmittel eine Prozessfähigkeitsuntersuchung durchgeführt und beim Betreiben der Produktionsmittel berücksichtigt wird. Im Qualitätsmanagement untersucht die Prozessfähigkeitsuntersuchung das Verhältnis zwischen der Häufigkeitsverteilung eines messbaren Qualitätsmerkmals und der für dieses Merkmal vorgegebenen Toleranz. Ziel der Untersuchung ist es, Aussagen über die Qualitätsfähigkeit des betreffenden Prozesses, der dieses Merkmal herstellt, zu machen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens eine statistische Versuchsplanung bei zumindest einem der Produktionsmittel durchgeführt und beim Betreiben der Produktionsmittel berücksichtigt wird. Die statistische Versuchsplanung wird im Englischen auch mit dem Ausdruck Design of Experiments, abgekürzt DoE, bezeichnet. Die statistische Versuchsplanung wird insbesondere bei der Entwicklung und Optimierung von Produkten oder Prozessen eingesetzt. Da Versuche Ressourcen in Form von Personal, Zeit, Betriebsmitteln und dergleichen benötigen, besteht üblicherweise ein Zwiespalt zwischen einerseits der Genauigkeit und Zuverlässigkeit und andererseits dem dazu notwendigen Aufwand. Mit der statistischen Versuchsplanung wird mit möglichst wenigen Versuchen, also Einzelexperimenten, der Wirkzusammenhang zwischen verschiedenen Einflussfaktoren und Zielgrößen möglichst genau ermittelt. Die statistische Versuchsplanung ist also eine Methodik zur systematischen Planung und statistischen Auswertung von Versuchen. Es wird mit geringem Aufwand der funktionale Zusammenhang von Einflussparametern und den Ergebnissen ermittelt und mathematisch beschrieben. Der Vorteil hierbei ist, dass die hierzu benötigten Ressource, wie zum Beispiel Personal, Zeit und Kosten, vor der Durchführung der Versuche bekannt und quantifizierbar sind. Zudem werden bei der statistischen Versuchsplanung üblicherweise mehrere Faktoren gleichzeitig verändert.
Schließlich ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass ein Algorithmus für einen Regelkreis bereitgestellt und beim Betreiben der Produktionsmittel berücksichtigt wird. Dabei werden unter anderem Stellgrößen für die Haupteinflussgrößen der Produktionsmittel bereitgestellt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer Prozesskette zum Herstellen eines Bauteils, wobei mittels eines Systems verschiedenste Daten aus der Prozesskette gewonnen, aufbereitet, visualisiert und analysiert werden; und in
2 eine schematische Darstellung von drei Schweißzellen zum Kehlnahtschweißen, wobei drei der besagten Systeme zur Datenanalyse, Datenvisualisierung und Datenanalyse den jeweiligen Schweißzellen zugeordnet sind.
Eine Prozesskette 10 von einer nicht näher dargestellten Produktionsanlage ist in einer schematischen Darstellung in 1 gezeigt. Die Prozesskette 10 umfasst eine Vielzahl von einzelnen Prozessen 12, welche zur Herstellung eines nicht näher dargestellten Bauteils erforderlich sind. Innerhalb der Prozesskette 10 sind verschiedene sogenannte Quality-Gates 14, 16 vorgesehen. Der Prozesskette 10 ist des Weiteren noch ein System 17 zugeordnet, welches dazu ausgelegt ist, verschiedenste Daten aus den einzelnen Prozessen 12 zu sammeln, zu visualisieren und zu analysieren, um basierend darauf die gesamte Prozesskette zu optimieren und zu regeln.
Das System 17 ist dazu ausgebildet, eine nachhaltige Prozessdatensammlung, -analyse und -visualisierung vorzunehmen. Das System 17 ist dazu ausgelegt, eine intelligente Analyse und Auswertung aller relevanten physikalischen und elektrischen Messgrößen vorzunehmen sowie basierend darauf eine Verknüpfung zu den herzustellenden Bauteilen zu schaffen. Die jeweiligen Quality-Gates 14, 16 können in Abhängigkeit von Haupteinflussgrößen angepasst werden. Insbesondere können mittels des Systems 17 verschiedenste Prozessdaten von jeweiligen zur Prozesskette 10 der Produktionsanlage gehörenden Produktionsmitteln erfasst werden, mittels welchen Bauteile von beispielsweise einer Bauteilvariante oder auch mehreren Bauteilvarianten hergestellt werden.
Dafür kann unter anderem auf verschiedenste Sensordaten zurückgegriffen werden, welche Messgrößen an den einzelnen Produktionsmitteln und auch an den Bauteilen entlang der Prozesskette 10 bereitstellen können. Durch Vorgabe verschiedener Qualitätsmerkmale, welche die Qualität der herzustellenden Bauteile quantifizieren, können Wechselwirkungen zwischen diesen Qualitätsmerkmalen, den Messgrößen und Prozessdaten ermittelt werden. In Kenntnis dieser Wechselwirkungen kann die gesamte Prozesskette 10 wiederum optimiert werden, um besonders qualitativ hochwertige Bauteile herzustellen und die Anlagenverfügbarkeit als Ganzes zu steigern.
In 2 sind schematisch mehrere Schweißzellen 18, 20, 22 dargestellt. Jeder der Schweißzellen 18, 20, 22 ist eines der besagten Systeme 17 zugeordnet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur bei der Schweißzelle 18 eingesetzte Produktionsmittel 24 dargestellt. Bei den Produktionsmitteln 24 kann es sich beispielsweise um einen Lasergenerator, eine speicherprogrammierbare Steuerung, eine Drahtzufuhr, eine Schweißoptik, einen Roboter und weitere Produktionsmittel handeln. Alle für die innerhalb der Schweißzellen 18, 20, 22 relevanten Messgrößen können erfasst und überwacht werden.
Aus diesen Messgrößen können jeweilige Haupteinflussfaktoren auf die erzielbare Qualität beim Schweißen selektiert werden, also die Haupteinflussgrößen, welche für die Qualität des Schweißvorgangs bei dem herzustellenden Produkt maßgeblich sind. Diese können wiederum unterschiedlichen Qualitätsmerkmalen im Sinne eines Prüfkriteriums zugeordnet werden. Dadurch kann zwischen den Messgrößen, insbesondere zwischen Haupteinflussgrößen, und den Qualitätsmerkmalen herausgefunden werden, welche Wechselwirkungen in welcher Form bestehen. Verschiedenste Korrelationen können dabei analysiert werden, wobei auch unterschiedlichste Modelle für die Schweißzellen 18, 20, 22 bereitgestellt werden können.
Die in den Schweißzellen 18, 20, 22 eingesetzten Systeme 17 umfassen jeweils eine Datensammeleinrichtung 26 und eine Datenauswerteeinrichtung 28. Jeweilige mittels der Datensammeleinrichtung 26 gesammelten Daten können beispielsweise einer Cloud 29 zugeführt werden, welche zum Beispiel einen Datenbank-Server zur Speicherung und auch zur Weiterverarbeitung der Daten aufweisen kann. Darüber hinaus werden die mittels der Datensammeleinrichtung 26 gesammelten Daten an die Datenverarbeitungseinrichtung 28 weitergeleitet. Diese kann ausgewertete Daten wiederum beispielsweise einem Nacharbeitsplatz 30 zur Verfügung stellen, der eine Anzeigeeinrichtung 32 zur Visualisierung der ausgewerteten Daten aufweisen kann. Des Weiteren können die gesammelten Daten auch beispielsweise einer weiteren Anzeigeeinrichtung 32 zugeführt werden, welche sich beispielsweise in einem Büro 34 befindet.
Verschiedenste Prozessparameter, beispielsweise an Lasergeneratoren, speicherprogrammierbaren Steuerungen, Drahtzufuhreinrichtungen, Schweißoptiken, Robotern und dergleichen können so gesammelt und ausgewertet werden. In den jeweiligen Schweißzellen 18, 20, 22 können also sämtliche relevanten Prozessparameter und Messgrößen aufgenommen und ihre Wechselwirkungen untereinander insbesondere im Hinblick auf das erzielbare Schweißergebnis ausgewertet werden. Beispielsweise ist es auch möglich, mittels Videosystemen bzw. Videokameras jeweilige beim Schweißen auftretende Schmelzbäder aufzuzeichnen und zu analysieren. Die Analyseergebnisse können wiederum dafür verwendet werden, die verschiedenen Produktionsmittel 24 der Schweißzellen 18, 20, 22 besser abzustimmen, um das Schweißergebnis zu verbessern. Daneben können auch Prozessfähigkeitsuntersuchungen und auch statistische Versuchsplanungen an den einzelnen Schweißzellen 18, 20, 22 durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Algorithmus für einen Regelkreis bereitzustellen, mittels welchem die einzelnen Schweißzellen 18, 20, 22 betrieben werden.
Durch eine intelligente Analyse und Auswertung von verschiedenen Sensor- und Systemdaten und deren Verknüpfung mit dem jeweils erzielten Bauteilergebnis, insbesondere auch mit einem sogenannten End of Line Prüfergebnis, können die einzelnen Herstellprozesse optimiert werden. Insgesamt ergibt sich dadurch ein gesteigertes Prozesskettenverständnis, vor allem im Hinblick auf die verschiedenen Wechselwirkungen der Haupteinflussgrößen untereinander. Dadurch kann auch die Anlagenverfügbarkeit erhöht werden, wobei insbesondere auch eine besonders gute Teil- und Gesamtprozessoptimierung ermöglicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 212010000220 U1 [0003]

Claims

Verfahren zum Überwachen und Betreiben wenigstens einer Produktionsanlage, mit den Schritten: – Erfassen von Prozessdaten von jeweiligen, zu wenigstens einer Prozesskette (10) der Produktionsanlage gehörenden Produktionsmitteln (24), mittels welchen Bauteile von zumindest einer Bauteilvariante hergestellt werden; – Erfassen von Messgrößen an den Produktionsmitteln (24) und/oder Bauteilen entlang der Prozesskette (10); – Vorgeben von zumindest einem Qualitätsmerkmal, welches die Qualität der Bauteile quantifiziert; – Ermitteln von Wechselwirkungen zwischen den Messgrößen, Prozessdaten und dem zumindest einen Qualitätsmerkmal; – Betreiben der Produktionsmittel (24) auf Basis der ermittelten Wechselwirkungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mittels einer der Produktionsmittel (24) an den Bauteilen durchgeführter Produktionsschritt in Form eines Videos aufgezeichnet und das Video ausgewertet wird, wobei die Auswertung des Videos zumindest beim Betreiben des aufgezeichneten Produktionsmittels (24) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der auf die Bauteile bezogenen Messgrößen mit Daten eines Finite-Elemente-Modells von den Bauteilen verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Abmaße der Bauteile bezogene Messgrößen mit einem Bauteilmodell, insbesondere mit einem CAD-Modell, verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Prozesskette (10) simuliert und daraus resultierende Simulationsergebnisse mit den Messgrößen, Prozessdaten und/oder dem zumindest einen Qualitätsmerkmal verglichen sowie bei der Steuerung der Produktionsmittel (24) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem der Produktionsmittel (24) eine Prozessfähigkeitsuntersuchung durchgeführt wird und beim Betreiben der Produktionsmittel (24) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine statistische Versuchsplanung bei zumindest einem der Produktionsmittel (24) durchgeführt und beim Betreiben der Produktionsmittel (24) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Algorithmus für einen Regelkreis bereitgestellt und beim Betreiben der Produktionsmittel (24) berücksichtigt wird.