Entwicklung einer Bewertungsmethode zur Auswahl kollaborierender Roboter für Cyber-Physikalische Montagesysteme

Abstract

Die Montage nimmt eine besondere Stellung in den Entwicklungen der Industrie 4.0 ein. Aufgrund ihrer Marktnähe müssen Montagesysteme veränderungsfähig gestaltet sein. Dem wird im Zuge der Industrie 4.0 mittels Cyber-Physikalischer Systeme (CPS) begegnet. Diese Systeme zeichnen sich durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) aus und führen zu einer steigenden Vernetzung von Mensch, Maschine und Organisation. Vom Einsatz dieser in der Montage stammt der Begriff Cyber-Physikalischer Montagesysteme (CPMS). Stellvertretend hierfür können visuelle Werkerassistenzsysteme und kollaborierende Roboter genannt werden. Dabei ist es schwer aufgrund komplexer Einsatzmöglichkeiten den konkreten Nutzen solcher Systeme abzuschätzen. Auf Betriebsmittelebene liefert die facheinschlägige Literatur hierzu keine Hilfestellung. Daraus ergibt sich die Zielstellung der vorliegenden Arbeit. Es wird eine praxisnahe Bewertungsmethodik, welche der Auswahl der geeignetsten CPS-Lösung für ein betrachtetes Einsatzgebiet am Beispiel kollaborierender Roboter dient, entwickelt. Anhand von Literaturrecherchen werden aktuelle Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen im Bereich Montage und CPS erarbeitet. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen der Ableitung von Anforderungen an die Bewertungsmethodik. Diese Anforderungen fungieren zur Identifikation für die Zielstellung in Frage kommender Methoden aus der Literatur und der Bewertung hinsichtlich ihrer Eignung. Daraus resultiert eine Kombination aus einer qualitativen, multikriteriellen Methodik, wie dem Quality Function Deployment (QFD) oder der Nutzwertanalyse, mit einer monetären Betrachtung als geeignete Vorgehensweise. Die darauf aufbauende entwickelte Methodik wird im Zuge einer Validierung auf Plausibilität und Erfüllung der entwickelten Anforderungen geprüft. Trotz höherem Aufwand gegenüber der Nutzwertanalyse hat sich der Einsatz einer adaptierten QFD-Methodik aufgrund erhöhter Objektivität und der Möglichkeit einer differenzierteren Betrachtung bewährt. In zukünftigen Arbeiten wird es erforderlich sein, die Methodik im Feld zu evaluieren und auf weitere Anwendungsgebiete auszuweiten. Dadurch kann der konkrete Nutzen von CPS im Vergleich zu konventionellen Alternativen dargestellt werden.

Assembly occupies a special position in the development of Industrie 4.0. Due to the proximity to the market, assembly systems must be designed capable of change. In course of Industrie 4.0 this is encountered by using cyber-physical systems (CPS). These systems are characterized by the use of Information and Communication Technology (ICT) and lead to increased integration of man, machine and organization. The usage of such systems in assembly leads to the term cyber-physical assembly systems (CPMS). CPMS are represented by visual assistant systems and collaborative robots. Due to complex applications it is difficult to assess the benefits of such systems. For this assessment the relevant literature provides no assistance on the operating level, leading to the aim of this thesis. A practically oriented assessment methodology is developed, which is used to select CPS, and is executed in the example of collaborative robots. Based on the literature review, current challenges and future developments in the field of assembly and CPS are identified. The lessons learned are used to derive requirements on the assessment methodology. These requirements serve to identify relevant assessment methodologies targeting the objective of this thesis and help in evaluation of their suitability. The result is a combination of a qualitative, multi-criteria methodology - as the Quality Function Deployment (QFD) or the cost-utility analysis - with monetary considerations as a suitable procedure. The developed methodology is examined in the course of a validation for plausibility and compliance with the mentioned requirements. Despite higher efforts in executing the methodology compared to the cost-utility analysis, the use of an adapted QFD methodology has proven to match the requirements in a better way. This is due to increased objectivity and the ability to serve as a tool for a better differentiation of the observed alternatives. In future work it will be necessary to evaluate the methodology in the field and extend it to other areas of application. This allows for a representation of the benefits of CPS compared to conventional alternatives.