Entwicklung und Umsetzung eines Konzepts zur automatisierten, echtzeitfähigen Synchronisation von physischem Arbeitsprozess und digitalem Informationsfluss in einer cyber-physischen Montageumgebung

Abstract

Die Kundenwünsche haben sich in den letzten Jahrzehnten soweit verändert, dass sehr variantenreiche, qualitativ hochwertige und kostengünstige Produkte am Markt gefordert werden. Auf Grund der Globalisierung und eines daraus resultierenden internationalen Wettbewerbs sind Unternehmen dem Druck zur Entwicklung ausgesetzt, um den Kundenwünschen gerecht zu werden.1 Bereits in der Produktion müssen Methoden und Konzepte entwickelt werden, um aktuellen Marktanforderungen zu entsprechen. Im Zuge dieser Arbeit wird ein Konzept entwickelt, umgesetzt und validiert, mit welchem manueller, physischer Arbeitsprozess in einem Montagesystem durch eingebettete Sensorik automatisiert erfasst und dokumentiert werden kann. Der theoretische Teil beinhaltet eine umfassende Auswahl an Sensoren und Sensorsystemen, welche fortlaufend weiterentwickelt werden. Das entwickelte Auswahlsystem basiert auf der Unterteilung von Montageschritten in Grundbewegungen, um einen Grad für die Montagefortschrittsabdeckung zu erhalten. Die beschriebenen Sensoren werden, anhand ihrer Möglichkeiten Montagefortschrittsgrößen zu erfassen, Grundbewegungen zugewiesen. In einem zweiten Teil wird das entwickelte Verfahren anhand einer realen Produktionssituation angewandt, um die geeignete Sensorauswahl für eine optimale Montagefortschrittserkennung zu treffen. Zuletzt findet eine praktische Umsetzung der Lösung statt, sie beinhaltet die mechanische, sowie die elektronische Implementierung der ausgewählten Sensoren in der „TU Wien Pilotfabrik Industrie 4.0“. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Synchronisation des Prozessfortschrittes mit den, ihn umgebenden, intelligenten Betriebsmitteln, ohne dass manuelle Eingaben durch den Mitarbeiter erforderlich sind. Weitere wichtige Aspekte sind ein unterbrechungsfreier und zeitlich synchronisierter Arbeitsfluss von Mensch und Maschine in einem gemeinsamen Arbeitssystem, welches eine hohe Produktivität sowie eine hohe Mitarbeiterakzeptanz aufweist. Das Auswahlverfahren, angewandt auf die Montage in der „TU Wien Pilotfabrik Industrie 4.0“, hat ergeben, dass eine Gewichtsmessung des Montagetisches und des darauf befindlichen Montagestückes, unter Berücksichtigung aller Faktoren, eine Montagefortschrittserkennung von 82% ermöglicht. Die Gewichtsmessung wurde als Ergänzung zur Montagefortschrittserkennung getestet und die Auswertung der Ergebnisse lieferte die Erkenntnis, dass sowohl eine zuverlässige Fortschrittserkennung, als auch eine frühzeitige Fehlererkennung in der Montage erzielt wird.

Over the last few decades, customer expectations evolved towards highly varied, costeffective and high-quality products. Moreover, globalization and the international competition add further pressure on manufacturing companies. 2 In order to fulfill all customer requirements and stay competitive, manufacturing companies have to develop new methods and concepts to adapt their production processes constantly to the given requirements. In the scope of this thesis, an adaptive concept for monitoring and documenting manual assembly processes with the help of embedded sensor systems is developed. In the first theoretical part, commercially available systems to monitor assembling processes are presented and analyzed. Moreover, a structured procedure to determine the total degree of monitoring of a complex assembly process is proposed. The entire assembling process is formally broken down into simple tasks. Basic motions are associated to each task and it is finally determined if each basic motion is monitored by an appropriate sensor system. In the second part, the proposed procedure is applied to the assembly line of a 3D-printer in “TU Wien Pilotfabrik Industrie 4.0”. The experimental part of this work deals with the implementation of an embedded sensor system suggested by the procedure described in the theoretical part. The goal of this thesis is to synchronize different intelligent assistant systems with the assembly progress without any manual interaction by the employee. Moreover, the system should operate in real-time and should not interrupt any workflow in order to ensure high productivity and employee acceptance. The procedure presented in the theoretical part applied to the assembly process of a 3D-printer in “TU Wien Pilotfabrik Industrie 4.0” suggested that adding a weight monitoring system to the assembly line would allow monitoring of 82% of all assembly tasks. The weight monitoring system was implemented, and the results showed that an accurate weight monitoring system allows reliable assembly progress detection and early assembly error detection.