Algorithmische Konzeption von Hochautomatisierten Fließmontagesystemen am Beispiel des Automobilen Karosseriebaus

Abstract

Die Herstellung von variantenreichen Produkten durch hochautomatisierte Anlagen stellt zunehmend eine Kernkompetenz in der Automobilindustrie dar. Insbesondere die Schnittstelle zwischen der Produktentwicklung und der Produktion – der Produktionsentwicklung – trägt diesbezüglich eine hohe Verantwortung und muss sich steigenden Herausforderungen stellen. Dabei muss in Gewerken, wie dem automobilem Karosserierohbau mit typischerweise hohen Automatisierungsgraden, die Produktionsentwicklung in erster Linie Fließmontagesysteme entwickeln, die aufgrund des hohen Investitionsaufwands eine maximale wirtschaftliche Effizienz aufweisen. Immer kürzere Produktlebenszyklen zwingen Unternehmen zusätzlich dazu, die dafür benötigten Produktionssysteme in immer kürzeren Zeitabständen zu planen. Um genau diesen Herausforderungen entgegenzuwirken, liegt der Fokus der vorliegenden Forschungsarbeit auf einer neuartigen Methode, die eine auf Algorithmen basierende Konzipierung von hochautomatisierten Montagesystemen ermöglicht. Grundlage für die algorithmische Planung bilden Produkt- und Fügefolgeinformationen sowie Projektprämissen. In einer Wissensbasis ist für die Planungsalgorithmen explizites produktionstechnisches Wissen formalisiert sowie implizites Planungswissen mittels vordefinierter Montagetemplates abgelegt.

Die Planungsalgorithmen basieren auf dem impliziten Enumerationsverfahren Branch and Bound. Ein Regelwerk bestimmt dabei, welche Montagetemplates der Wissensbasis enumeriert werden sollen. Randbedingungen stellen dabei sicher, dass die technische Realisierbarkeit der Ergebnisse eingehalten wird sowie die Berechnung einem hohen Effizienzgrad entspricht. Die erarbeitete Methode wurde prototypisch als Softwaresystem realisiert.

Der Prototyp hat Softwareexperimente ermöglicht, die zeigen, dass reale Szenarien in einer Zeit berechnet werden können, die industrielle Anforderungen übertreffen. Darüber hinaus wurde, anhand der Szenarien, die Qualität der algorithmischen Planungsergebnisse einer systematischen Analyse unterzogen. Die Analyse zeigt auf, dass die Ergebnisse einer sehr hohen Qualität entsprechen und der Einsatz im Planungsprozess zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führt.

Alternate abstract:

The production of multi-variant products using highly automated systems is increasingly becoming a core competence in the automotive industry. In particular, the interface between product development and production – the production development – bears a high responsibility and is facing increasing challenges. In production stages, such as the automotive body-in-white with typically high degrees of automation, production development must primarily develop flow assembly systems that exhibit maximum economic efficiency due to the high investment outlay involved. Furthermore, ever shorter product life cycles are forcing companies to plan the necessary production systems at shorter intervals.

In order to precisely address this challenge, the present research work focuses on a novel method that enables algorithm-based planning of highly automated assembly systems. Product and joining sequence information form the basis for the algorithmic planning. In a knowledge base, explicit production engineering knowledge is formalized, and implicit procedural knowledge is stored by means of predefined assembly scenarios. Considering the knowledge base, the implicit enumeration procedure Branch and Bound is applied and a ruled-based algorithm determines which of the knowledge elements are to be enumerated. Boundary conditions, on the other hand, ensure the technical feasibility of the results.

The developed methodology has been prototypically implemented as a software system. Software experiments have shown that industrial scenarios can be solved in reasonable time. In addition, the quality of the generated system results has been systematically analyzed. The analysis has shown that the results are of high quality and the efficiency of the planning process can be significantly increased.