Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen

Abstract

Immer kürzer werdende Produktlebenszyklen und kundenindividuellere Produkte zwingen Hersteller dazu ihr Produktionssystem immer schneller anzupassen. Eine solche Anpassung bietet erhebliches Einsparpotenzial, wenn damit die Prozesskette optimiert wird. Dies kann häufig nur über individuell angepasste Maschinen erfolgen. Gerade in Hochlohnländern resultiert daraus eine erhöhte Nachfrage nach Sondermaschinen. Die Maschinenhersteller sind damit gezwungen auftragsbezogene Entwicklungen durchzuführen, was einen hohen Anteil von Entwicklungskosten an der Gesamtinvestition mit sich bringt. Unter des Gesichtspunkts eines bevorstehenden Fachkräftemangel ist ersichtlich, dass kurze Auftragsdurchlaufzeiten nur durch ein äußerst effizientes Engineering erreichbar sind. Allerdings ist die Entwicklung solcher Maschinen immer noch geprägt von einer sequentiellen Reihenfolge der Disziplinen Mechanik-, Elektrokonstruktion und Automatisierung. Neben weiteren Defiziten führt eine ungenügende Anforderungsaufnahme für die Entwicklung, eine sehr geringe Wiederverwendung von mechatronischen Modulen bzw. ein sehr hohen Aufwand zur Erstellung dieser Module und voneinander entkoppelte Softwaresysteme zur Unterstützung der disziplinspezifischen Aufgaben zu unnötigen Aufwänden während der Projektabarbeitung. Deshalb ist das Ziel der vorliegenden Dissertation eine durchgängige softwaregestützte Methode für die integrierte mechatronische Sondermaschinenentwicklung bereitzustellen, welche die Disziplinen parallelisiert und eine Wiederverwendung bereits entwickelter mechatronischer Module mit sehr geringem Aufwand ermöglicht. Dazu wird zunächst analysiert, welche Abhängigkeiten die Disziplinen voneinander haben und wie mechatronische Module definiert werden können. Dies bildet die Basis für die erarbeitete Methode. Darin wird mit der Definition von Anforderungen, unterstützt von einer Sachmerkmalleiste begonnen. Anschließend werden die Anforderungen im Rahmen der Systementwurfsphase unter Einbeziehung aller Disziplinen auf Komponenten und Module heruntergebrochen. Dadurch entsteht ein mechatronisch abgestimmtes Maschinenkonzept. Dieses bildet die Basis für die nächste Phase parallel in den verschiedenen Disziplinen die Detaillierungen auszuarbeiten. Die abschließende Phase der Systemintegration validiert die Ergebnisse. Zur Unterstützung aller Phasen der beschriebenen Methode werden erhältliche Softwareprodukte bzw. eigens entwickelte Prototypen genutzt und über ein semantisches Netz integriert. Die Methode und deren softwaretechnische Unterstützung werden anhand einer Firmwarelademaschine validiert. Dadurch lassen sich die Anwendbarkeit und der Nutzen für eine Entwicklung von Sondermaschinen nachweisen.

Short Product Lifecycles and customized products force manufacturers to adapt their production systems faster and faster. Such adaptions offer chances of high cost reductions, particularly if thereby the process chain is optimized. This can be achieved through using customized machines. Especially in high-wage countries an increasing demand to specialized production machines can be noticed. Therefor machine builders are forced to engineer machines related to orders, which brings up a high amount of engineering-costs based on the total investment. It is obvious that the perspective of skilled worker shortage needs a highly efficient engineering to get short order throughput times. Certainly, the development of such machines is characterized by engineering sequentially within the disciplines of mechanics, electrics and automation. Beside further deficits insufficient definitions of requirements, low reuse of mechatronic modules respectively high efforts for definition of such modules and disconnected software-tools supporting the discipline specific tasks lead to unnecessary efforts along the project. Based on that, the goal of this thesis is to provide a seamless method for integrated mechatronic engineering of specialized production machines, parallelizing disciplines and reusing already developed mechatronic modules with nominal efforts. Thereto an analysis is done, getting the dependencies the disciplines have to each other and how mechatronic modules can be defined. This is the base for the presented method, starting with the definition of requirements, which is supported via a class list of characteristics. Afterwards, the requirements are broken down to components and modules within the phase of system design. This leads to a mechatronic machine concept. Within the next phase the different disciplines are working on the detailing in parallel. In conclusion a system-integration is done for validating the results. Supporting the different phases, available software-tools or specially built prototypes are used and integrated into a semantic net. The method and their software-assistance is validated based on a firmwareloading-machine. This shows the applicability and the benefits for the engineering of specialized production machines.