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Cyberrüsten 4.0

Das qualifizierte Erfahrungswissen der Maschinenbediener wird festgehalten

| Autor/ Redakteur: Bernd Engel, Marcus Schweitzer, Volker Wulf, Sven Hoffmann, Oliver Selter, Sascha Jan Sckudlarek, Marcus Hupertz, Stefan Thilo, Darwin Abele, Christopher Kuhnhen und Linda Schulte / Annedore Bose-Munde

Die cyber-physische Rüstunterstützung soll zukünftig Maschinenrüstzeiten auf mindestens die Hälfte der heute benötigten Zeit reduzieren. Mithilfe eines Prototypen-Leitsystems wird dabei auf quantifiziertes Erfahrungswissen der Maschinenbediener zurückgegriffen.

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Die Biegemaschine Tubotron 120 wird am Lehrstuhl für Umformtechnik als Maschinendemonstrator für das Prototypenleitsystem genutzt.
Die Biegemaschine Tubotron 120 wird am Lehrstuhl für Umformtechnik als Maschinendemonstrator für das Prototypenleitsystem genutzt.
( Bild: UTS/ R. Thor )

Ziel des Verbundvorhabens „Cyber-physische Unterstützung des Menschen beim Rüstvorgang am Beispiel eines Biegeprozesses zur Kleinserienfertigung auf Basis eines Wissenstransferansatzes“ ist es, den Maschinenbediener beim Einrichten des beispielhaft ausgewählten Umformprozesses Biegen mit einem cyber-physischen System zu unterstützen und durch Abbildung der Entscheidungsmöglichkeiten in der Komplexität des Rüstvorgangs zu entlasten.

Dieses Konzept erfolgt auf Basis von zuvor beobachteten und in einem Modell quantifizierten kognitiven Entscheidungsprozessen verschiedener Maschinenbediener und unter Zuhilfenahme umformtechnischer Analytik. Der Lösungsansatz beruht dementsprechend auf umformtechnischen Modellen, der Quantifizierung von menschlichen Erfahrungen und Verhaltensweisen in einem mentalen Modell, der Umsetzung dieser Entscheidungshilfen in Software sowie der Verbesserung der Maschinenergonomie.

Ziel ist es, die Einstellvorgänge mit „best practice“ zu verbinden und damit den Ausgangspunkt für eine IT-basierende Unterstützung zu schaffen. Beim Einstellprozess ist ferner zu erwarten, dass visuelle und haptische Reize das implizite Wissen prägen. Dieses Wissen gilt es in möglichst einfacher Weise zu explizieren oder transfergerecht zu gestalten. Außerdem soll ein optimierter Feedback- und Lernprozess angestoßen werden, der die aufgezeichneten kognitiven Schwierigkeiten durch zweckoptimierte Informationsrepräsentation, Informationsfrequenz, Zielorientierung und die Wahl von Präsentationsformaten reduziert.

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Kerngegenstand ist hierbei die Entwicklung eines Prototypen-Leitsystems in Form einer Datenbrille oder anderer Visualisierungsinstrumente im Produktionsbereich, welche den Bediener bei den Einstellungen zum Rüsten der Maschine unterstützen. Zudem bereitet es komplexe Sach- und Verständniszusammenhänge auf, die zur Orientierung des Maschinenbedieners beitragen.

Sowohl auf Basis der abgeleiteten mentalen Modelle, welche die Entscheidungsprozesse von Maschinenbedienern abbilden, als auch auf der Grundlage der vorhandenen Rüst-Arbeitspläne wird der Dateninput - als Fundament für die im zweiten Schritt zu implementierenden cyber-physischen Einstellvorschriften – extrahiert. Diese werden mithilfe von Maschinensensordaten verknüpft und über eine bedienerfreundliche Visualisierung an den Maschinenbediener zurückgegeben. Hinzu kommen Informationen aus Vorprozessen, die entscheidenden Einfluss auf den zu rüstenden Prozess haben und derzeit nicht zur Optimierung verwendet werden.

Validierung des Prototypen-Leitsystem erfolgt in der Praxis

Das Prototypen-Leitsystem wird dabei als eigenständige Einheit konzipiert, welche zuerst an der Biegemaschine des Lehrstuhls für Umformtechnik implementiert wird. Im Anschluss erfolgt eine Übertragung der im Labormaßstab – losgelöst von Zeit- und Kostendruck einer Serienproduktion – getätigten Untersuchungen im Hause Westfalia. Dies ist notwendig, um die „Scaling“-Effekte einer Großserienproduktion zu erfassen und unter realen Produktions- und Stressbedingungen der Mitarbeiter sowohl den Nutzen des Systems als auch dessen Handhabung validieren zu können. Nach der erfolgreichen Einführungsphase erfolgt eine Konzeptionierung der cyber-physischen-Rüstunterstützung für andere Umform- und Fertigungsprozesse.

Zusammenfassend dient der Ansatz zur Abschaffung der „Trial-and-Error“-Produktions-Vorgehensweise. Somit kann nach dem Rüstvorgang weitestgehend ohne Verlust das erste Gut-Bauteil produziert werden. Neben der Einsparung teurer Halbzeuge soll die Verschwendung wichtiger Ressourcen vermieden werden.

In Zukunft wird es mit cyber-physischer Rüstunterstützung möglich sein, Maschinenrüstzeiten auf mindestens die Hälfte der heute benötigten Zeit zu reduzieren, da mithilfe des Prototypen-Leitsystems auf quantifiziertes Erfahrungswissen der Maschinenbediener zurückgegriffen werden kann. Neben der Einsparung von Ressourcen wird darüber hinaus auf gesellschaftliche Fragen in Bezug zum demographischen Wandel eingegangen. Anhand des cyber-physischen Systems zur Rüstunterstützung kann das Erfahrungswissen der besten Maschinenbediener für die Zukunft festgehalten werden. Die erwartungsgemäß steigende Lebensarbeitszeit bedingt darüber hinaus eine altersgerechte Aufarbeitung komplexer Prozesse. Somit wird dem Bediener der Arbeitsalltag erleichtert.

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