Schnelle Konfiguration von Maschinen
Kleine Losgrößen mit Skill-based Production
Individualisierte Produkte in kleinen Losgrößen bestimmen verstärkt den Produktionsalltag. Damit erhöhen sich die Zeiten für Arbeitsvorbereitung und Inbetriebnahme. Die Skill-basierte Produktion nimmt diese Zeiten in den Fokus und reduziert sie erheblich. So hilft sie, Kosten zu sparen sowie schneller und effizienter zu werden.
Skill-based Production bietet verschiedene Vorteile für die flexible Produktion. Sie ermöglicht eine einfache und schnelle Konfiguration von Maschinen. An der RPTU Kaiserslautern arbeitet eine Testanlage, die nach diesem Prinzip funktioniert.
Jörn Peschke ist Principal Key Expert bei Siemens und in der Plattform Industrie 4.0 aktiv. Er beschreibt Skill-based Production als Produktionssystem, in dem man Fähigkeiten einzelner Maschinen oder Software als Skills beschreibt. "Es lassen sich einige Charakteristika beschreiben oder festlegen, die einen Skill ausmachen. Dazu gehört unter anderem, dass es eine gekapselte Funktionalität in einem Produktionssystem ist, die sich auf eine Art und Weise beschreiben lässt, dass Maschinen sie auswerten können, zum Beispiel über eine Semantik."
Konkret sei das an einem Kunststoffblock beschrieben, der ein Loch benötigt. Seine "required capability": Loch bekommen. Auf dem Shopfloor oder im Datenraum werden nun Maschinen mit "offered capabilities" gesucht, die technisch dieses Loch fertigen könnten. Dazu kämen beispielsweise eine Fräse oder eine Bohrmaschine infrage. Sie verfügen über die Skills Fräsen und Bohren und hätten die Fähigkeit, ein Loch herzustellen. Im nächsten Schritt werden in unserem Beispiel dem Bediener für seine Lochfertigung Maschinen angeboten. Dazu bekommt er weitere Informationen, zum Beispiel wie lange die Maschine für den Arbeitsvorgang benötigen würde, was ihre Arbeit kostet oder wie viel Energie sie verbrauchen wird. Der Bediener kann nun die ideale Maschine auswählen und die Fertigung des Loches starten.
Jede Maschine nach ihren Fähigkeiten
Die Lochfertigung ist als Funktion unter dem Skill gekapselt. Nehmen wir an, eine Bohrmaschine soll das Loch bohren. Ihr Skill Bohren besteht aus so genannten Atomic-Skills, die in einer bestimmten Reihenfolge abgearbeitet werden müssen. Zuerst muss das richtige Werkzeug mit dem passenden Durchmesser ausgewählt und die gewünschte Position auf dem Kunststoffblock angesteuert werden. Dann beginnt die Bohrung mit der vorgegebenen Drehgeschwindigkeit bis zur gewünschten Bohrtiefe. Die im CAD vorhandenen Daten werden automatisiert an die Maschine übertragen, damit sie mit der Arbeit beginnen kann. Die Parameter werden übernommen und die Maschine kann mit der Arbeit beginnen.
Skill-basierte Produktion in der Anwendung
Andreas Wagner promoviert zum Thema der Skill-basierten Produktion. Er erklärt die Vorteile anhand eines Praxisbeispiels und erzählt von einem Arbeitskollegen, der als Konstrukteur für Sondermaschinen arbeitet. Wenn dieser eine neue Maschine baut beispielsweise einen Sensor anbringen möchte, benötigt er dafür einen speziellen Winkel zum Festschrauben oder eine Adapterplatte. Natürlich gibt es in der firmeneigenen PLM-Datenbank hunderte von Winkeln, nur meist passt keiner oder erfüllt genau den gewünschten Zweck. Dann muss ein neuer Winkel konstruiert werden. "Der komplette Arbeitsvorbereitungsprozess muss dann erneut durchlaufen werden. Er muss ein CAM-Programm erstellen, Werkzeuge auswählen, der Maschine Vorschub und Spindeldrehzahl angeben. Dieser ganze Prozess ist sehr zeitaufwendig." Hier kommt die Skill-basierte Fertigung ins Spiel, die Andreas Wagner mit der Produktionsinsel_Milos umgesetzt hat und vorführt, wie sie arbeiten kann. Denn eigentlich muss im CAD nur eine Kleinigkeit geändert werden. Wenn der Winkel mit der vorhandenen CAD-Vorlage gezeichnet ist, können die neuen Parameter direkt an die Maschine übergeben werden. "Die Maschine wählt dann selbst ein Werkzeug aus, wählt selbst Vorschubgeschwindigkeit und Spindeldrehzahl, und der ganze Arbeitsvorbereitungsprozess kann somit eliminiert werden", erläutert Wagner. Die Kostenreduktion liegt auf der Hand.
Die Skill-based Production basiert auch auf der Fähigkeit eines Assets, sich selbst zu beschreiben. So wird es möglich, dass Maschinen in Netzwerken über ihre eigenen und alle vorhandenen Skills Bescheid wissen. Die Fähigkeiten einer Maschine stehen natürlich auch im Handbuch. Aber nachlesen ist zeitaufwendig. Ziel ist es, das Wissen über die Maschine besser zur Verfügung zu stellen. Dazu eignet sich die Verwaltungsschale (VWS). Sie ist eine Voraussetzung für die Skill-basierte Produktion. Bei der VWS handelt es sich um einen zentralen Ort, an dem im Idealfall sämtliche Informationen über ein Asset vorliegen, beispielsweise ein Produkt oder eine Maschine. Ihre Informationen kann sie mit anderen teilen, beispielsweise mit vernetzten Maschinen. Die VWS bildet den "Übergang vom statischen Datenmodell zum lebenden System in der realen Produktion, zum Simulationsmodell, zum digitalen Zwilling", führt Prof. Martin Ruskowski aus, der das Projekt an der RPTU Kaiserslautern betreut.
In einer Shared Production arbeiten Unternehmen in Datenräumen zusammen, um gemeinsam effizient, nachhaltig und resilient produzieren zu können. Die größte Hürde ist dabei das sichere Teilen von Daten untereinander als Voraussetzung für wertschöpfende Kooperation in vernetzten Systemen. Die beschriebenen Capabilities werden in Datenräumen als Services angeboten, zum Beispiel als Maschinenkapazitäten oder Softwarelösungen zum Mieten.
Shared Production Kaiserslautern
Die Shared Production Kaiserslautern arbeitet mit mehreren Produktionsinseln, die Unternehmen darstellen, die in verteilten Rollen einen individuell konfigurierbaren Modell-Lkw herstellen – beispielhaft für ein komplexes Produkt. Dieser setzt sich aus mehreren Bauelementen zusammen. Im Demonstrator-Ökosystem der SmartFactory Kaiserslautern (SFKL) wird unter anderem die Verwaltungsschale getestet, aber auch KI-Methoden oder die Zusammenarbeit von Maschinen unterschiedlicher Hersteller. Die Produktionsinsel_Milos von Andreas Wagner ist Teil des Ökosystems und übernimmt die Rolle eines Zulieferbetriebs. Andere Produktionsinseln setzen Montageaufgaben um, produzieren Bauteile oder kontrollieren die Qualität. Integriert ist zudem ein Handarbeitsplatz. Getestet werden Capability, Skills und Services nach dem so genannten CSS-Modell der Plattform Industrie 4.0.
Skill-based Engineering wird durch Kommunikationstechnologien ermöglicht wie OPC UA, den Einzug von IT-Paradigmen in die OT-Welt, wie Kapselung und Virtualisierung, durch performantere und umfangreichere Simulations-Frameworks und die bessere Verfügbarkeit von Rechenleistung. Für viele dieser benötigten Technologien stehen Open-Source-Lösungen bereit, was die Entwicklung weiter beflügelt.
Ingo Herbst, Leiter Kommunikation & Pressesprecher SmartFactory Kaiserslautern
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