3D-kinematische Simulationen für fortschrittliches Manufacturing Engineering nutzen

Fertigungstechnik mit 3D-kinematischen (Realwelt-)Simulationen

Von Brian McMorris | ABB | 9. September 2023

Die Mission von Futura Automation ist und war: „Nordamerikanische Hersteller über die Vorteile von Industrie 4.0 durch Implementierung von IIoT und Robotiklösungen zu beraten und zu unterstützen.“ Das Futura Automation Beratungsteam verfügt über vielfältige Hintergründe und Erfahrungen. Als Team haben wir Ingenieure mit Abschlüssen, in einigen Fällen mit höheren Abschlüssen, in Chemie-, Elektro-, Fertigungs-, Maschinenbau- und Steuerungstechnik sowie Physik, Mathematik und Informatik. Viele im Team haben Robotikprogrammierungs- und Anwendungserfahrung sowie IT, ERP, MES, elektronische Motortreiber, Motion und programmierbare Steuerungen. Wir sind bestens gerüstet, um unsere Kunden bei ihren fortschrittlichen Fertigungsdesignanforderungen zu unterstützen.

Kundenziele:

Kunden von Futura Automation suchen Qualitäts- und Produktivitätsverbesserungen in ihren Fertigungsabläufen, um Unternehmensziele zu erreichen. Mit aktuellen und künftigen Arbeitskräftemangel werden Automatisierung und Robotik zunehmend als Antwort gesehen, um Kosten zu senken und Produktivität zu steigern. Aber Roboter können nicht alle menschliche Arbeit direkt ersetzen. Meist müssen Aufgaben für einen Roboter vereinfacht werden, der die Intelligenz, Urteilskraft, Innovation und Fingerfertigkeit eines menschlichen Bedieners fehlt. Futura Automation wird mit den KPIs (Key Performance Indicators) des Kunden arbeiten, um auf Lösungen hinzuarbeiten, die diese KPIs erfüllen.

Lösungen:

Es ist am besten für unsere Kunden, wenn Futura Automation früh im Entwicklungsprozess bei der Fertigungsprozessgestaltung unterstützen kann und Kunden hilft, den Prozess neu zu denken, um effizienter und effektiver zu sein. Der Schlüssel zur Verbesserung der Fertigungspraxis ist die Realwelt-Simulation, damit verschiedene Lösungen auf Wirksamkeit in einer virtuellen Welt getestet werden können. Futura Automation mit seinem Partner OCTOPUZ Simulationssoftware kann solche kinematischen (realweltlichen) Simulationen für alle Arten von Fertigungsanlagen bis auf die Ebene der Maschinen- und Roboterprogrammierung bereitstellen. Wir können Lösungen identifizieren, die die Beziehung zwischen jedem Fertigungsprozess innerhalb des Systems aufrechterhalten. Die Lösung muss Kapazitäten und Engpässe im System genau simulieren und dies auf eine „kinematisch“ genaue Weise tun, wobei Massen von Ausrüstung und Produkt sowie reale physikalische Einschränkungen berücksichtigt werden. Die Lösung muss auch zeigen können, wie Änderungen an jedem Fertigungs-Teilsystem die gesamte Fertigungsoperation beeinflussen.

Implementierung

Fertigungsoptimierung erfordert eine vollständige Analyse des gesamten aktuellen Fertigungsprozesses und eine Neukonzeption, wie der Prozess durch Änderung von Fertigungsprozessen, Workflow, Werkslayout, Maschinen und Implementierung von IIoT, Automatisierung und Robotik verbessert werden kann. Folgende Schlüsselaspekte wären in einer robusten Lösung erforderlich:

Was sollte eine Fertigungsoptimierungslösung liefern?

• Logistik: Wie gelangen Komponenten von Herstellern in die Fertigungsanlage und Fertigwaren heraus?
• Lagerhaltung: Wie werden Komponenten in der Anlage gelagert, um Handhabung und Transportzeit zu minimieren?
• Materialhandling: Wie werden Materialien vom Lager in den Produktionsbereich gefördert – per Boden- oder Deckenförderer, Gabelstapler oder autonomes Fahrzeug?
• Komponentenmontage: Wie werden Komponenten mit minimalem Personaleinsatz montiert und geprüft, um Design-Fertigungsanforderungen für Produktivität und Qualität zu erfüllen?
• Komponentenfinish: Wie werden montierte Produkte lackiert, poliert oder veredelt, falls nicht vor der Montage geschehen?
• End-of-Line-Verpackung: Wie werden Fertigwaren für den Versand in Kisten, Kartons, auf Paletten und mit Umreifung oder Stretchfolie verpackt?
• HR: Personaleinsatz, Qualifikationen, Schulung und Ausrüstungstechnologien, die zur Ausführung der Lösung erforderlich sind?
• Inventar: Optimierte Bestandsanalyse aus historischen und Echtzeitdaten, um Bestand zu reduzieren, ohne Unterstützung für Produktänderung oder Anpassung zu verlieren
• Auftragsmanagement: Terminierung und Sequenzierung optimieren, um Rüst- und Umrüstzeiten zu minimieren
• Wie werden Simulationen visualisiert und an alle Stakeholder kommuniziert?
• Wie können Änderungen am Prozess-Workflow bewertet und dann implementiert werden?
• Welche Informationstechnologie (IT) Systeme verbinden Fertigungsprozesse und jeden Teilprozess mit dem Front Office (ERP) System?

KPIs zur Optimierung von Fertigungsprozessen

Bei mehreren potenziellen und konkurrierenden Zielen innerhalb des gesamten Fertigungsbetriebs muss sichergestellt werden, dass jeder einzelne KPI oder jedes Ziel zur Gesamteffizienz der Fertigung beiträgt. Folgende potenzielle Fertigungsverbesserungsmöglichkeiten kann eine kinematische Simulationslösung liefern:

• Bestandsnutzungsanalyse
• OEE oder Ressourcenzuweisung
• Personalzuweisung oder Produktivitätsanalyse
• Materialfluss und -restriktionen
• Anlagenverfügbarkeit und Wartungsplanung
• Werksleistung-Analyse und Expansionsplanung
• Qualitätskontrollziele; z. B. „6 Sigma“
• Fabrikleistungs-Transparenz; z. B. Dashboards
• Fertigungs-Upgrades und Equipment-Acquisition ROI-Simulationen
• HR-Arbeitsleistungsverfolgung & Training
• Terminierung und Produktionsausgleich

Bei der Arbeit an operativen Verbesserungen ist es wichtig, die Trade-offs zwischen einer Alternative und einer anderen oder einer Reihe anderer Alternativen zu messen. Dies kann mit statischen Analysetools wie Tabellenkalkulationen erreicht werden. Solche „Einzelzustands“-Tools versagen jedoch darin, die Dynamik typischerweise miteinander verbundener Fertigungsprozesse, Menschen, Materialien, Ausrüstungen und Systeme zu berücksichtigen, die in den meisten Fertigungsbetrieben vorhanden sind.

Die Lösung – Kinematische Simulation

Kinematische Simulation ermöglicht nicht nur die Analyse verschiedener Produktionsszenarien und Ausrüstungstypen auf optimale Leistung vor dem Erwerb und der Einrichtung besagter Ausrüstung. Eine breite Palette von Szenarien kann innerhalb von Tagen oder Wochen entwickelt und getestet werden, anstatt statisches Engineering, Ausrüstungsevaluierung und -beschaffung, Bereitstellung und Schulung, die Monate oder Jahre dauern können. Dies erlaubt dem Benutzer, mit der virtuellen Umgebung zu interagieren und „on-the-fly“ jede beliebige Änderung an Layouts, Prozessen, Personen, Ausrüstung, Automatisierungsimplementierungen, Zeitplänen, Bestandsoptionen, Sequenzierungsmustern und praktisch jeder Änderung zu testen, die einen positiven Einfluss auf den Betrieb haben könnte – ohne das Risiko und die Kosten von Tests in einer Live-Umgebung. Kinematische Simulation erlaubt dem Benutzer die Flexibilität, Änderungen in Echtzeit zu betrachten, was Zeit und Geld spart. Proaktive Prognose zukünftiger Ereignisse erlaubt dem Benutzer die Freiheit, mit verschiedenen Szenarien zu experimentieren, was proaktive und wirtschaftlich vorteilhafte Entscheidungsfindung fördert.

OCTOPUZ ist die intelligente Offline-Roboterprogrammierungs- und #kinematische_Simulation-Software, ideal für jede pfadempfindliche Anwendung. Über kinematische Simulation hinaus ging OCTOPUZ einen revolutionären Ansatz zur robotischen Programmierung, indem es die Offline-Programmierung von Robotern mit der Fertigungsprozesssimulation kombinierte. OCTOPUZ bietet eine Mainstream-, vielseitige, leistungsstarke und effektive Lösung für jede Roboter- oder Fertigungssimulationsherausforderung.

Simulationsmodellbau:

Typischerweise wird ein CAD-Layout, entweder 2D oder 3D aus einer Vielzahl von CAD-Entwicklungstools, in das Modell importiert, um Arbeit und Workflow zu visualisieren. Dann werden Prozesse, Verbindungen/Förderer, Fahrwege und andere definierte Daten in das Modell eingegeben. Modelle werden grafisch gebaut, ohne Code schreiben zu müssen. Dies ist eine wichtige Unterscheidung zwischen traditionellen und kinematischen Simulationsumgebungen. Das Definieren von Zeitplänen, Sequenzen, Prozessen und dergleichen wurde historisch manuell durchgeführt. Mit dem Fortschritt der Technologie und dem stärkeren globalen Wettbewerb bei Arbeitskosten ist es zunehmend wichtig geworden, in Echtzeit mit dem ERP-Auftragseingangs-(Nachfrage-)System zu interagieren, um Produktmix, Routing und andere relevante Daten in das Produktionsmodell einzuspeisen, mit dem Ziel, Prozesse feinabzustimmen. Simulation ermöglicht „Monte-Carlo“-Prognosen, indem mehrere Produktionslösungen getestet werden, einschließlich Hinzufügen, Entfernen oder Umpositionieren von Ausrüstung. Diese proaktive Prognose erlaubt dem Benutzer, projizierte Szenarien basierend auf tatsächlichen gesammelten Eingabedaten sowie Prognosen zu sehen. Der Benutzer hat die Möglichkeit, mit dem Simulationsmodell zu interagieren, während es noch läuft, was Zeit spart und sofortiges Feedback liefert. Der Benutzer kann diese Informationen dann nutzen, um mögliche Ergebnisse, Vor- und Nachteile von Änderungen besser zu verstehen und letztendlich den logischsten, effizientesten, machbaren und wirtschaftlich vorteilhaftesten Kurs zu wählen. Integrierte Optimierungsanalyse, 2D- und 3D-Visualisierung machen unsere kinematische Simulationslösung ideal für die Fertigungsoptimierungsbedürfnisse unserer Kunden.

Vorteile:

Kinematische Simulation liefert sofort, durch integrierte Berichterstattung und Szenarioanalyse, Feedback zu Effizienzgewinnen am Angriffspunkt sowie wie sich die Änderung im gesamten System ausbreitet. Simcad ermöglicht es Benutzern, strategisch zu planen, wie der Betrieb basierend auf Nachfrageänderungen hoch- oder heruntergefahren wird, auf Störungen in der Lieferkette zu reagieren – sowohl geplante als auch ungeplante – und wie Änderungen im Produktmix den Betrieb als Ganzes beeinflussen. Zusätzlich profitiert der Benutzer von kinematischer Simulation in Bezug auf die Möglichkeit, eine Vielzahl von Änderungen am System in einer virtuellen Umgebung vorzunehmen, wo der Benutzer nicht die umfangreichen Kosten hat, die mit Trial-and-Error oder dem langwierigen Prozess der Nutzung von Excel-Tabellen verbunden sind. Eine kinematische Simulation erlaubt dem Benutzer, optimale Zeitpläne zu prüfen und festzulegen, Live-Updates für erhöhte Kontrolle der Produktivität zu erhalten sowie „Was-wäre-wenn“-Szenarien durchzuspielen, um Ressourcen, Ausrüstung, Zeitpläne und Produktion zu optimieren. Kinematische Simulation erlaubt dem Benutzer, Beziehungen throughout der Fertigung aufrechtzuerhalten, um besser zu verstehen, wie verschiedene Änderungen das gesamte System beeinflussen. Der Benutzer kann auch mögliche Effizienzunterschiede basierend auf Automatisierung versus manueller Arbeit analysieren. Der beste Produktionspfad kann festgelegt werden, um Produktivität zu steigern und nicht-wertschöpfende Zeit zu reduzieren. Durch Futura Automation und OCTOPUZ's kinematische Simulationsumgebung kann all dies und mehr mit der Anleitung von Futura Automation durchgeführt werden.

Fazit

Kinematische Simulation ist ein brauchbares und präzises Werkzeug, um aktuelle Fertigungseinschränkungen zu verstehen, Auswirkungen von Maschinen- und Prozessänderungen zu identifizieren, die darin gipfeln, die Auswirkungen des Übergangs von der aktuellen zur zukünftigen Fertigungsumgebung zu visualisieren und zu kommunizieren.

Vorteile und Nutzen einer kinematischen Simulationsumgebung

• Futura Automation bietet ein Team hochqualifizierter und erfahrener Ingenieure, die bei der Entwicklung der Details einer Fertigungsprozesssimulation helfen
• Futura Automation stellt eine Reihe von Ressourcen zur Unterstützung finanzieller und operativer Entscheidungsfindung bereit
• Futura Automation kann IoT und integrierte MES-Systeme durch Tulip Interfaces implementieren, um eine automatisierte Fertigungsumgebung zu ergänzen
• OCTOPUZ umfasst eine CAD-Bibliothek mit über 2 Millionen Komponenten von Roboter-, Maschinen- und Werkzeugmodellen, die schnell mit aktivierter Kinematik für Prozesssimulation importiert werden können
• OCTOPUZ bietet:
  • Echtzeit-Konnektivität mit externen Datenquellen für präzise Berechnungen
  • Interaktive „on-the-fly“ Änderungen an Fertigungsausrüstung und Systemfluss
  • Roboterprogrammierung in der nativen Herstellersprache (meistgängige Marken) und anschließender Download auf echte Roboter
  • Live-Updates ins Internet für virtuelle Engineering-Review-Meetings
  • Dynamische Lean-Analyse für Produktionsprognosen

Kinematische Simulation für Fertigungsmodellierung ist die Zukunft. Futura Automation ist Ihr ausgebildeter und hochkompetenter Engineering-Partner, der Ihnen den Weg in diese Zukunft zeigt und bei allen Aspekten der Fertigungsumgebung hilft – einschließlich der Kosten- und Finanzrenditeaspekte des Prozesses.