Entwicklung eines innovativen Planungssystems zur Voraussage und Kontrolle der Prozessrobustheit bei der Fertigung von Karosseriebauteilen

Abstract

Lineproduction processes of car body parts underly random variations as well as continuous, systematic shifts. In order to minimize scrap rate, effects of random variation to output quality are limited by defining sufficient tolecances such that the manufacturing results comply with targeted requirements. As competition becomes more and more keen, these safety margins are continuously beeing reduced leading to further instable manufacturing processes which are sensitive to changes of process parameters. Hence analysis of process variability becomes more and more important and until now has been established as an integral part of the design process of production techniques. However, as these analysis prove very tedious, studies of process variation are normally only performed for few operating points. As process sensitivity depends on the actual working point, these few analysises are not sufficient for instable processes. Until now, it was adequate to manually adjust proper process parameters during series production in order to respond to changes of operating points. With raising sensitivity of manufacturing processes to parameter variation, efforts are increased to automatically define actuator and sensor concepts enabling direct and automated counteractions to process changes. An integrated solution taking into account both, process robustness optimization and process control, has not been developed yet. In actual fact the major goal of the manufacturing design process is not maximization of process robustness but minimization of scrap rate. In turn, this rate depends on the possibilities of process monitoring and control. This means that process planning processes have to take into account the process monitoring and control strategy and derived from that point optimization of process robustness cannot be separated from the process control available during series production. In this work, a strategy is developed allowing such an integrated view on process planning on one side and manufacturing monitoring and control on the other. Instable processes can be detected and measures to stabilize these procedures can be identified. These actions can include relaxation of quality requirements, tightening of process and delivery specifications, adaption of monitoring parameters or changes in process control. Altogether, with the methods described within this work, it is possible to define sensor and actuator concepts for series production during the process design phase and therefore considering the latter manufacturing control strategy during optimization of the process robustness already. Tiefziehprozesse in der Großserienfertigung automobiler Karosseriebauteile unterliegen sowohl zufälligen Streuungen als auch stetigen Veränderungen. Damit die Auswirkungen zufälliger Streuungen auf die resultierende Bauteilqualität nicht zu hohen Ausschussquoten führen, werden gemäß etablierter industrieller Praxis hinreichend große Toleranzen definiert, so dass die Fertigungsergebnisse auch unter den auftretenden Schwankungen den gesetzten Anforderungen genügen. Diese Sicherheitsabstände zu den Qualitätszielen werden im Zuge eines immer schärferen Wettbewerbsumfelds stetig abgebaut mit dem Ergebnis immer instabilerer Fertigungsprozesse, welche sensibel auf Veränderungen von Prozessparametern reagieren. Die Untersuchungen der Prozessvariabilität gewinnt daher eine zunehmend größere Bedeutung und hat sich in der industriellen Praxis als fester Bestandteil bei der Auslegung der Fertigungsverfahren etabliert. Allerdings werden diese aufgrund des hohen Aufwands in der Regel nur für wenige Betriebspunkte durchgeführt. Da die Prozesssensitivität im Allgemeinen jedoch abhängig von jeweils aktuellen Betriebspunkt ist, reicht diese Betrachtung für instabile Fertigungsverfahren nicht mehr aus. Bislang war es ausreichend, auf Veränderungen des Betriebspunkts durch manuelle Änderung bestimmter Prozessparameter zu reagieren. Mit zunehmender Sensibilität der Fertigungsprozesse werden vermehrt Anstrengungen unternommen, automatisierte Aktorik- und Sensorikkonzepte zu etablieren, um direkter und genauer Auswirkungen von Prozessveränderungen entgegenwirken zu können. Ein integrierter Ansatz zur gesamtheitlichen Betrachtung von Prozessrobustheitsoptimierung und späterer Prozesskontrolle erfolgt bislang nicht. Nun ist die Maximierung der Prozessrobustheit nicht das eigentliche Ziel bei der Prozessauslegung. Vielmehr soll während der Serienfertigung eine möglichst geringe Ausschussquote erreicht werden. Diese ist wiederum davon abhängig, inwiefern das Fertigungsverfahren überwacht und Auswirkungen erkannter Prozessveränderungen entgegengewirkt werden kann. Die Prozessplanung mit dem Ergebnis einer optimalen Prozessauslegung kann also nicht getrennt von der späteren Prozesssteuerung betrachtet werden, da die spätere Prozessregelung maßgeblich die optimalen Prozessparameter beeinflusst. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Ansatz entwickelt, der eine solche gesamtheitliche Betrachtung von Prozessplanung und -regelung umsetzt. Instabile Prozesse können damit erkannt und geeignete Gegenmaßnahmen zur Stabilisierung identifiziert werden. Diese können Änderungen der Qualitätsanforderungen, Verschärfungen der Prozess- und Liefervorschriften, Anpassungen der zu überwachenden Parameter sowie die Änderung der Regelungsstrategie beinhalten. Insgesamt ist mit dem hier vorgestellten Verfahren möglich, bereits während der Prozessauslegung zu ermitteln, welche Sensorik- und Aktorikkonzepte für eine Seriensteuerung benötigt werden und diese in die Optimierung der Prozessstabilität mit einfließen zu lassen.