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Montagetechnik Mit systematischer Abtaktung und Simulation zu optimierter Montage

| Autor / Redakteur: Manfred Burkhardt und Mathias Bös / Rüdiger Kroh

Mit heuristischen Regeln zur Abtaktung lassen sich Montagelinien besser abstimmen. Eine geeignete Software reduziert den Aufwand beträchtlich. Das reicht bei Linien mit stochastischen Prozessen aber nicht aus. Dort muss mittels Ablaufsimulation das dynamische Verhalten analysiert werden.

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Werkstückträger-Umlaufsystem für Motor- und Getriebemontage.
Werkstückträger-Umlaufsystem für Motor- und Getriebemontage.
(Bild: Universität Wuppertal/Vorwerk)

Auf den Absatzmärkten bestimmen Funktionalität, Qualität, Lieferzeit und Preis der angebotenen Produkte die Position des Unternehmens im Wettbewerb. Um auf Dauer bestehen zu können, sind die genannten Faktoren marktgerecht zu gestalten.

Planung von Montagesystemen in mehreren Schritten

Ein hoher Stellenwert ist nach wie vor dem Preis und somit den Kosten beizumessen. Bei lohnintensiven Produkten bietet vor allem die Montage immer noch Verbesserungspotenziale.

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Bei komplexen Serienprodukten konnten besser abgestimmte Montagesysteme als Linie oder Werkstückträger-Umlaufsystem zur Kostenreduzierung beitragen.

Die Planung von Montagesystemen kann grob skizziert in folgenden Schritten vollzogen werden:

  • Aufgabenstellung, Zielsetzungen und Rahmendaten festlegen;
  • Abläufe planen, Zeiten ermitteln und Automatisierungsmöglichkeiten prüfen;
  • Kapazitätsrechnung (Dimensionierung) durchführen und Strukturprinzip festlegen;
  • Taktzeitermittlung, Leistungsabstimmung (Abtaktung) der Linie;
  • Gestaltung der Ressourcen und des Layouts (Feinplanung);
  • Planung der Arbeitsorganisation und Prüfen des dynamischen Systemverhaltens;
  • Kostenstruktur, Kalkulation und Prüfen auf Zielkosten.

In der Aufgabenstellung wird das Planungsprojekt mit allen Zielsetzungen festgelegt, die Ausgangsdaten sind durch die Rahmendaten des Projekts (zum Beispiel geforderte Stückzahl und Schichtzeit) abgegrenzt.

Der Montageablauf wird im Arbeitsplan durch die Folge der Teilverrichtungen beschrieben, die Vorrangbeziehungen der Teilverrichtungen werden dabei in Form eines Vorranggraphen festgelegt (Bild 1).

Aufbau des Montagesystems nach Mengen- oder Artteilung

Mittels einer Kapazitätsrechnung wird der Kapazitätsbedarf (Anzahl der Montagestationen bei Mengenteilung) bestimmt. Bei der Auswahl des Strukturierungsprinzips wird festgelegt, ob das Montagesystem nach Mengen- oder Artteilung aufgebaut werden soll. Die Leistungsabstimmung soll die bestmögliche Anpassung der Stationen der Montagelinie an die Solltaktzeit erbringen.

Bei der Feinplanung werden die eingesetzten Betriebsmittel (Arbeitsplatzelemente, Vorrichtungen und Werkzeuge, Teilebehälter, Verkettungstechnik, Puffer) im Detail bestimmt. Die Planung der Arbeitsorganisation umfasst vorrangig den Mitarbeitereinsatz, mögliche Schichtmodelle, Vertreterkonzepte oder Springereinsatz und das Störfallmanagement. Das bedeutet insbesondere, dass das dynamische Systemverhalten zu prüfen ist. Im letzten Schritt werden die Anlagenkosten bestimmt und die Objektkalkulation durchgeführt.

Die Dimensionierung erfolgt durch eine Kapazitätsbedarfsrechnung. Der Kapazitätsbedarf resultiert aus dem zeitlichen Volumen der Teilverrichtungen. Bestimmende Parameter sind Stückzahl und Montagezeit je Stück. Bei Akkordvorgabe auf Basis von Refa-Normalzeiten ist der mittlere Zeitgrad zu berücksichtigen. Das Kapazitätsangebot je Montageplatz ergibt sich aus Schichtzeit und Schichtanzahl minus Pausen.

Zu berücksichtigen sind weiterhin Störungen. Diese können über den System-Nutzungsgrad berücksichtigt werden, der dann das zeitliche Angebot entsprechend reduziert. Die erforderliche Anzahl der Kapazitätseinheiten ergibt sich aus der Division Bedarf durch Angebot. Das Ergebnis könnte bei Mengenteilung (Einzelplatzprinzip) realisiert werden.

Teilverrichtungen gleichmäßig auf die Stationen verteilen

Bei Artteilung muss der Montageablauf gleichmäßig auf die Plätze der Linie verteilt werden können, wenn man mit den erforderlichen Plätzen auskommen will. Dies lässt sich meist kaum realisieren. Aufgabe der Abtaktung ist es, die Teilverrichtungen gleichmäßig auf Stationen zu verteilen, sodass sich ein minimaler Taktabgleich ergibt (Bild 2).

Bei der Abtaktung werden dazu Montageabschnitte gebildet, denen unter Berücksichtigung des Vorranggraphen Teilvorgänge des Montageablaufes zugewiesen werden. Neben den Vorrangbedingungen sind eventuell Einschränkungen zu berücksichtigen.

Die Führungsgröße bei der Abtaktung ist die Solltaktzeit. Sie stellt die Zuteilungsgrenze dar. Wird diese überschritten, dann wird die Sollmenge nicht erreicht. Liegt eine Teilvorgangszeit über der Solltaktzeit und kann nicht weiter unterteilt werden, dann ist in diesem Abschnitt eine Mengenteilung vorzusehen, das heißt zwei gleiche Stationen. Das Ergebnis der Abtaktung kann mittels Bandwirkungsgrad beurteilt werden. Dieser drückt aus, in welchem Maße Taktabgleich vermieden wurde.

Abtakten der Linie durch Probieren verlangt tiefe Kenntnisse

In der industriellen Praxis, insbesondere bei mittelständischen Unternehmen, werden Montagelinien noch oft durch Probieren abgetaktet. Dies verlangt tiefe Kenntnisse über die Produktstruktur. Bei komplexen Strukturen kann man dabei Fehler kaum ausschließen, sodass das Ergebnis eher schlecht ausfällt. Bessere Ergebnisse bringen die heuristischen Verfahren. Das sind erfolgversprechende Regelwerke für die Zuteilung von Teilvorgängen zu den Abschnitten der Montagelinie, zum Beispiel die

  • Maximale Vorgabezeit-Regel: Dabei wird aus den für die Zuteilung möglichen Teilvorgängen immer der mit der höchsten Vorgabezeit ausgewählt.
  • Rangwert-Regel: Dabei wird aus den für die Zuteilung möglichen Teilvorgängen immer der mit dem höchsten Rangwert ausgewählt (spezifische Vorgabezeitsummierung, beginnend beim letzten Teilvorgang).

Voraussetzung für die Anwendung dieser Regeln ist die Kenntnis über die Vorrangbeziehungen der Teilverrichtungen. Die Kapazitäts- und Taktzeitrechnung wie auch die Abtaktung haben einen formalen Charakter. Die Abtaktung kann bei komplexeren Produkten recht aufwendig werden. Eine entsprechende Abtaktungssoftware kann den Aufwand beträchtlich reduzieren.

Dynamische Verhalten der Montagelinie mittels Simulation analysieren

Das dynamische Verhalten der festgelegten Montagelinie lässt sich vorteilhaft mittels Ablaufsimulation analysieren. Dazu bietet sich der bausteinorientierte Standardsimulator Dosimis-3 der SDZ GmbH an. Dies ist ein leistungsfähiger Simulator, mit dem Produktions- und Logistiksysteme vorteilhaft simuliert werden können. Er zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Funktionalität, eine hohe Geschwindigkeit sowie eine komfortable und grafisch interaktive Benutzeroberfläche aus.

Vorhandene Systeme rasch interaktiv modellieren

Dosimis-3 bietet ein Set an Bausteinen (beispielsweise Montagearbeitsplätze und Fördertechnik), mit denen Modelle aufgebaut werden können. Die erforderlichen Bausteine werden aus dem Angebot gepickt und prozessorientiert verknüpft. Die Daten lassen sich über Parametermasken der Bausteine einbringen. Komplexere Steuerungsmechanismen können mit Entscheidungstabellen implementiert werden. So ist es möglich, vorhandene Systeme interaktiv rasch zu modellieren und auf Verbesserungsmöglichkeiten zu untersuchen [1]. Geplante Systeme können auf Machbarkeit und auf Potenziale zur Optimierung untersucht werden [2]. Von besonderem Interesse ist die Integrationsfähigkeit des Simulators mit anderer Software. Es besteht die Möglichkeit, über die COM-Schnittstelle Dosimis-3-Modelle automatisch zu generieren. Der komplette Aufwand für die manuelle Erstellung des Simulationsmodells entfällt.

Zur rationellen Durchführung von Kapazitätsrechnung und Abtaktung wurde eine auf den heuristischen Methoden aufsetzende Software entwickelt. Die Struktur weist vier Funktionsgruppen auf:

  • Projekt- und Arbeitsplandatenverwaltung;
  • Kapazitäts- und Taktzeitrechnung;
  • Abtaktung nach einer der heuristischen Regeln;
  • Generierung des Simulationsmodells.

Bei der Projektplanung werden die Basisdaten festgelegt. Dem Projekt werden der Montagearbeitsplan und die Stückliste mit den relevanten Daten zugeordnet. Angelegte Projekte, Arbeitspläne und Stücklisten können im Dialog eingegeben und gepflegt werden.

Kapazitätsrechnung bestimmt die notwendigen Kapazitätseinheiten

Bei der Kapazitätsrechnung werden die notwendigen Kapazitätseinheiten bestimmt, im zweiten Schritt wird die Solltaktzeit (6,337 s pro Stück) berechnet (Bild 3). Für das Handling beim Stationsübergang (zum Beispiel Einfahren eines Werkstückträgers) muss ein Zeitverbrauch berücksichtigt werden (0,8 s). Dazu werden Einbringweg und Einbringgeschwindigkeit vorgegeben. Um die berechnete Einbringzeit wird dann die Solltaktzeit reduziert (5,537 s pro Stück). Die Abtaktung wird nach der Rangwert-Regel durchgeführt werden. Sie führte zu sieben Linienabschnitten mit insgesamt acht Stationen. Im Abschnitt vier liegt die Teilvorgangszeit mit 6,67 s über der Taktzeit – es werden also zwei Stationen benötigt (Bild 4).

Mit dem Simulationsmodell kann das dynamische Verhalten der Linie analysiert werden

Zur automatischen Generierung des Simulationsmodells wurde Dosimis-3 in den VB6-Objektkatalog der Software aufgenommen. Über die Objektklassen kann ein entsprechendes Dokument angelegt werden. Es werden automatisch Bausteine gesetzt, verbunden und parametriert. Die meisten Parameter liegen aus der Abtaktung vor. Ergänzende Parameter wie Puffergrößen werden vor der Modellgenerierung abgefragt. Das entsprechende Dosimis-3-Modell wird automatisch generiert.

Mit dem Modell kann dann das dynamische Verhalten der Linie analysiert werden. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, ob der Durchsatz unter Zufallseinflüssen stabil bleibt.

Diese Vorgehensweise ist für Systemlieferanten von Produktionslinien sehr interessant. Meist kann ein Standard der Linienstruktur definiert werden, zum Beispiel:

  • Objekt-Input immer über eine Quelle am Linienanfang.
  • Vor jeder Station wird eine Staustrecke als Puffer vorgesehen.
  • Vor jedem Abschnitt mit Mengenteilung wird im erforderlichen Verteilelement die Verteilstrategie beispielsweise auf Bauschuld eingestellt.
  • Nach jedem Abschnitt mit Mengenteilung wird im erforderlichen Zusammenführelement die Vorfahrtsstrategie beispielsweise auf FiFo eingestellt.
  • Objekt-Output über eine Senke.

Montagelinien sind nicht immer optimal abgetaktet. Durch Einsatz der heuristischen Regeln zur Linienabtaktung lassen sich meist bessere Ergebnisse erzielen. Durch eine geeignete Software lässt sich der Aufwand dazu beträchtlich reduzieren. Das Ergebnis ist eine besser abgestimmte Linie. Das aber reicht bei Linien mit stochastischen Prozessen nicht aus. Um dort Planungssicherheit zu garantieren, muss mittels Ablaufsimulation das dynamische Verhalten analysiert werden.

Literatur

[1] Burkhardt, M.: Simulation unterstützt die Optimierung von Produktionssystemen. Refa-Nachrichten 3 (1996), S. 16-25.

[2] Burkhardt, M. und V. Essmann: Simulation von Produktion und Logistik unterstützt Strukturoptimierung. Maschinenmarkt 13 (2001), S. 28-34.

* Prof. Dr.-Ing. Manfred Burkhardt ist Leiter des Fachgebiets Produktionssysteme an der Bergischen Universität Wuppertal, 42119 Wuppertal. Mathias Bös ist Geschäftsführer der SDZ GmbH in 44227 Dortmund.

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