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Die Erfindung betrifft eine Produktionsanlage mit einer Mehrzahl von stückzahlabhängigen Ausbaustufen und ein Verfahren zum Konzipieren einer Produktionsanlage mit einer Mehrzahl von stückzahlabhängigen Ausbaustufen.
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Der sogenannte Serienanlauf einer Produktionsanlage beschreibt den Zeitraum zwischen abgeschlossener Produktentwicklung und der vollen Kapazitätserreichung der Produktionsanlage, welche auch als Kammlinie bezeichnet wird. Der Serienanlauf lässt sich als die Phase charakterisieren, in welcher ein vormals im Designstudium befindlicher Prototyp in die Serienproduktion überführt wird. Zu Beginn des Serienanlaufs werden üblicherweise kleine Stückzahlen produziert und eine hochmanuelle Fertigung kommt zum Einsatz. Mit steigenden Stückzahlen wird üblicherweise eine höhere Automatisierung vorgenommen, um eine möglichst effiziente Produktion gewährleisten zu können. Infolgedessen müssen bei aus dem Stand der Technik bekannten Produktionsanlagen bei einem Übergang von einer Ausbaustufe der Produktionsanlage für eine geringere Stückzahl zu einer nächsten Ausbaustufe für eine höhere Stückzahl üblicherweise die für die geringere Stückzahl verwendeten Werkzeuge durch komplett neue ersetzt werden. Dies führt zum einem zu erhöhten Investitionskosten und zum anderen müssen solche Produktionsanlagen von einer zur nächsten Ausbaustufe mit hohem Aufwand und entsprechend damit verbundenen Kosten umgebaut werden. Die
DE 44 22 380 A1 offenbart eine mehrere Arbeitsstationen sowie wenigstens eine Einlegestation und wenigstens eine Übergabestation umfassende Rohbaufertigungseinrichtung für Karosseriebaugruppen. Der
DE 201 12 576 U1 ist eine Fertigungsanlage für Fahrzeugkarosserien als bekannt zu entnehmen. Die
DE 10 2005 011 812 A1 offenbart eine Lackieranlage in der Großserienproduktion. Außerdem sind aus der
DE 38 51 020 T2 Montagelinien mit Stationen bekannt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Produktionsanlage und ein Verfahren zum Konzipieren einer Produktionsanlage bereitzustellen, mit der ein verbesserter Serienanlauf mit geringeren Investitions- und Umbaukosten ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Produktionsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren zum Konzipieren einer Produktionsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Produktionsanlage umfasst eine Mehrzahl von Arbeitsbereichen für jeweilige Arbeitsstationen mit entsprechenden Werkzeugen zum Durchführen wenigstens eines jeweiligen Arbeitsschritts, sowie wenigstens ein Transportsystem, mittels welchem zu bearbeitende Güter auf wenigstens einem vorgegebenen Pfad zwischen den Arbeitsstationen transportierbar sind, wobei die Produktionsanlage eine Mehrzahl von stückzahlabhängigen Ausbaustufen aufweist, in welchen überwiegend diejenigen Arbeitsstationen und Werkzeuge vorgesehen sind, welche Bestandteil der Produktionsanlage in einer vollständig ausgebauten Ausbaustufe sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Konzipieren einer Produktionsanlage mit einer Mehrzahl von Arbeitsbereichen für jeweilige Arbeitsstationen mit entsprechenden Werkzeugen zum Durchführen wenigstens eines jeweiligen Arbeitsschrittes, sowie mit wenigstens einem Transportsystem, mittels welchem zu bearbeitende Güter auf wenigstens einem vorgegebenen Pfad zwischen den Arbeitsstationen transportierbar sind, zeichnet sich durch die nachfolgenden Schritte aus:
- - Bestimmen einer Mehrzahl von stückzahlabhängigen Ausbaustufen der Produktionsanlage inklusive einer vollständig ausgebauten Ausbaustufe; und
- - Vorsehen einer jeweiligen stückzahlabhängigen Ausbaustufe, in welcher überwiegend diejenigen Arbeitsstationen und Werkzeuge vorgesehen werden, welche Bestandteil der Produktionsanlage in der vollständig ausgebauten Ausbaustufe sind.
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Während es also bei aus dem Stand der Technik bekannten Produktionsanlagen üblich ist, während des Serienanlaufs einer Produktionsanlage in Abhängigkeit der jeweils zu produzierenden Stückzahlen spezifische Arbeitsstationen und Werkzeuge einzusetzen, welche von Ausbaustufe zu Ausbaustufe ausgetauscht werden, ist es demgegenüber erfindungsgemäß vorgesehen, eine Mehrzahl von stückzahlabhängigen Ausbaustufen vorzusehen, in denen nahezu ausschließlich Arbeitsstationen und Werkzeuge eingesetzt werden, welche bei Erreichen der endgültigen Produktionsmenge bzw. der Kammlinie in einer vollständig ausgebauten Ausbaustufe der Produktionsanlage ebenfalls eingesetzt werden.
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Somit sind eine Produktionsanlage und ein Verfahren zum Konzipieren einer Produktionsanlage für einen verbesserten Produktionshochlauf mit geringeren Investitions- und Umbaukosten geschaffen, da in den verschiedenen stückzahlabhängigen Ausbaustufen einer solchen Produktionsanlage nahezu ausschließlich diejenigen Arbeitsstationen und Werkzeuge zum Einsatz kommen, welche Bestandteil der Produktionsanlage in einer vollständig ausgebauten Ausbaustufe sind. Es werden somit keine Investitionen in Arbeitsstationen und Werkzeuge getätigt, welche im Verlauf des Produktionshochlaufs ausgetauscht werden bzw. ab einer gewissen Stückzahl nicht mehr zum Einsatz kommen. Des Weiteren kann - aufgrund der reversen Planung der Produktionsanlage von einer Kammlinie ausgehend bis hinunter zur minimal geplanten Stückzahl - zum Teil das Layout der gesamten Produktionsanlage für die verschiedenen Ausbaustufen derart geplant werden, dass Produktionsanlagenbestandteile für Ausbaustufen für niedrige Stückzahlen bereits ein Teil der bei der Kammlinie verwendeten vollständig ausgebauten Ausbaustufe der Produktionsanlage sind. Infolgedessen können diese Produktionsanlagenbestandteile durchgängig über alle Ausbaustufen hinweg verwendet werden, wodurch der Umbauaufwand und die damit verbunden Umbaukosten während des Serienanlaufs erheblich reduziert werden können.
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Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anordnung der Arbeitsstationen, der durch die Arbeitsstationen durchführbare Arbeitsschritt sowie der wenigstens eine vorgegebene Pfad gemäß wenigstens einem vorbestimmten, eine Produktionsanforderung betreffenden Kriterium wählbar und bei einer Änderung des wenigstens einen Kriteriums anpassbar ist. Mit anderen Worten ist die Produktionsanlage so flexibel aufgebaut, dass zum einen das Layout der Produktionsanlage stückzahlabhängig auf einfache Weise anpassbar ist, und zum anderen das Layout der Produktionsanlage je nach Produktionsprogramm, also je nach zu produzierenden Varianten, flexibel anpassbar ist. Es können dabei sowohl die Arbeitsstationen in ihrer Anordnung angepasst werden als auch durchzuführende Arbeitsschritte der Arbeitsstationen stückzahl- bzw. variantenabhängig angepasst werden. Darüber hinaus ist das Transportsystem ebenfalls flexibel einstellbar, so dass die variabel anordbaren Arbeitsstationen entsprechend logistisch angebunden werden können.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind an den Arbeitsstationen Roboter, insbesondere mobile Leichtbauroboter einsetzbar. Solche Roboter können schnell umkonfiguriert werden, um auf sich ändernde Produktionsanforderungen tagesaktuell reagieren zu können, so dass unterschiedliche Variantenbauteile und -stückzahlen dadurch auf einfache Weise ohne großen Umrüstaufwand innerhalb der Produktionsanlage hergestellt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Arbeitsstation ausschließlich Werkzeuge umfassen, welche sowohl von einem der Roboter als auch von einem Werker bedienbar sind. Folglich können sämtliche Werkzeuge im Wesentlichen stückzahlunabhängig eingesetzt werden und keines der beschafften Werkzeuge wird ab einer gewissen Stückzahl nicht mehr verwendet. Idealerweise weisen die Roboter eine Sensorik auf, mittels welcher die Werkzeugführung bzw. Werkzeugbedienung analog zu der Werkzeugführung bzw. Werkzeugbedienung wie durch eine menschliche Hand erfolgen kann. Somit kann bei den Werkzeugen eine aufwendige Sensorik bzw. eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) entfallen. Ein weiterer Vorteil der sowohl von einem Roboter als auch von einem Werker bedienbaren Werkzeuge liegt darin, dass die Werkzeuge zunächst bei geringeren Stückzahlen manuell von Werkern bedienbar und erprobbar sind. Zum einen können dabei während der Werkzeugerprobung noch einfließende Änderungen seitens beispielsweise der Entwicklungsabteilung kostengünstig umgesetzt werden, zum anderen werden die Werkzeuge bei noch geringen Stückzahlen hinreichend erprobt, so dass deren zuverlässiger Einsatz bei größeren Stückzahlen und einer entsprechenden Automatisierung und Bedienung durch Roboter sichergestellt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Transportsystem wenigstens ein fahrerloses Transportfahrzeug. Dadurch kann die logistische Verknüpfung der verschiedenen Arbeitsstationen bei unterschiedlichen Ausbaustufen der Produktionsanlage auf einfache Weise erreicht werden. Des Weiteren können solche fahrerlosen Transportfahrzeuge auf einfache Weise an ein sich änderndes Produktionslayout während des Produktionshochlaufs angepasst werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Produktionsanlage vollständig automatisierbar ist. Speziell in der vollständig ausgebauten Ausbaustufe der Produktionsanlage, also bei Erreichen der Kammlinie, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Produktionsanlage und somit auch sämtliche Abläufe innerhalb der Produktionsanlage vollständig automatisiert sind, so dass ein möglichst effizienter Produktionsablauf sichergestellt ist.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn Arbeitsstationen innerhalb der Produktionsanlage vorgesehen werden, welche als im Wesentlichen identische Module ausgebildet sind. Dadurch wird eine besonders flexible Anpassbarkeit der Produktionsanlage an unterschiedliche Variantenstückzahlen ermöglicht, da als im Wesentlichen identische Module ausgeführte Arbeitsstationen besonders einfach untereinander austauschbar sind und gegebenenfalls auch miteinander verkettet werden können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Perspektivansicht auf eine Produktionsanlage in einer ersten Ausbaustufe für eine minimal geplante Produktionsstückzahl;
- 2 eine schematische Perspektivansicht einer zweiten Ausbaustufe der Produktionsanlage für eine höhere Stückzahl als der in 1 gezeigten ersten Ausbaustufe;
- 3 eine schematische Perspektivansicht einer dritten Ausbaustufe der Produktionsanlage, welche für noch größere Stückzahlen als die in 2 gezeigte zweite Ausbaustufe ausgelegt ist;
- 4 eine schematische Perspektivansicht einer vollständig ausgebauten Ausbaustufe der Produktionsanlage für eine maximal geplante Stückzahl;
- 5 ein Diagramm, in welchem die produzierbaren Stückzahlen einer Produktionsanlage für unterschiedliche Ausbaustufen der Produktionsanlage aufgetragen sind;
- 6 ein Diagramm, in welchem der Einsatz unterschiedlicher Ausbaustufen der Produktionsanlage in Abhängigkeit von einem Stückzahlverlauf zu produzierender Güter über der Zeit aufgetragen ist; und
- 7 ein Diagramm, in welchem der Einsatz unterschiedlicher Ausbaustufen der Produktionsanlage in Abhängigkeit von einem anderen als dem in 6 gezeigten Stückzahlverlauf zu produzierender Güter über der Zeit aufgetragen ist.
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Eine insgesamt mit 10 bezeichnete erste Ausbaustufe einer Produktionsanlage ist in einer schematischen Perspektivansicht in 1 gezeigt. Die erste Ausbaustufe 10 der Produktionsanlage ist für eine minimal geplante Stückzahl A ausgelegt, wobei die erste Ausbaustufe 10 eine relativ geringe flächenmäßige Ausdehnung aufweist und eine relativ geringe Anzahl von Arbeitsstationen 12 umfasst, welche in jeweiligen mit gestrichelten Linien abgegrenzt dargestellten Arbeitsbereichen 14 angeordnet sind. Die einzelnen Arbeitsstationen 12 sind mittels eines Transportsystems logistisch miteinander angebunden, wobei fahrerlose Transportfahrzeuge 16 auf ihnen vorbestimmten Pfaden 18 zu bearbeitende Güter zwischen den Arbeitsstationen 12 transportieren. In den jeweiligen Arbeitsbereichen 14 befinden sich einzelne Werker 20, welche die jeweiligen Arbeitsstationen 12 bedienen.
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In 2 ist in einer schematischen Perspektivansicht eine zweite Ausbaustufe 22 der Produktionsanlage gezeigt. Diese zweite Ausbaustufe 22 stellt eine Erweiterung der in 1 gezeigten ersten Ausbaustufe 10 der Produktionsanlage dar, welche für eine erhöhte Stückzahl ausgelegt ist und wobei einzelne Arbeitsstationen 12 und Werkzeuge hinzugefügt worden und logistisch miteinander sowie an bereits bestehende Arbeitsstationen 12 angebunden worden sind. Idealerweise stellt die zweite Ausbaustufe 22 eine reine Erweiterung der ersten Ausbaustufe 10 dar, d.h., dass lediglich Arbeitsbereiche 14, Arbeitsstationen 12, Werkzeuge und weitere Betriebsmittel ergänzt, aber nicht ausgetauscht werden. Es jedoch genauso gut möglich, dass auch ein Austausch von Betriebsmitteln von der ersten Ausbaustufe 10 zur zweiten Ausbaustufe 22 erfolgt. An den Arbeitsstationen 12 werden teilweise Roboter, insbesondere mobile Leichtbauroboter, eingesetzt. Zudem werden im Vergleich zur ersten Ausbaustufe 10 noch weitere Werker 20 eingesetzt, welche an den jeweiligen Arbeitsstationen 12 zum Einsatz kommen.
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In 3 ist in einer schematischen Perspektivansicht eine dritte Ausbaustufe 26 der Produktionsanlage gezeigt, welche eine Erweiterung der in 2 gezeigten zweiten Ausbaustufe 22 der Produktionsanlage darstellt. Die dritte Ausbaustufe 26 ist für eine weiter gesteigerte Stückzahl ausgelegt und weist dementsprechend im Vergleich zur zweiten Ausbaustufe 22 einen größeren Flächenbedarf für das Layout der Produktionsanlage auf, wobei weitere Arbeitsbereiche 14 mit entsprechenden Arbeitsstationen 12 sowie weitere Roboter 24 der Produktionsanlage hinzugefügt worden sind. Idealerweise stellt auch die dritte Ausbaustufe 26 eine reine Erweiterung der zweiten Ausbaustufe 22 dar, d.h., dass lediglich Arbeitsbereiche 14, Arbeitsstationen 12, Werkzeuge und weitere Betriebsmittel ergänzt aber nicht ausgetauscht werden. Es jedoch auch in diesem Fall genauso gut möglich, dass auch ein Austausch von Betriebsmitteln von der zweiten Ausbaustufe 22 zur dritten Ausbaustufe 26 erfolgt.
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Im Gegensatz zur zweiten Ausbaustufe 22 umfasst die dritte Ausbaustufe 26 weniger Werker, da die dritte Ausbaustufe einen größeren Automatisierungsgrad als die zweite Ausbaustufe 22 aufweist und dementsprechend eine Mehrzahl von Werkern 20 durch eine entsprechende Anzahl an Robotern 24 ersetzt worden ist.
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In 4 ist in einer schematischen Perspektivansicht eine vollständig ausgebaute Ausbaustufe 28 der Produktionsanlage gezeigt. Die vollständig ausgebaute Ausbaustufe 28 stellt eine Erweiterung der in 3 gezeigten dritten Ausbaustufe 26 dar, welche für eine Maximalstückzahl bzw. Kammlinie B von zu produzierten Gütern ausgelegt ist. Für die vollständig ausgebaute Ausbaustufe 28 der Produktionsanlage werden sämtliche Lagerplätze 30 bzw. Lagerkapazitäten mit in das Layout der Produktionsanlage einbezogen. Die Produktionsanlage ist im vorliegenden Fall vollständig automatisiert und folglich sind keine Werker 20 mehr eingesetzt, da deren Arbeitsinhalte nun vollständig von Robotern 24 übernommen werden. Die Arbeitsstationen 12 umfassen dabei ausschließlich Werkzeuge, welche sowohl von einem der Roboter 24 als auch von einem der Werker 20 bedienbar sind, was für alle Werkzeuge der Produktionsanlage in den verschiedenen Ausbaustufen 10, 22, 26, 28 der Fall ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass Werkzeuge an den Arbeitsstationen 12 nicht ausgetauscht werden müssen, wenn wie im vorliegenden Fall Roboter 24 die Bedienung von Arbeitsstationen 12 mit entsprechenden Werkzeugen von Werkern 20 übernehmen.
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In den stückzahlabhängigen Ausbaustufen 10, 22, 26 der Produktionsanlage werden möglichst ausschließlich diejenigen Arbeitsstationen 12 und Werkzeuge vorgesehen, welche ebenfalls Bestandteil der Produktionsanlage in der vollständig ausgebauten Ausbaustufe 28 sind. Infolgedessen gibt es keine Arbeitsstationen 12 und/oder Werkzeuge, welche bei Erreichen der Kammlinie B nicht im Einsatz sind. Somit bringt eine Anpassung der Produktionsanlage an sich im Verlauf des Serienanlaufs steigende Stückzahlen keine vollständig neuen Prozesse im Produktionsablauf mit sich, da die eingesetzten Produktionstechnologien mit dem Beginn der Produktion, also bereits mit der ersten Ausbaustufe 10, feststehen und zumindest nicht mehr grundlegend verändert werden müssen.
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Das Layout der in den 1 bis 4 gezeigten Ausbaustufen 10, 22, 26 bzw. 28 ist allerdings keineswegs als starr zu verstehen. Vielmehr können die Anordnung der Arbeitsstationen 12 und die durch die Arbeitsstationen 12 durchführbaren Arbeitsschritte je nach zu produzierenden Variantenstückzahlen variiert werden. Entsprechende Pfade des fahrerlosen Transportsystems bzw. der fahrerlosen Transportfahrzeuge 16 sind ebenfalls entsprechend anpassbar, um die unterschiedlich anordbaren Arbeitsstationen 12 variabel logistisch miteinander anbinden zu können. Die Arbeitsstationen 12 können dabei als im Wesentlichen identische Module ausgebildet sein, was ein flexibles Austauschen und Verketten der einzelnen Arbeitsstationen 12 in Abhängigkeit von wechselnden Produktionsanforderungen erheblich erleichtert.
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In 5 sind in einem Diagramm für unterschiedliche Ausbaustufen I bis V einer Produktionsanlage die jeweilig produzierbaren Stückzahlen auf der Ordinatenachse aufgetragen. Unter anderem sind eine minimal geplante Stückzahl A für eine erste Ausbaustufe I und eine maximal geplante Stückzahl, welche der Kammlinie B der Produktionsanlage entspricht, für eine vollständig ausgebaute Ausbaustufe V in dem Diagramm eingetragen. Zur Konzipierung einer entsprechenden Produktionsanlage sind weitere Stückzahlen bzw. Stückzahlbereiche für weitere Ausbaustufen II, III, IV definiert, welche während eines Serienanlaufs von der minimal geplanten Stückzahl A bis zur Erreichung der Kammlinie B durchlaufen werden. Idealerweise erfolgt die Konzipierung der Produktionsanlage in Form einer reversen Planung von der Kammlinie B hinunter bis zur minimal geplanten Stückzahl A, was durch den Pfeil 32 in 5 verdeutlicht werden soll. Es werden also zuerst das Layout und die Betriebsmittel für die vollständig ausgebaute Ausbaustufe V konzipiert, bevor die weiteren Ausbaustufen I, II, III, IV konzipiert werden. Ausgehend von den für die vollständig ausgebaute Ausbaustufe V eingeplanten Betriebsmitteln werden die weiteren Ausbaustufen I, II, III, IV derart geplant, dass in diesen Ausbaustufen I, II, III, IV möglichst ausschließlich Arbeitsstationen 12 und Werkzeuge vorgesehen werden, welche Bestandteil der Produktionsanlage in der vollständig ausgebauten Ausbaustufe V sind. Idealweise erfolgt eine solche reverse Planung seriell, also von der vollständig ausgebauten Ausbaustufe V bis zur ersten Ausbaustufe I. Es ist jedoch je nach Komplexität der Planungsaufgabe auch durchaus möglich, dass die Konzipierung der Produktionsanlage mit ihren verschiedenen Ausbaustufen I bis V iterativ erfolgt, bis in allen Ausbaustufen I bis V lediglich Betriebsmittel vorgesehen sind, welche in der vollständig ausgebauten Ausbaustufe V eingesetzt werden.
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In den 6 und 7 sind jeweils beispielhaft unterschiedliche Stückzahlverläufe, beginnend von einer minimal geplanten Stückzahl A bis zur Erreichung der Kammlinie B, der Produktionsanlage über der Zeit aufgetragen. Aus den beiden Diagrammen der 6 und 7 wird deutlich, dass die Produktionsanlage mit der jeweiligen Stückzahlentwicklung unabhängig von der Zeit ausgehend von der minimal geplanten Stückzahl A bis zur Erreichung der Kammlinie B wächst, indem sukzessive die unterschiedlichen stückzahlabhängigen Ausbaustufen I bis V der Produktionsanlage realisiert werden. Je nach Entwicklung der Stückzahlen während des Serienanlaufs können gegebenenfalls auch zuvor geplante Ausbaustufen II, III, IV dabei übersprungen werden, falls eine schnellere Stückzahlsteigerung erforderlich sein sollte und die Produktionsabläufe dies ermöglichen sollten.