Wie Prozessvariabilität die Automatisierung in der Metallfabrik zunichte macht

Jun 18, 2023

Automatisierung kann das Unzuverlässige nicht zuverlässig machen, insbesondere wenn die Teile, die in das automatisierte System gelangen, nicht konsistent sind. Variabilität ist das größte Schlagloch auf dem Weg zur Automatisierung eines Fertigungsprozesses. Getty Images

Vielen Herstellern fällt es schwer, scheinbar unkomplizierte Vorgänge zu automatisieren, nur um monatelang Fehler zu beheben und schließlich verzweifelt die Hände hochzuwerfen. Sie entfernen schließlich die Automatisierung, was häufig zu einer Reihe von Streitigkeiten mit Automatisierungslieferanten führt. In fast allen Fällen kann ein Ausfall auf Schwankungen zwischen den einzelnen Teilen oder einen Mangel an Prozessstabilität zurückgeführt werden, die beide nicht in der Verantwortung des Automatisierungsanbieters liegen.

Im Automatisierungsfieber der Branche machen Unternehmen einige grundlegende Fehler, die zu erheblichen Prozessverzögerungen, Kostenüberschreitungen und manchmal sogar zum Scheitern führen. Am Ende produzieren sie fehlerhafte Teile oder verlieren durch häufige Maschinenfehler den Produktionsdurchsatz. In diesen Fällen kann die Automatisierung tatsächlich negative Auswirkungen auf Produktivität und Kosten haben. Noch schlimmer ist, dass projektspezifische Misserfolge die Automatisierung beim Management unnötig in ein schlechtes Licht rücken, sodass nachfolgende Projekte abgelehnt werden.

Hersteller können dieses Szenario vermeiden, indem sie Maßnahmen ergreifen, um den nach wie vor größten technischen Grund für das Scheitern von Projekten zu identifizieren, zu verstehen und zu reduzieren: Prozessvariabilität.

Maßabweichungen von Teil zu Teil, der am häufigsten übersehene und wichtigste Risikofaktor für jedes Automatisierungsprojekt, umfassen zwei Komponenten. Die erste ist die Prozessfähigkeit. Entsprechen die Teile zu 100 % den Druckspezifikationen? Eine Prozessfähigkeitsstudie liefert eine Momentaufnahme dieser Fähigkeit und wird als Cpk gemessen, ein Prozessfähigkeitsindex, der das Verhältnis zwischen den Druckspezifikationen und der natürlichen Prozessvariabilität angibt.

Die zweite Komponente ist die Prozessstabilität. Bleibt der Prozess über die Zeit relativ stabil? Jeder Prozess weist eine gewisse natürliche Variabilität auf, wie in den Normalverteilungen in gezeigtAbbildung 1 . Wenn sich die Prozessmittellinie in dieser Verteilung im Laufe der Zeit verschiebt, liefert sie dann immer noch 100 % konforme Teile? Sofern sie keine schlüsselfertige Zelle oder einen schlüsselfertigen Betrieb bereitstellen, machen Automatisierungsanbieter in der Regel den Hersteller für die Prozessstabilität verantwortlich.

Stellen Sie sich einen Prozess vor, bei dem vom Coil zugeführte, ausgerichtete und auf Länge zugeschnittene Rohlinge tiefgezogen und besäumt werden. Konkret werden die Rohlinge im eigenen Haus von vorgeschlitzten Spulen auf Länge geschnitten und für die Beladung in eine Zwei-Stationen-Zieh- und Beschnittpresse mit entsprechender Schmierung positioniert.

Die erste Station verfügt über in die Matrize integrierte Sensoren zur Rohlingserkennung, die den Bediener auf Fehlzuführungen aufmerksam machen und eine Betätigung verhindern, wenn ein Rohling nicht richtig sitzt. Die zweite Station verfügt über integrierte Sensoren, die vor dem Beschneiden erkennen, ob das geformte Teil richtig sitzt. Dazu gehört das Auftrennen und Auswerfen der Beschnitte, sodass das fertige Teil zuverlässig entnommen und auf einem Auslaufband abgelegt werden kann.

Ein Pressenbediener lädt jeden Rohling in die Presse, aktiviert das Schmiersystem und bewegt das Teil manuell zwischen Zieh- und Beschnittstationen zu einem Korb für fertige Teile. Der Schrott wird im Schneidwerkzeug zerteilt und fällt auf ein Förderband.

Vor der Presse befindet sich ein Sicherheitsvorhang mit Schnellverriegelung. Dennoch möchte das Unternehmen den Prozess aus Produktivitäts- und Sicherheitsgründen automatisieren. Die Bedienung der Druckmaschine ist eine sehr anspruchsvolle Arbeit, und das Geschäft wächst.

Oberflächlich betrachtet könnte dies wie ein einfaches Pick-and-Place-Automatisierungsprojekt aussehen. Ein automatisiertes System könnte Rohlinge präzise in eine Matrize legen, das gezogene Teil nach dem Auswerfen aus der Matrize entfernen und es dann in der Trimmstation platzieren (sieheFigur 2 ). Anschließend könnte das fertige Teil aus der Besäumform entnommen und auf ein Ausgangsförderband gelegt werden. Mit den richtigen Schnittstellen zwischen Robotik, Sensoren und Pressensteuerung sollte dieses Projekt reibungslos anlaufen – oder?

Abbildung 1. Ein stabiler, leistungsfähiger Prozess weist enge Parameterverteilungen auf, die alle innerhalb der Prozessspezifikationsgrenzen liegen.

Gezeichnete Teile müssen genau und konsistent sein. Falsch geformte Teile können in den Matrizen stecken bleiben und zu Ausschuss werden. Und wenn solche Pannen automatisiert werden, können sie zu Störungen führen, die den Betrieb lahmlegen. Aus diesem Grund muss das Unternehmen den Ziehprozess selbst auf Leistungsfähigkeit und Stabilität prüfen.

Die Planung der Automatisierung erfordert ein scharfes Auge für Fehlermöglichkeiten: Was kann und wird schiefgehen? Dies ist die Essenz übermäßiger Prozessvariabilität, die sich in der Automatisierung äußert, die häufig Alarm auslöst, übermäßigen Ausschuss produziert und den Durchsatz verringert.

Ein dreistufiger Prozess hat sich als recht erfolgreich erwiesen, um solche Prozessschwankungen und Hindernisse für die Automatisierung zu minimieren: (1) beobachten, (2) analysieren, dann (3) planen und implementieren.

Die Disziplinen Lean Manufacturing und grundlegende Prozesskontrollen (Einsatz statistischer Prozesskontrolle, Fähigkeitsstudien) tragen zur Verbesserung manueller Abläufe bei, werden jedoch in einer automatisierten Umgebung noch wichtiger. Nach der Implementierung in der manuellen Umgebung kann der Übergang zur Automatisierung ernsthaft beginnen.

Anbieter von Bildschirmautomatisierung. Automatisierungsanbieter beschäftigen sich mit der Entwicklung, dem Design, dem Bau und der Implementierung automatisierter Zellen. Es geht ihnen nicht darum, Prozessschwankungen und Risiken zu mindern. Tatsächlich erwarten sie von ihren Kunden, dass sie beides im Griff haben. Die besten Anbieter verbringen Zeit vor Ort, beobachten den Betrieb und identifizieren Risiken gründlich. Verlassen Sie sich jedoch nicht darauf, dass der Automatisierungsanbieter diese Arbeit für Sie erledigt.

Wenn der Automatisierungsanbieter eine schlüsselfertige Zelle liefert, schließen Sie in den Vertrag die spezifischen Tests ein, die im Werk und während der Inbetriebnahme erforderlich sind, um das Projekt zu genehmigen. Überprüfen Sie gemeinsam mit dem Anbieter genau den Vorgang, einschließlich der Teilepositionierung und der Werkstückhalterung, um sicherzustellen, dass er den gesamten Prozess und nicht nur die Automatisierung versteht.

Einige Automatisierungsunternehmen möchten möglicherweise komplexe Bildverarbeitungssysteme und In-Prozess-Inspektionsgeräte verkaufen. Seien Sie vorsichtig und konzentrieren Sie sich zunächst darauf, einen sehr leistungsfähigen Prozess zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Inspektionsgeräte müssen kalibriert und gewartet werden, und sie erhöhen die Kosten und die Zykluszeit. Wenn diese Geräte am Ende ein falsches Signal nach dem anderen erzeugen, werden sie möglicherweise trotzdem ausgeschaltet.

Schreiben Sie eine Angebotsanfrage mit einem zweistufigen Genehmigungsprozess. Nehmen Sie in Ihren Verträgen Prozessabwicklungsschritte auf, einen am Standort des Automatisierungslieferanten vor dem Versand und einen in Ihrem Werk bei der Inbetriebnahme und vor der Schlusszahlung. Stellen Sie sicher, dass Sie diese zweistufige Genehmigung dokumentieren, während Sie Angebote einholen, damit die Automatisierungsanbieter Kosten und Zeit einplanen und in ihre Angebotsunterlagen einbeziehen können. Binden Sie Abschlagszahlungen für jeden Schritt an den Abschluss jeder Phase und definieren Sie klar Genehmigungsanforderungen, wie z. B. spezifische Zykluszeiten und gewünschte Betriebszeit.

Führen Sie ausführliche Überprüfungen von Automatisierungskonzepten durch. Besprechen Sie die vorgeschlagenen Automatisierungskonzepte sorgfältig mit potenziellen Lieferanten. Bitten Sie sie, das Team durch jede Station, das vorgeschlagene Konzept und die zugrunde liegenden Annahmen zu führen.

Gehen Sie außerdem gemeinsam mit dem Automatisierungsunternehmen die Fehlermodi durch, die Ihr Team identifiziert hat, und fragen Sie, wie die vorgeschlagene Lösung jeden einzelnen Fehler beheben würde. Fragen Sie abschließend das Designteam nach seinen Bedenken bezüglich der Anwendung. Gute Designer werden gute Fragen haben.

Abbildung 2. Die fokussierten Schritte, rot umrandet, scheinen scheinbar einfach zu automatisieren – allerdings nicht ohne Prozessstabilität und -fähigkeit.

Bereitstellung repräsentativer Teile für die Automatisierungsentwicklung und -genehmigungen. Nachdem Sie die Prozesskontrollen verschärft und die Prozessvariabilität reduziert haben, stellen Sie dem ausgewählten Automatisierungslieferanten Teile aus mehreren Chargen oder Produktionsläufen zur Verfügung, die er bei der Fehlerbehebung der Ausrüstung in seiner eigenen Anlage verwenden kann. Der Automatisierungslieferant wird diese in der ersten Genehmigungsphase verwenden. Vermeiden Sie es daher, nur die besten Teile zu versenden, da dies in der zweiten Genehmigungsphase vor Ort nur zu weiteren Problemen führen wird.

Um den kritischen Arbeitskräfte- und Fachkräftemangel im ganzen Land zu beheben, setzen Hersteller zunehmend auf Automatisierung und intelligente Technologien. Und das Tempo der Automatisierung nimmt dank der hohen Nachfrage und der Rückverlagerungstrends im Supply Chain Management zu. Dennoch kann die Automatisierung allein das Unzuverlässige nicht zuverlässig machen, insbesondere wenn die Teile, die in das automatisierte System gelangen, nicht konsistent sind.

Entdecken Sie Prozessschwankungen frühzeitig in einem Projekt, damit diese beseitigt und nicht erst bei der Inbetriebnahme erkannt werden können. Erfolgreiche Automatisierung basiert immer auf stabilen, leistungsfähigen Prozessen. Erfolgreiche Hersteller verstehen dies und unternehmen die harte Arbeit, um ihre Prozesse zu verstehen, sie zu stabilisieren, Variabilität zu reduzieren – und erst dann zu automatisieren.