Planung und Steuerung von Abläufen in linienlosen mobilen Montagesystemen

Buckhorst, Armin Friedrich; Schmitt, Robert H.; Hüsing, Mathias

doi:HT030366000

Planung und Steuerung von Abläufen in linienlosen mobilen Montagesystemen = Line-less mobile assembly systems’ operations planning and control

Buckhorst, Armin Friedrich^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Armin Friedrich Buckhorst

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus-Verl. 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2023,26

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)^RWTH* ; Hüsing, Mathias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-08-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-09029
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/969204/files/969204.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
assembly systems (frei) ; flexibility (frei) ; line-less assembly (frei) ; production systems (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Global- und regionalökonomische Trends stellen produzierende Unternehmen vor Herausforderungen, um ihren nachhaltigen Fortbestand abzusichern. Diskontinuitäten an den Märkten (durch Krieg und Pandemien induziert) motivieren dazu, wertschöpfende Produktions- und Montagesysteme mit der Nachfrage nach kundenindividuellen, hochqualitativen und günstigen Produkten zu synchronisieren. Das Organisationsparadigma der linienlosen mobilen Montage verspricht, diese Synchronisation zu erreichen. Allerdings befindet es sich in einer frühen Entstehungsphase des Innovationszyklus. Deshalb liefert diese Arbeit eine Definition des Paradigmas und eine Abgrenzung gegenüber den in der Praxis etablierten Ansätzen (bspw. flexible oder rekonfigurierbare Systeme): Der operativeBetrieb der Montage im LMAS ist durch die quasi-kontinuierliche Rekonfiguration der Produktionsmittel geprägt. Montagestationen werden an günstigen Aufstellungsorten innerhalb einer hindernisfreien Fabrik unter Verwendung von ortsflexiblen Mehrzweckressourcen temporär aufgebaut. Die vorliegende Arbeit liefert zur Beherrschung der Betriebsphase zunächst eine semantische und syntaktische Beschreibung der LMAS Entitäten Ressource, Station und Fabrik. Sie weisen Selbstähnlichkeiten auf, denn ihnen wird neben einem Typ, eine Konfiguration, ein Zustand, ein (transienter) Ort sowie ein Plan zugeordnet. Auf Basis des Formalismus wird eine holarchische Steuerungssystemarchitektur abgeleitet. Sie bindet die mobilen Mehrzweckressourcen ein, schafft Möglichkeiten, temporäre Entitäten zu instantiieren, konsolidiert Systemzustände und ist mit einer Globalplanung verknüpft. Aus optimalen Globalplänen werden lokale Ziele abgeleitet, die an die Entitäten kommuniziert werden. Die lokalen Ziele werden autonom und selbstorganisiert verfolgt, sodass sich räumlich-zeitlich transiente Montagestationen konstituieren und sich das gewünschte Gesamtsystemverhalten synergetisch ergibt. Kern der Globalplanung ist ein gemischt-ganzzahliges lineares Entscheidungsmodell, das die verfügbaren Freiheitsgrade ausschöpft und der Planungskomplexität gerecht wird. Der integrale Ansatz basiert auf der Kombination eines generischen Standort- und Scheduling-Modells, das um die LMAS-spezifische Randbedingungen und Entscheidungsvariablen erweitert wird. Neben diesem LMAS Simultaneous Scheduling and Location Modell zur prädiktiven Ablaufplanung wird eine Heuristik entwickelt. Sie liefert innerhalb kurzer Rechenzeiten Globalpläne ohne Optimalitätsanspruch, sodass auftretende Störungen (bspw. Ressourcen- oder Stationsausfälle) online behandelt werden können. Der Nutzen des Entscheidungsmodells sowie der Heuristik werden durch die Untersuchung der konzeptionellen sowie operationalen Validität und durch eine computerisierte Modellverifikation bestätigt. Versuchsdatensätze orientierten sich an der industriellen Abwasserpumpenmontage.

Global and regional economic trends constantly confront manufacturing and assembling companies with challenges to ensure their sustainable existence and continuation of their businesses. They face shorter product life cycles and increasing demand for customized as well as high-quality products at low prices. Accelerated competition and discontinuities in the markets (induced by war, pandemics, and climate crises) motivate to synchronize production and assembly systems with demand. The novel organizational paradigm of Line-less Mobile Assembly Systems (LMAS) promises to achieve this synchronization. However, LMAS is at an early stage of emergence in the innovation cycle. Therefore, this dissertation provides a definition and differentiation to established approaches (e.g. flexible or reconfigurable systems): Operations in LMAS are characterized by the quasi-continuous reconfiguration of production resources. Assembly stations are temporarily set up at favorable locations within an obstacle-free factory using location-flexible multi-purpose resources. To master system operations, this thesis provides a formal model for semantic and syntactic descriptions of the LMAS entities: resource, station, and factory. They exhibit self-similarities, because, in addition to lower-level LMAS entities, a type, a configuration, a state, a (transient) location, and a plan are assigned to each. Based on this formalism, a holarchical control system architecture is derived. It integrates the mobile multi-purpose resources, creates possibilities to instantiate temporary entities, consolidates system states, and is connected to a global planning unit. Local goals are derived from optimal global plans and assigned to the operational entities. The local goals are pursued autonomously and self-organized so that spatio-temporally transient assembly stations are constituted and the desired overall system behavior results synergistically. The core of the global planning unit is a mixed-integer linear decision model that exploits the available degrees of freedom and meets the planning complexity. The integral approach is based on the combination of a generic location and scheduling model, which is extended by the LMAS-specific constraints and decision variables. In addition to this LMAS Simultaneous Scheduling and Location model for predictive scheduling, a heuristic is developed. Without optimality, the heuristic provides global plans quickly and is utilized online in the control system. Accordingly, local disruptions (e.g. resource or station failures) can be handled quickly. The usefulness of the mixed-integer decision model and the heuristic are confirmed by the investigation of the conceptual and operational validity and by the computerized model verification. Experimental data sets were taken from industrial sewage pump assembly.

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