Table Of ContentRegeimechanismen fur die Formsicherung
im Automobilbau
Ein Beitrag zur Minimierung von
Gestaltabweichungen und Streuungen
Von der FakulUit Konstruktions- und Fertigungstechnik
der Universitat Stuttgart
zur Erlangung der Wiirde eines
Doktor-lngenieurs (Dr. - lng.)
genehmigte Abhandlung
Vorgelegt von
Dip!. - lng. Franz Eberle
Hauptberichter: Prof. Dr.-lng. Dr. h.c. mult. H.-J. Warnecke
Mitberichter: Prof. Dr. - lng. G. Lechner
Tag der Einreichung: 14.02.1996
Tag der miindlichen Priifung: 18.04.1997
Franz Eberle
Regelmechanismen
fur die Formsicherung
im Automobilbau
Mit 53 Abbildungen und 22 Tabellen
, Springer
Dr.-Ing. Franz Eberle
Fraunhofer·lnstitut fiir Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. H. J. Warnecke
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Fraunhofer·lnstitut liir Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Fraunhofer·lnstitut liir Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO). Stuttgart
093
ISBN-13: 978-3-540-63325-9 e-ISBN-13: 978-3-642-47905-2
001: 10.10071 978-3-642-47905-2
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unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag. Berlin. Heidelberg 1997.
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Gesamtherstellung: Copydruck GmbH. Heimsheim
SPIN 10636081 6213020-543210
Geleitwort der Herausgeber
tiber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt
wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt.
Das bedeutet, moglichst frUhzeitig absatzmarktorientierte Anforde
rungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie
reno
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und er
offnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno
logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle
Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa
lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse
ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsrnanagements sind vielfaltiger und an
spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes,
die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations
geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die
Ubergreifenden okologischen und sozialen Probleme, zu deren Losung
die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den FUh
rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die Uber den
Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten
Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh
men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte
grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich
tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Men
schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die
traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei
ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie
rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent
wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin
vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite rnuB dieses BemUhen durch die Ent
wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen
Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein
schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stUtzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam
menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Inforrnatik, der Wirt
schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, Losungen zu er
arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der
Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT)
- Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung
(IPA) ,
- Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an
den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der
Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der
Vergangenheit zu Forschungsergebnissen geflihrt, die fur die Praxis
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird
die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben.
Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht uber
bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer
Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots
palette und der Druckerei fur saubere und zligige Ausfuhrung. Mage
das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H.J. Warnecke H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegene Arbeit entstand wiihrend meiner T!itigkeit als Doktorand in der BMW AG
(Munchen) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und
Automatisierung (Stuttgart).
Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. multo H.-J. Warnecke danke ich fUr die groBziigige Unter
stutzung und F6rderung, welche die DurchfUhrung dieser Arbeit enn6glichte.
Herrn Prof. Dr. - Ing. G. Lechner danke ich fiir die eingehende Durchsicht der Arbeit und
die sich daraus ergebenden Hinweise.
Daruberhinaus danke ich allen Mitarbeitern der BMW AG und des Fraunhofer-Instituts,
die mich durch ihre anregende Kritik und Hilfsbereitschaft unterstiitzt haben. Mein beson
derer Dank gilt den Herren Dr. W. Steger, Dr. K. Melchior und Frau Dr. S. Roth - Koch
yom Fraunhofer-Institut sowie den Herren Dr. R. Scheiber, Prof. Dr. R. Schuster und
Herrn Dip\. - Ing. K. Kloos.
Die Arbeit ist meiner Frau und meinen beiden Tochtern Kalina und Alenka gewidmet.
InhaItsverzeichnis
o
Formelzeichen und Abkurzungen ................. . . . . . . . . . . . 12
1 Einleitung............................................... 15
2 Problemstellung.......................................... 17
2.1 ProduktentstehungsprozeB ....................................... 17
2.2 Anwendungsfeld der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Gestaltabweichungen und Streuungen eines Produktes . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Probleme durch Gestaltabweichungen und Streuungen . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 MaBnahmen zur Minimierung von Gestaltabweichungen und Streuungen 23
3 Zielsetzung und Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 Zielvorstellung beziiglich der Minimierung von Gestaltabweichungen und
Streuungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Weitere Vorgehensweise ......................................... 27
4 Stand der Forschung und Technik ........................... 29
4.1 Elemente der Formsicherung ..................................... 29
4.2 MaBnahmen der praventiven Qualitatssicherung ..................... 31
4.2.1 Grundlagen und Methodeniiberblick .......................... 31
4.2.2 Methoden der Versuchsplanung nach TAGUCHI . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.3 Methoden der Versuchsplanung nach SHAININ ................ 35
4.2.4 Ablauf der Versuchsplanung nach BOTHE mit Methoden von
SHAININ................................................. 38
4.2.5 Ablauf der Versuchsplanung nach KROTTMAIER mit Methoden
von SHAININ und TAGUCHI ............................... 38
4.3 EDV-Schnittstellen in der Formsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 41
4.4 CAD-integrierte Priifplanung .................................... 42
-10 -
4.5 CAD-integrierte Off-line Programmierung ............... , . . . . .. . . 43
4.6 MeB- und Priifmethoden der Formsicherung ....................... 44
4.6.1 Taktile KoordinatenmeBtechnik zur Erfassung regelgeometrischer
Elemente und Freiformfliichen ............................... 44
4.6.2 Beriihrungslose MeBverfahren zur Erfassung von Freiformfliichen. 45
4.7 Numerische, graphische und statistische Auswertungen ............... 47
4.8 Qualitiitsregelkreise in der Formsicherung .......................... 49
4.9 Selektive Montage .............................................. 50
4.10 Offene Problempunkte ................................. , . . . . . . . . 51
4.10.1 Funktionsorientierte Bewertung von Gestaltabweichungen . . . . . . . 52
4.10.2 Streuungen der Form von Serienteilen ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
S Anforderungsprofil an die Formsicherung .................... S3
5.1 Anforderungen an das Gesamtkonzept ............................. 53
5.2 Anforderungen an die Minimierung von Gestaltabweichungen ......... 54
5.3 Anforderungen an die Minimierung von Streuungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 Modell der Formsicherung ................................. S6
6.1 Ablauf der Formsicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2 Bausteine zur Minimierung von Gestaltabweichungen und Streuungen .. 59
6.2.1 Aigorithmen zur Minimierung von Gestaltabweichungen ......... 59
6.2.2 Ablauf zur Minimierung von Streuungen ....... . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3 Datenstruktur und Schnittstellen .................................. 60
6.4 Mathematische Losungen zur Minimierung von Gestaltabweichungen ., . 62
6.4.1 Losung zur Minimierung von Gestaltabweichungen unter
geometrischen Gesichtspunkten .............................. 62
6.4.1.1 Losungen der Minimierungsaufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.4.1.2 Das nichtlineare Ausgleichsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4.1.3 Anfangswerte des Minimierungsverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.4.1.4 Ablauf zur Minimierung geometrischer Abweichungen . . . . . 68
6.4.2 Losung zur Minimierung von Gestaltabweichungen unter
verformungstechnischen Gesichtspunkten ...................... 68
-11-
6.4.3 Lasung zur Minimierung von Gestaltabweichungen unter
funktionalen Gesichtspunkten . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.4.3.1 Rahmenbedingungen ................................. 70
6.4.3.2 Lasung zur Minimierung funktionaler Abweichungen ...... 71
6.4.3.3 Erliiuterungen zum Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4.3.4 Ablauf zur Minimierung funktionaler Abweichungen ...... 76
6.5 Modell zur Minimierung von Streuungen in der Serienfertigung ........ 77
6.5.1 Ablauf zur Streuungsminimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.5.2 Phase der Problemdefinition ................................. 79
6.5.3 Phase der Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.5.4 Phase der Variation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.5.5 Phase der Synthese ......................................... 85
7 Bewertung der Erkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.1 Anwendung der Algorithmen zur Minimierung von Gestaltabweichungen 87
7.1.1 Darstellung der funktionsorientierten Einpassung am Beispiel eines
Quaders .................................................. 88
7.1.2 Bemusterung eines Einzelteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.1.3 Analyse im Karosserie-Rohbau .............................. 95
7.1.4 Hilfsmittel zur Fliichenriickfiihrung ........................... 100
7.2 Anwendungen des Ablaufs zur Minimierung von Streuungen . . . . . . . . . . . 103
7.2.1 Fallbeispiel aus dem Rohbau ................................. 104
7.2.2 Fallbeispiel Ttirinnenverkleidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.3 Erfiillungsgrad der Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.3.1 Gesamtkonzept ............................................ 110
7.3.2 Minimierung von Gestaltabweichungen ........................ 111
7.3.3 Minimierung von Streuungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8 Zusammenfassung........................................ 113
9 Schrifttum............................................... 115
10 Glossar ................................................. 120
o
Formelzeichen nnd Abkiirznngen
Formelzeichen
!!..Tl!. Matrizenmultiplikation
!!..l' !!..2 E IR3 Differenzenvektoren von Ist-Punkten
!!..~, !!..; E IR3 Orthonormalbasen aus !!..1 und!!"2
l!.l' l!.2 E IR3 Differenzenvektoren von Soll-Punkten
l!.~, l!.; E IR3 Orthonormalbasen aus l!.1 und l!.2
£, E IR3x3 Euler-Matrix
di Abstand des i-ten Punktes
Dt!d(O»)
lakobimatrix von [an der Stelle fJ.(O)
Ii E IR3x3 Einheitsmatrix
[ Transformationsvektor
[; Transformationsvektor [flir den i-ten MeBpunkt
M Funktional
Index
Ii; E IR3 Kantenvektor
li E IR3 Beschnittnormale
!Ii E IR3 Normalenvektor eines 3D-MeBpunktes
N Anzahl MeBpunkte
0+(3) Orthonormalbasis des IR3
l!.. E IR3 Parameter der Euler-Formel
fJ. E IR6 Losungsvektor
fJ.(O) Naherungsvektor
range Raum aller Bilder
Abstandsvektor [flir den i-ten MeBpunkt
!i E IR3x3 Orthogonale Matrix (Rotationsmatrix)
!io E IR3x3 Orthogonale Matrix (Startiterierte)
~ E IR3x3 Skalierungsmatrix
