STUTTGARTER BEITRÄGE ZUR PRODUKTIONSFORSCHUNG BAND 35 Herausgeber: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Engelbert Westkämper Nikolaus Blümlein Function-based Cost Estimation for Service Robot Prototypes in Early Design Phases FRAUNHOFER VERLAG Kontaktadresse: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart Telefon 0711 9 70-00, Telefax 0711 9 70-13 99 [email protected], www.ipa.fraunhofer.de STUTTGARTER BEITRÄGE ZUR PRODUKTIONSFORSCHUNG Herausgeber: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Engelbert Westkämper Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart Titelbild: © Dominik Kaltenbacher Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISSN: 2195-2892 ISBN (Print): 978-3-8396-0749-7 D 93 Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2013 Druck: Mediendienstleistungen des Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB, Stuttgart Für den Druck des Buches wurde chlor- und säurefreies Papier verwendet. © by FRAUNHOFER VERLAG, 2014 Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB Postfach 80 04 69, 70504 Stuttgart Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart Telefon 0711 9 70-25 00 Telefax 0711 970-25 08 E-Mail [email protected] URL http://verlag.fraunhofer.de Alle Rechte vorbehalten Dieses Werk ist einschließlich aller seiner Teile urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die über die engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes hinausgeht, ist ohne schriftliche Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikro ver filmungen sowie die Speicherung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen und Handelsnamen in diesem Buch berechtigt nicht zu der An nahme, dass solche Bezeichnungen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz- Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und deshalb von jedermann benutzt werden dürften. Soweit in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden ist, kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. GELEITWORT DER HERAUSGEBER Produktionswissenschaftliche Forschungsfragen entstehen in der Regel im Anwen- dungszusammenhang, die Produktionsforschung ist also weitgehend erfahrungsbasiert. Der wissenschaftliche Anspruch der „Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung“ liegt unter anderem darin, Dissertation für Dissertation ein übergreifendes ganzheitliches Theoriegebäude der Produktion zu erstellen. Die Herausgeber dieser Dissertations-Reihe leiten gemeinsam das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und jeweils ein Institut der Fakultät für Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik an der Universität Stuttgart. Die von ihnen betreuten Dissertationen sind der marktorientierten Nachhaltigkeit verpflichtet, ihr Ansatz ist systemisch und interdisziplinär. Die Autoren bearbeiten anspruchsvolle Forschungsfragen im Spannungsfeld zwischen theoretischen Grundlagen und industrieller Anwendung. Die „Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung“ ersetzt die Reihen „IPA-IAO Forschung und Praxis” (Hrsg. H.J. Warnecke / H.-J. Bullinger / E. Westkämper / D. Spath) bzw. ISW Forschung und Praxis (Hrsg. G. Stute / G. Pritschow / A. Verl). In den vergan- genen Jahrzehnten sind darin über 800 Dissertationen erschienen. Der Strukturwandel in den Industrien unseres Landes muss auch in der Forschung in einen globalen Zusammenhang gestellt werden. Der reine Fokus auf Erkenntnisgewinn ist zu eindimensional. Die „Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung“ zielen also darauf ab, mittelfristig Lösungen für den Markt anzubieten. Daher konzentrieren sich die Stuttgarter produktionstechnischen Institute auf das Thema ganzheitliche Produktion in den Kernindustrien Deutschlands. Die leitende Forschungsfrage der Arbeiten ist: Wie können wir nachhaltig mit einem hohen Wertschöpfungsanteil in Deutschland für einen globalen Markt produzieren? Wir wünschen den Autoren, dass ihre „Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung“ in der breiten Fachwelt als substanziell wahrgenommen werden und so die Produk- tionsforschung weltweit voranbringen. Alexander Verl Thomas Bauernhansl Engelbert Westkämper kskdxks Function-based Cost Estimation for Service Robot Prototypes in Early Design Phases Von der Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Dipl.-Inf. Dipl.-Kfm. Nikolaus Blümlein aus Ludwigshafen am Rhein Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Heinz Wörn Tag der mündlichen Prüfung: 05.11.2013 Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart 2013 Vorwort des Autors Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Arbeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart-Vaihingen. An erster Stelle möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl für die Übernahme des Hauptberichts, seine Betreuung während der Anfertigung der Arbeit und seine wertvollen Ratschläge danken. Mein Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Heinz Wörn für die freundliche Übernahme des Mitberichts. Zahlreiche Kollegen standen mir während der Dissertation mit hilfreichen Ratschlägen und ermutigenden Worten zur Seite und trugen so direkt und indirekt zum Gelingen dieser Arbeit bei. Ich bedanke mich bei Herrn Dipl.-Ing. Martin Hägele M.S., der mich maßgeblich bei der Themenfindung und Informationsrecherche unterstützt hat. Für seine konstruktiven Anmerkungen und kontinuierlichen Zuspruch bin ich Herrn Dipl.-Ing. Kai Pfeiffer zu Dank verpflichtet. Den Kollegen Frau Dr.-Ing. Dipl.-Inf. Birgit Graf, Herrn Dr.-Ing. Georg Arbeiter, Herrn Dipl.-Inf. Winfried Baum, Herrn Dipl.-Ing. Alexander Bubeck, Herrn Dr.-Ing. Ulrich Reiser und Herrn Dipl.-Ing Maik Siee danke ich für ihre stet Bereitschaft, mit ihrer fachlichen Expertise wertvolle Unterstützung zu liefern. Herrn Dr.-Ing. Christian Connette und Herrn Dr.- Ing. Arne Rost möchte ich ganz besonders danken für die intensiven und anregenden Diskussionen und Fachgespräche. Frau Luzia Schuhmacher M.A. und Frau Heide Kreuzburg gebührt ebenfalls ein besonderes Dankeschön für ihre Geduld und ihre wertvollen Ratschläge bei organisatorischen Fragen. All den Kollgen, die durch ihre freundliche Art zu einer angenehmen und produktiven Arbeitsatmosphäre beigetragen haben, möchte ich ebenfalls danken, die schöne Zeit wird mir stets in Erinnerung bleiben. Aschaffenburg, im April 2014 Nikolaus Blümlein ii Kurzinhalt Die frühzeitige Kostenabschätzung ist häufig eine Voraussetzung, um bei der Entwicklung komplexer Produkte deren Wirtschaftlichkeit beurteilen zu können. Die Verknüpfung zahlreicher technischer und wirtschaftlicher Faktoren stellt dabei für Systementwickler insbesondere in sehr frühen Phasen eine Herausforderung dar, in denen nur wenig mehr als die gewünschte Funktionalität bekannt ist. Da die Servicerobotik im Vergleich zu anderen Technologien noch relativ jung ist, verschärft der Mangel an Erfahrungswerten diese Problematik für Serviceroboterprodukte. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgeschlagen, der durch strukturale Verknüpfung von typischen Serviceroboterkomponenten, -funktionalitäten und statistischen Kostenmodellen den Kostenschätzungsprozess unterschiedlicher Kostenaggregats- stufen für Serviceroboter-Prototypen in frühen Entwicklungsphasen erleichtert. Zusätzlich ermöglicht diese Vorgehensweise die Abschätzung von Stückkosten für kleine Stückzahlen. Kernelemente der Arbeit sind die Entwicklung einer Design-Struktur-Matrix für Serviceroboter und die Modellierung von Hardware- und Softwarekosten. Die anhand von Experteninterviews ermittelte Strukturmatrix verknüpft typische Roboterfunktionen mit Hardware- und Softwarekomponenten und ermöglicht dadurch die Ableitung der wesentlichen Bestandteile eines Prototyps aus gewünschten Fähigkeiten des Serviceroboters. Der Stand der Technik wird bezüglich der gängigen Produktentwicklungs- und Kostenschätzungsmethoden sowie deren Einsatz im Bereich der Servicerobotik dargestellt. Neben allgemeinen Vorgehensweisen der Kostenschätzung werden hardware- und softwarespezifische Konzepte vorgestellt. Entwurfstechniken für neue Produkte werden in intuitive und strukturelle Methoden untergliedert und erläutert. Die Betrachtung dieser Techniken wird abgeschlossen mit einer Untersuchung, inwieweit sie innerhalb der Entwicklung von Servicerobotern Anwendung finden und diesbezüglich Verbesserungsmöglichkeiten bestehen. Um Kostenschätzungen für Hardwarekomponenten vornehmen zu können, wurden im Rahmen einer empirischen Primärrecherche zentrale technische Eigenschaften und Preise