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VorlesungGrundlagen der computergestützten Produktion und LogistikW1332Fakultät für Wirtschaftswissenschaften
W. Dangelmaier
Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik -Inhalt
1. Einführung: Worum geht es hier?
2. Produktion
3. System
4. Modell
5. Modellierung von Gegenständen
6. Strukturmodelle (Gebildestruktur)
7. Verhaltensmodelle (Prozessstruktur)
8. Planung von Produktionssystemen
9. Digitale Fabrik
10. Wirtschaftlichkeitsrechnung
11. Glossar
12. Prüfungen
2
ProduktionUmwandlungsprozess (Transformation), durch den Güter oder Dienstleistungen (Output) aus Einsatzgütern (Input) entstehen.
Fertigungumfasst alle technischen Maßnahmen zur Herstellung von Erzeugnissen. Sie ist ein diskontinuierlicher Prozess. Man unterteilt Teilefertigung und Montage.
Fertigungssystem / Produktionssystemtechnisch selbstständige Allokation von Potentialfaktoren zur Produktion. Sie besteht aus Arbeitssystemen.
Arbeitssystem
Kleinste Einheit einer Kombination aus Potentialfaktoren; mind. eine Klasse von Transformationen.
Fertigungsprozess
Zeitliche Folge von Einzelprozessen, die eine Umwandlung bzw. Umformung realer Gegebenheiten (Stoff, Energie, Information), oder eine Veränderung ihrer Koordinaten (Transport, Lagerung) bewirken.
2. Produktion
Hilfstechniken
Fördertechnik
Messtechnik
Fertigungstechnik… befasst sich mit der Herstellung geometrisch bestimmter fester Körper aus verschiedenartigen Grundstoffen durch schrittweise Veränderung der Form oder Stoffeigenschaften.
Urformen (Giessen, Sintern, Galvanoformung)Fertigen eines festen Körpers aus formlosen Stoff durch Schaffen von Zusammenhalt.
Umformen (Stauchen, Ziehen)Erzeugen eines Teils durch Ändern der Form. Masse und Zusammenhalt werden erhalten.
2. Produktion
3
Trennen (Drehen, Bohren, Fräsen)Aufhebung oder Verminderung des örtlichen Zusammenhaltes.
Beschichten (Galvanisieren)Aufbringen einer haftenden Schicht aus formlosen Stoff.
Stoffeigenschaft ändern (Härten, Nitrieren)Fertigen durch Umlagern, Aussondern oder Einbringen von Stoffteilen.
Fügen (Kleben, Schweißen, Schrauben)Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken
2. Produktion
Produktvom Betrieb angebotene Leistung (Güter / Dienstleistung), die geeignet ist, konkrete Bedürfnisse eines Kunden nutzbringend zu befriedigen
Erzeugnisin sich geschlossener, aus Gruppen und / oder Teilen bestehender, funktionsfähiger Gegenstand als Endergebnis der Fertigung
Dienstleistungimmaterielle Leistung eines Unternehmens
2. Produktion
4
WerkstoffeRohstoffe, Hilfsstoffe, usw.
BetriebsmittelMaschinen, Werkzeuge, Gebäude, Grundstücke, usw.
ArbeitskräfteBetriebsleitung, Organisation, Planung, objektbezogene Arbeit
Elementarfaktoren = Betriebsmittel + Werkstoffe
Potentialfaktoren = Betriebsmittel + Arbeitskräfte (Gebrauchsfaktoren)Rohstoff
Ausgangsmaterial, aus dem ein Teil entsteht.Teil
nicht zerlegbare GegenständeGruppe
in sich geschlossene, aus 2 oder mehr Teilen und / oder Gruppen (niederer Ordnung) bestehende Gegenstände
MaterialSammelbegriff für Rohstoffe, Teile, Gruppen, Werkstoffe, usw., die zur Fertigung erforderlich sind
2. Produktion
Produktionsfaktoren
Menschliche Arbeit Betriebsmittel Werkstoffe
Geschäfts-und Betriebs-leitung
PlanungOrgani-sation
objekt-bezogene
Arbeit
Maschinen,Werkzeuge, Gebäude,Grundstücke u. a.
Betriebs-stoffe
Roh-, Hilfsstoffe u. a.
Dispositive Faktoren Elementarfaktoren
originärer Faktor
derivative Faktoren
Gebrauchsfaktoren Verbrauchsfaktoren
2. Produktion
5
Fertigung von Fahrrädern
Gegeben: Rahmenfertigung, Gabelfertigung, Räderfertigung, Lackiererei, Montage, Zukauf aller Anbauteile
Aufgabe: Nennen Sie:
Produktionsfaktoren
Materialien
Produktion
Fertigungsprozess
Arbeitssysteme
Fertigungstechniken
Hilfstechniken
Produkte
Dienstleistungen
2. Produktion
Produktionsaufgaben
1. Entwicklung & Konstruktionverantwortlich für sämtliche Aufgaben im Bereich der Produktentwicklung
2. Arbeits- & Fertigungsplanungalle einmalig auftretenden Planungsmaßnahmen der Produktion bzw. Fertigung
3. QualitätswesenSicherstellung der Qualitätsanforderungen an das eigene Produkt
4. Produktionsplanung & -steuerungPlanung, Steuerung und Überwachung der Produktionsabläufe und / oder eines Produktionsprogramms
5. (Computerunterstützte) Fertigung
2. Produktion
6
Beispiel Konstruktion
Planen (Außensicht è Verhalten)Festlegen des EntwicklungsauftragesKlären der Aufgabenstellung, Anforderungsliste
Konzipieren (Zerlege Problem è Struktur)Suche nach LösungsprinzipienKombination zu einem BausteinBewertung und Auswahl
Entwerfen (Objektzusammenhang è Funktion) Maßstäblicher Entwurf, Optimierung
Ausarbeiten (Details)Gestalten Einzelteile, Ausarbeiten Zeichnungen, Stückliste, Prototyp
2. Produktion
Technische Unterstützung: CAD (Computer Aided Design)
Rechnerunterstützte Entwicklung und Konstruktion von Bauteilen und Baugruppen, unter Einschluss technischer Berechnungen & Bewegungssimulation von Objekten
Aufgaben:
Erarbeitung Gestaltung und Funktion eines Produktes
Bereitstellen der notwendigen Unterlagen für Fertigung und Montage
äußere Beschreibung / Objektbeschreibung / Strukturmodell / Verhaltensmodell
Quelle: Wikimedia Commons
2. Produktion
7
Technische Unterstützung: CAE (Computer Aided Engineering)
Alle Rechnerunterstützten Ingenieursaufgaben während der Entwicklung eines Produktes
Aufgaben:
Berechnung und Auslegung eines Elementes, Bauteils oder der gesamten Maschine
Simulation und Überprüfung des zugehörigen physikalischen Vorgangs
innere Struktur / Funktionsmodell
Anwendungen:
Statische und dynamische Festigkeitsberechnungen, Strukturanalyse
Simulation kinematischer Systeme
Prozess- und Verfahrensmodelle zur Simulation des Fertigungsprozesses
Quellen: www.sgi.com/industries/cfd/ & www.fh‐bochum.de/fbm/institute/cad‐cae.html
2. Produktion
Arbeitsplanung
… Endziel der Arbeitsplanung ist die Ausarbeitung eines Arbeitsplanes, der die Umwandlung eines Werkstücks vom Rohzustand in den Endzustand vollständig beschreibt. Er beschreibt ebenfalls alle benötigten Arbeitsvorgänge, und ordnet jeweils die benötigten Produktionsfaktoren zu, gibt Vorgabezeiten und Lohngruppen an…
Fertigungsplanung
Alle einmalig zu treffenden Maßnahmen bezüglich der Gestaltung eines Fertigungssystems und dessen Fertigungsprozesse
Aufgaben der Arbeitsplanung
Arbeitsablaufplanung
Arbeitsstättenplanung
Arbeitsmittelplanung
Arbeitszeitplanung
Bedarfsplanung je Einheit
Arbeitsfristenplanung
Arbeitskostenplanung
2. Produktion
8
Beispiel Arbeitsablaufplanung: Ermittlung der Losgröße
Die Losgrößenoptimierung (Fertigungs- und/oder Transportlose) betrachtet auf der Basis eines gegebenen Güterflusses aus einem Lager den Fluss in das Lager gemeinsam mit der Bestandshöhe im Lager. Die Andlersche Losgrößenformel
Q =
Q gesuchte Bestellmenge
JB Jahresbedarf
kp konstant angenommener Stückpreis
kl Lagerhaltungskostenfaktor in Prozent des Stückpreises, bezogen auf den durchschnittlichen Lagerbestand
kb Kosten pro Bestellung
2. Produktion
basiert auf einer Vielzahl von Voraussetzungen:
Der Jahresbedarf ist deterministisch; er tritt in konstanten Raten auf.
Die Beschaffung erfolgt dann, wenn der Lagerbestand die Größe Null erreicht hat.
Die Beschaffungszeit ist Null.
Fehlmengen treten nicht auf.
Die Bestellmenge ist unbegrenzt, aber einmal als optimal bestimmt, ist sie als konstant anzusehen.
Der Lagerhaltungskostenfaktor ist konstant.
Die fixen und variablen Beschaffungskosten und der Stückpreis sind konstant.
Damit setzt die Andler-Formel den Beschaffungsfall voraus. Die Erweiterungen für die Fertigung berücksichtigen Fertigungs- und Verbrauchsgeschwindigkeiten und den Sachverhalt, dass auf einer Maschine mehrere Teile hergestellt werden müssen.
2. Produktion
9
Gegeben sind:JB = 20 000 MEkp = 12,00 GE/MEkb = 24,00 GE/Bestellung kl = 20 %
X0 =
2. Produktion
Qualität ist kein Zustand, der nur bei der Übergabe an den Kunden gültig ist, sondern über dessen gesamte Lebensdauer. Deshalb ist das Qualitätswesen von der Entwicklung bis zum Austausch mit den Kunden einzubinden.
Qualitätswesen
Aufgabe ist es, die Qualitätsanforderungen an die eigenen Produkte sicherzustellen.
Unterteilung in drei Bereiche
PlanungAuswahl, Klassifizierung und Gewichtung der Qualitätsmerkmale, Festlegung erreichbarer und zulässiger Werte im Hinblick auf zweckgebundene Erfordernisse
LenkungÜberprüfung, Aufbau und Weiterentwicklung des Qualitätssicherungssystems, Auswertung Messdaten sowie Korrekturen im Produktionsprozess
PrüfungAufstellen Prüfpläne und Durchführen der Prüfungen, Feststellen, ob Einheiten Anforderungen genügen
2. Produktion
10
Konstruktion, Arbeitsplanung und Qualitätswesen betrachten jeweils nur einen Zeitraum und die Stückzahl „1“, aber keine Termine und Mengen. Deren Festlegung unter Berücksichtigung der Zielgrößen ist Aufgabe der Produktionsplanung und Produktionssteuerung Folgende 5 Teilaufgaben werden unterschieden:
ProduktionsprogrammplanungFestlegung des Programms an Erzeugnisse nach Art, Menge, Termin unter Berücksichtigung der Kapazitäten
MengenplanungMengen- und termingerechte Materialbereitstellung für die Fertigung
Termin- und KapazitätsplanungAlle Funktionen, mit deren Hilfe eine termin- und kapazitätsgerechte Einplanung des Fertigungsprogramms durchgeführt werden kann
AuftragsveranlassungAlle Maßnahmen zur planungsgerechten Einsteuerung der Werkstattaufträge, bei Fremdbezug auch die Bestellaufträge an Zulieferer
AuftragsüberwachungÜberwachung der sich in Bearbeitung befindlichen Aufträge hinsichtlich des Fortschritts, sowie Sicherung der Aufgabendurchführung
2. Produktion
Ausgangsdaten für ein Produktionsproblem
MaschinenartBohrmaschinen Drehmaschinen
DeckungsbeitragB1 B2 B3 D1 D2 D3 D4
Max. Kapazität 360 1085 713 1941 1160 2325 2217
Erzeugnis E1 Mindest-menge
173
Fertigungs-prozess
I 7 21
II 12 20
III 15 18
Erzeugnis E2 Mindest-menge
49Fertigungs-
prozess
IV 4 5 3 66
V 2 9 65
VI 10 62
VII 3 9 47
VIII 3 10 45
2. Produktion
11
Ausgangsdaten für ein Produktionsproblem (Fortsetzung)
Erzeugnis E3 Mindest-menge
220
Fertigungs-prozess
IX 2 7 7 85
X 3 8 8 101
XI 4 8 4 8 119
Erzeugnis E4 Mindest-menge
100
Fertigungs-prozess
XII 3 3 5 77
XIII 2 5 88
Erzeugnis E5
Mindest-menge
73
Fertigungs-Prozess
XIV 3 5 93
2. Produktion
Gesucht sind die Stückzahlen x1, ..., x14 für jeden Produktionsprozess I, ..., XIV. Dazu ist die lineare Zielfunktion21 x1 + 20 x2 + 18 x3 + 66 x4 + 65 x5 + 62 x6 + 47 x7 + 45 x8 + 85 x9+ 101 x10 + 119 x11 + 77 x12 + 86 x13 + 93 x14 -> max.!
unter den RandbedingungenB1: 4 x4 + 2 x9 + 3 x12 360B2: 2 x5 + 2 x6 + 3 x10 + 2 x13 1085B3: 3 x7 + 3 x8 + 4 x11 + 3 x14 713D1: 7 x1 + 5 x4 + 7 x9 + 8 x10 + 8 x11 1941D2: 12 x2 + 9 x5 + 9 x7 + 3 x12 1160D3: 15 x3 + 10 x6 + 10 x8 + 4 x11 + 5 x14 2325D4: 3 x4 + 7 x9 + 8 x10 + 8 x11 + 5 x12 + 5 x13 2217E1: x1 + x2 + x3 173E2: x4 + x5 + x6 + x7 + x8 49E3: x9 + x10 + x11 220E4: x12 + x13 100E5: x14 73zu lösen.
2. Produktion
12
Computerunterstützte Fertigungssysteme
… bestehen aus Werkzeug- und Handhabungsmaschinen, bei denen Computer Wege-und Schaltinformationen übertragen und über Anweisungen entsprechende Bewegungs-und Schaltfunktionen auslösen…
… Die Steuerung erfolgt über das NC-Programm, einen Arbeitsplan und Anweisungsübertrager…
… Zur Steuerung werden Wegeinformationen, technologische Informationen Korrekturwerte und Informationen über Maschinenfunktionen benötigt…
CAM (Computer Aided Manufacturing)… beinhaltet die EDV-Unterstützung zur technischen Steuerung und Überwachung der Betriebsmittel im Fertigungs- und Montageprozess
2. Produktion
NC-Programme
NC-Programme beschreiben den Ablauf der Bearbeitung einer Maschine, also die exakte Ausführung eines Arbeitsvorgangs.Die geometrischen Maße der Werkzeuge werden zu Koordinaten der Werkzeugwege in Beziehung gesetzt.Ein NC-Programm ist nach Sätzen aufgebaut, die nach und nach von der Maschine abgebaut werden. Programme unterscheiden Befehle zu Wegeinformationen (G-Funktionen) und Befehle für Hilfs- und Schaltinformationen (M-Funktionen).
2. Produktion
13
NC-ProgrammeG- und M-Funktionen:
2. Produktion
Beispiel NC-Programm
Prog. Nr. … Blatt ... von … Zeichnungs-Nr. ……… Benennung: ……………….
N G X Y Z I J K F S T D M Bemerkung
1 900 80 80 2 200 500 4 3 Schaftfr . 20
2 1 -10
3 1 98
4 2 -18 0
5 1 116
6 2 -36 0
7 1 120
8 3 -40 0
9 0 2
10 0 200 70
11 1 -10
12 1 185 55
13 1 200 85
14 1 215 55
15 1 185
16 1 170 45
17 1 200 95
18 1 230 42
19 1 157
2. Produktion
14
Beispiel NC-Programm
Prog. Nr. … Blatt ... von … Zeichnungs-Nr. ……… Benennung: ……………….
N G X Y Z I J K F S T D M Bemerkung
20 1 200 98
21 1 243 42
22 1 245 40
23 1 200 100
24 1 155 40
25 1 245
26 0 5
27 0 0 0 0 100 30
2. Produktion
NC-ProgrammeBeispiel: Das Ergebnis
2. Produktion
15
NC-Betrieb (Numerical Control)
Eine NC-Maschine arbeitet ein über einen Datenträger eingegebenes NC-Programm satzweise und beliebig oft ab.
CNC-Betrieb (Computerized Numerical Control)
Eine CNC-Maschine verwendet einen Mikrocomputer, der mehrere Programme speichern kann, die beliebig abgerufen werden können. Außerdem Zusatzfunktionen wie Diagnose der Maschine, Programmerstellung und Korrektur direkt an der Maschine.
DNC-Betrieb (Direct Numerical Control)
Beim DNC-Betrieb werden mehrere NC- oder CNC-Maschinen zur Bearbeitung einer Teile zusammen gefasst. Die NC-Programme werden zentral verwaltet und über den DNC-Rechner zur Auftragsbearbeitung zugeteilt.
2. Produktion
Fertigungsplatz
Ein Fertigungsplatz besteht aus der Bearbeitungseinrichtung, einem Eingangs- und Ausgangsspeicher, sowie einer Fördereinrichtung
BearbeitungszentrumEin Bearbeitungszentrum ist eine mehrachsige NC-gesteuerte Maschine, die mehrere Fertigungsverfahren ausführen kann.
2. Produktion
16
Flexible Fertigungszelle
… ist eine gesteuerte Maschine, die durch entsprechende Zusatzeinrichtungen in die Lage versetzt wurde, eine begrenzte Zeit bedienerlos zu arbeiten.
Zusatzeinrichtungen Werkstückspeicher und
Werkstückwechseleinrichtung Werkzeugüberwachung Bearbeitungskontrolle Qualitätskontrolle
2. Produktion
Flexibles Fertigungssystem
… umfasst eine Reihe von Fertigungseinrichtungen, die über ein gemeinsames Steuerungs- und Fördersystem so miteinander verknüpft sind, das einerseits eine automatische Fertigung stattfinden kann, andererseits unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben durchgeführt werden können…
Kennzeichen:
Zusammenfassung mehrerer, unabhängiger NC-Maschinen
Komplettbearbeitung
Automatisches Fördern zwischen Stationen
2. Produktion
17
Flexibles Fertigungssystem
1. Hochregallager
2. Drehbare Spannplätze
3. Fahrerloses Fördersystem
4. Bearbeitungszentren
5. Entgratroboter
6. Waschmaschine
7. Messmaschine
8. Paletten-Speicherplätze
9. Werkzeuglager
10. Leitstand mit Leitrechner
2. Produktion
Fertigungsaufgabe:
Eine Fertigungsaufgabe besteht in der zu überwindenden Differenz zwischen dem gegebenen Anfangszustand des Rohstoffs bzw. Rohteils und der gedanklich vorweggenommenen, geometrisch definierten Gestalt des Fertigteils.
Fertigungssystem (Def. I):
Ein Fertigungssystem ist eine Menge von technischen Einrichtungen und zugleich die Menge der zwischen diesen technischen Einrichtungen bestehenden Relationen, die insgesamt eine Fertigungsaufgabe bzw. einen Bereich miteinander verwandter Fertigungsaufgaben zu bewältigen in der Lage sind.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
18
Funktion eines Fertigungssystems:
Die Funktion eines Fertigungssystems besteht darin, einen Material- und ein Informationsfluss mit Hilfe des Energieflusses derart zu transformieren, dass der Informationsfluss dem Materialfluss aufgeprägt wird.
Die Funktion des Fertigungssystems lässt sich folgendermaßen formulieren:∆ ,
∆∆∆
,∆∆
,∆∆
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
1 2 3
4
MaterialflussEnergieflussInformationsfluss
1 = Materialinput, ∆
∆
2 = Energieinput, ∆
∆
3 = Informationsinput, ∆
∆(technologische und Gestaltinformation)
4 = Material mit aufgeprägter Gestaltinformation,∆ ;
∆
Fertigungssystem
Fertigungssystem (Def. II):
Ein Fertigungssystem ist eine Menge von technischen Einrichtungen und zugleich die Menge der zwischen diesen technischen Einrichtungen bestehenden Relationen, die als Ganze eine Fertigungsaufgabe bzw. einen Bereich von Fertigungsaufgaben zu bewältigen in der Lage ist, indem Material- und Informationsflüsse mit Hilfe von Energieflüssen derart transformiert werden, dass dem Material Information aufgeprägt wird.
Fertigungssystem (Def. III):
Flexibilität ist eine Systemeigenschaft, die einem Fertigungssystem dann zukommt, wenn es eine variable Struktur aufweist; eine variable Struktur liegt vor, wenn „Einzweck“- und „Mehrzweck“-Subsysteme unterschiedlichen Funktionsbereichs beliebig gegeneinander ausgetauscht werden können, so dass sich das Fertigungssystem sowohl durch Auswahl eines Satzes von Funktionswerten aus einem in der Struktur bereits angelegten Funktionsbereich – „a posteriori“ – als auch durch Veränderung der Struktur – „a priori“ – für ein breites Spektrum von Fertigungsaufgaben programmieren lässt.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
19
Subfunktionen der Subsysteme
Wir gehen von zwei Annahmen aus:
1. Es gibt ein Subsystem, in dem Material, Energie und Information unmittelbar miteinander verknüpft werden und dessen Output das gestaltete Material ist.
2. Die Material-, Energie- und Informationsinputs des Fertigungssystems sind nicht so beschaffen, dass sie dem unter Punkt 1 genannten Subsystem unmittelbar und unverändert als Inputs zugeführt werden könnten.
Zunächst ist also das Subsystem zu charakterisieren, das die eigentliche Bearbeitung des Materials übernimmt. Dann kann sukzessive abgeleitet werden, welche weiteren Subsysteme erforderlich sind, um Material, Energie und Information nach Art, Ort, Lage, Größe, Zeit etc. so zu beeinflussen, dass sie am bearbeitenden Subsystem im erforderlichen Zustand zur Verfügung stehen. Dabei nehmen wir für jede der aufscheinenden Subfunktionen jeweils nur ein Subsystem an.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Arbeitssystem:
Das Subsystem, in dem Material-, Energie- und Informationsflüsse unmittelbar zusammenlaufen, wird als Arbeitssystem bezeichnet. Im Arbeitssystem wir dem Material unter Einsatz von Energie Information aufgeprägt. Somit lässt sich die Subfunktion des Arbeitssystems im Prinzip verbal genauso beschreiben wie die Funktion des Fertigungssystems insgesamt.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
x11 x12 x13
y11
x11 = Material vom Werkstückhandhabungssystemx12 = Bewegungsenergie vom Antriebssystemx13 = Gestaltinformation vom Bewegungssystemy11 = gestaltetes Material an Mess- und Prüfsystem
Arbeitssystem
1
20
Material muss dem Arbeitssystem zeit-, orts- und lagegerecht zugeführt werden, während diese strengen Bedingungen für den Materialinput des Fertigungssystems nicht unumgänglich gegeben sein müssen. Das Arbeitssystem verlangt für die Überwindung der Bearbeitungswiderstände in der Regel Bewegungsenergie definierter Kraft und Geschwindigkeit bzw. definierten Drehmomentes und definierter Drehzahl, während der Energieinput des Fertigungssystems im allgemeinen elektrische Energie aus einer zentralen Energieversorgung zur Verfügung stellen wird. Schließlich müssen dem Arbeitssystem die Gestaltinformationen als Positionen, Weglängen und Längenproportionen eingegeben werden, die ein unmittelbares „Abbild“ der erwünschten Gestaltkonturen am zu gestaltenden Werkstück sind.
Damit ist die Subfunktion des Arbeitssystems
keinesfalls mit der Funktion des Fertigungssystems insgesamt identisch. Vielmehr sind weitere Subfunktionen und die zugehörigen Subsysteme zu bestimmen, die im Zusammenwirken mit dem Arbeitssystem erst das Fertigungssystem als Ganzes ausmachen.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Antriebssystem:
Ein Subsystem, das einen Energiefluss entsprechend bestimmten, in der Regel technologischen Informationen so transformiert, dass am Output mechanische Energie mit definierten Kennwerten zur Verfügung steht, wird als Antriebssystem bezeichnet. Insbesondere liefert das Antriebssystem die Bewegungsenergie für das Arbeitssystem. Weitere Energie-Outputs führen zum Werkstückhandhabungs- und zum Bewegungssystem. Der Energie-Input kommt von der zentralen Energieversorgung. Die technologischen Informationen zur Steuerung des Energiefluses stammen aus einem Steuersystem. Damit lautet die Subfunktion des Antriebssystems .
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
x21 x22
x21 = Energie von zentraler Energieversorgung (Energie-Input des Fertigungssystems)
x22 = technologische Information vom Steuersystemy21 = Bewegungsenergie an Werkstückhandhabungssystemy22 = Bewegungsenergie an Arbeitssystemy23 = Bewegungsenergie an Bewegungssystem
Antriebssystem
2
y21 y22 y23
21
Bewegungssystem:
Ein Subsystem, das codierte Gestaltinformationen mit Hilfe eines Energieflusses in Positionen, Weglängen und Wegrelationen transformiert, wird als Bewegungssystem bezeichnet. Die Gestaltinformationen stammen aus dem Steuersystem, während der vom Antriebssystem kommende Energiefluss die erforderliche Bewegungsenergie liefert. Die im Bewegungssystem dargestellten Positionen, Wege und Geschwindigkeiten werden ans Arbeitssystem weitergegeben; gleichzeitig werden Informationen über die dargestellten Positionen und Wege ans Steuersystem zurückgemeldet. Die Subfunktion des Bewegungssystems lautet somit
.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
x31 x32
x31 = Bewegungsenergie aus Antriebssystemx32 = Gestaltinformation aus Steuersystemy31 = Gestaltinformation an Arbeitssystemy32 = Positionsrückmeldung an Steuersystem
Bewegungssystem
3
y31 y32
Steuerungssystem:
Ein Subsystem, das die Arbeitsinformationen, die dem Fertigungssystem eingegeben werden, so transformiert und auf die anderen Subsysteme verteilt, dass durch deren Zusammenwirken die gewünschte Gesamtfunktion des Fertigungssystems zustande kommt, wird als Steuersystem bezeichnet. Inputs des Steuersystems sind eine Hilfsenergie-Zufuhr aus der zentralen Energieversorgung, der Informationsinput des Fertigungssystems, der als Output eines vom Fertigungssystem getrennten Programmierungssystems betrachtet werden kann, sowie informationelle Rückkopplungen vom Bewegungs- und vom Mess- und Prüfsystem. Die Outputs liefern die aufbereiteten Informationen an das Werkstückhandhabungs-, das Antriebs-und das Bewegungssystem. Die Subfunktion des Steuersystems lautet:
.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
22
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
x41 x43
x41 = Hilfsenergie aus zentraler Energieversorgung (Energie-Input des Fertigungssystems)
x42 = technologische und Gestaltinformation aus Programmiersystem (Informationsinput des Fertigungssystems)
x43 = rückgekoppelte Information aus Mess- und Prüfsystemx44 = Positionsrückmeldung vom Bewegungssystemy41 = Positions- und Lageinformation an
Werkstückhandhabungssystem y42 = technologische Information an Antriebssystemy43 = Gestaltinformation an Bewegungssystem
Steuersystem
4
y41 y43
x42 x44
y42
Werkstückhandhabungssystem:
Ein Subsystem, das den Materialfluss innerhalb des Fertigungssystems unter Einsatz von Hilfsenergie entsprechend bestimmten Positions- und Lageinformationen beeinflusst, wird als Werkstückhandhabungssystem bezeichnet. Der Materialinput des Subsystems ist gleich dem Materialinput des Fertigungssystems. Material wird an das Arbeitssystem übergeben, nach der Bearbeitung über das Mess- und Prüfsystem wieder zum Werkstückhandhabungssystem zurückgegeben und von dort aus dem Fertigungssystem hinausgeleitet. Die Bewegungsenergie für die Materialbewegung kommt vom Antriebssystem, die Positions- und Lageinformationen stammen aus dem Steuersystem. Als Funktion des Werkstückhandhabungssystems erhalten wir:
.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
23
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
x51 x53
x51 = Rohmaterial aus Umgebung (Material-Input des Fertigungssystems)
x52 = Positions- und Lageinformation vom Steuersystemx53 = Bewegungsenergie vom Antriebssystemx54 = gestaltetes Material vom Meß- und Prüfsystemy51 = gestaltetes Material an Umgebung (Material- und
Informations-Output des Fertigungssystems)y52 = Rohmaterial an Arbeitssytem
Werkstückhand-habungssystem
5
y51y52
x52 x54
Das Werkstückhandhabungssystem ist ein Beispiel dafür, wie nützlich es ist, ein Subsystem im Hinblick auf seine Subfunktionen in Subsysteme vom Rang R-2 aufzulösen. Man stößt dann auf die Subfunktionen der Werkstückhandhabung, z. B. das Speichern, das Zuteilen, das Ein- und Ausgeben, das Positionieren etc.
Mess- und Prüfsystem:
Ein Subsystem, das Informationen, die einer materiellen oder energetischen Gegebenheit aufgeprägt sind, wiedergewinnt und weiterleitet, wird als Mess- und Prüfsystem bezeichnet. Mess- und Prüfsysteme sind in einem Fertigungssystem überall dort erforderlich, wo physikalische Größen überwacht bzw. geregelt werden sollen, so insbesondere auch beim Bewegungssystem und bei Einführung der sog. „adaptive control“, am Arbeitssystem. Die Funktion dieses Subsystems lautet:
.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
x61
x61 = gestaltetes Material vom Arbeitssystemy61 = gestaltetes Material an Werkstückhandhabungssystemy62 = Mess- und Prüfinformation an Steuersystem
Mess- und Prüfsystem
6
y61y62
24
Weitere Subsysteme
Funktionsüberwachungssysteme
Hilfssysteme
Wartungssysteme
Umbausysteme (Werkzeugwechsel)
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Funktionale Verknüpfung der Subsysteme
Das abgeleitete Strukturmodell stellt die Minimalstruktur eines Fertigungssystems dar. Erstens kommen in einem realen Fertigungssystem Subsysteme mehrfach vor, und zum anderen sind außer den dargestellten noch weitere Kopplungen denkbar. Dabei kommen vor allem informationelle Rückkopplungen vom Antriebs-, vom Arbeits- und vom Werkstückhandhabungssystem zum Steuersystem in Betracht.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
25
2. Produktion
4
2 3
6 15
MaterialflussEnergieflussInformationsfluss
1 2 3 4 5 6
1 0 0 0 0 0 K16
2 K21 0 K23 0 K25 0
3 K31 0 0 K34 0 0
4 0 K42 K43 0 K45 0
5 K51 0 0 0 0 0
6 0 0 0 K64 K65 0
xy
x = Inputseite der Subsystemey = Outputseite der SubsystemeKrs = Kopplungsmatrix1..6 = Numerierung der Subsysteme
gemäß Abb.
2. Produktion
MaterialflussEnergieflussInformationsflussSI(R) SII(R) SIII(R) SIV(R)
S(R)
Fertigungssystem, bestehend aus vier Kosystemen
26
Die Kosysteme werden hier zentral mit Energie und Information versorgt; der Materialoutput des einen Kosystems ist der Materialinput des folgenden. Der Betrag an Gestaltinformation, die dem Material aufgeprägt ist, wächst von Kosystem zu Kosystem, um seinen Sollwert am Output des letzten Kosystems zu erhalten. Zusätzlich wird sich eine informationelle Verknüpfung der Kosysteme als zweckmäßig erweisen, derart, dass die Funktionsläufe der einzelnen Kosystemeerfolgsabhängig miteinander koordiniert werden können. Dies ist so zu verwirklichen, dass ein informationeller Output des einen Kosystems dem Informationellen Input des folgenden zugeführt wird; es ist aber auch vorstellbar, dass Teile der Steuersysteme der einzelnen Kosysteme zu einem zentralen Steuersystem zusammengefasst werden.
2. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Prinzipielle SICOMP-Ablaufstruktur
2. Produktion
27
SICOMP-Daten zur Vereinbarung einer Station
2. Produktion
SICOMP-Daten zur Vereinbarung einer Station (Fortsetzung)
2. Produktion
28
SICOMP-Daten zur Vereinbarung eines Liegeplatzes
2. Produktion
SICOMP-Daten zur Vereinbarung eines Liegeplatzes (Fortsetzung)
2. Produktion
29
SICOMP-Daten zur Spezifikation einer Station
2. Produktion
SICOMP-Daten zur Spezifikation einer Station (Fortsetzung)
2. Produktion
30
SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs
2. Produktion
SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung)
2. Produktion
31
SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung)
2. Produktion
SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung)
2. Produktion
32
Fragen1. Was ist ein Arbeitssystem?2. Was ist ein Produktionsfaktor?3. Was sind Produktionsfaktoren?4. Was ist die Aufgabe von Entwicklung + Konstruktion?5. Was ist der Unterschied zwischen CAD und CAE?6. Sind CAX-Systeme intelligent/kreativ?7. Wie könnte ein CAP-System für
a) Blechteileb) Mit einer Fräsmaschine hergestellte Hebel
aussehen?8. Wie ist ein Arbeitsplan aufgebaut?9. Ist die Andler-Losgröße eine sinnvolle Zahl?
Überlegen Sie, welche Voraussetzungen getroffen wurden10. „Qualität ist die Beschreibung aller Attribute, die für den Käufer eines Produkts relevant
sind“. Stimmen Sie dem zu?11. Das Beispiel zur Produktionsprogrammplanung geht von gegebenen Kapazitäten aus. Hat
das Unternehmen in die richtigen Maschinen investiert?
2. Produktion
12. Welchen Weg legt der Fräser zur Herstellung eines Kreises im Beispiel NC-Programm zurück?
13. Was ist CAM? Was ist CNC-Betrieb?
14. Eine flexible Fertigungszelle kommt völlig ohne einen Menschen aus. Richtig?
2. Produktion
33
Aufgabe 2.1
a) Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktion einer Drehmaschine.
b) Was sind die wichtigsten Elemente und Eigenschaften eines Flexiblen Fertigungssystems?
c) Geben Sie für ein Flexibles Fertigungssystem anhand von Beispielen an, welche Inputfaktoren dort eingesetzt werden.
2. Produktion
Aufgabe 2.2
Fertigen Sie den unten dargestellten Aktive Pickup aus einem Block Aluminium der Abmessung [mm]: 82,5 x 17,5 x 22,0 mit Hilfe einer Fräsmaschine. Erstellen Sie ein entsprechendes NC-Programm. Sie können einen Fräser mit einem Durchmesser von 2,5 und einen mit einem Durchmesser von 12 verwenden. Verwenden Sie ein rechtshändiges Koordinatensystem und legen Sie den Ursprung in die untere linke Ecke des Ausgangsblocks. Beim Umdrehen des Blockes zur Bearbeitung des unteren Teils bleibt der Ursprung im Bezug zur Fräsmaschine unverändert. Der Fräser befindet sich in Position (x,y,z), wenn sich der Mittelpunkt der Stirnfläche in Position (x,y,z) befindet. Ignorieren Sie die Unteransicht in der Hinsicht, dass Ihr Werkstück nicht „ausgehöhlt“ werden muss. Zu Beginn befindet sich der Fräser an Position (0,0,100)
Verwenden Sie folgende Befehle:
2. Produktion
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Verwenden Sie folgende Befehle:
BefehlX Y Z Radius Werkzeug
G(eradeninter-polation)
X-Koordinate des Ziels
Y-Koordinate des Ziels
Z-Koordinate des Ziels
K(reisinterpolation im Uhrzeigersinn)
X-Koordinate des Ziels
Y-Koordinate des Ziels
Z-Koordinate des Ziels
Kreisradius
W(erkzeug-wechsel) Durchmesser des Fräsers
U(mdrehen des Werkstücks)
2. Produktion
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