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SYSE.1 11.04.2008 Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack Systemische Betrachtung Systemische Betrachtung der der Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinen und und Fertigungstechnik Fertigungstechnik 2008 2008

Systemische Betrachtung der Werkzeugmaschinen und ... · Messtechnik, Robotik und Medizin Roboter, Hand-Sensor-beziehung und Werkstückposen Ahlers Kuka Werkzeugmaschinen Werkstückposen

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SYSE.111.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Systemische BetrachtungSystemische Betrachtung

derder

WerkzeugmaschinenWerkzeugmaschinen

undund

FertigungstechnikFertigungstechnik

20082008

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SYSE.211.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Gliederung

WerkzeugmaschinenWerkzeugmaschinen

MotivationMotivation

SystemtheorieSystemtheorie

DrehDreh--, Fr, Frääss--, Schleifmaschinen und flexible Fertigungssysteme, Schleifmaschinen und flexible Fertigungssysteme

ExterneExterne-- und interne Sensorsystemeund interne Sensorsysteme

Genauigkeitsverhalten und Konzepte zur Genauigkeitssteigerung Genauigkeitsverhalten und Konzepte zur Genauigkeitssteigerung von Werkzeugmaschinenvon Werkzeugmaschinen

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SYSE.311.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

MotivationMotivation

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SYSE.411.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3355 - 5WerkzeugmaschinenWerkzeugmaschinen

dem Arbeits- bzw. Fertigungsverfahren z.B.: zerteilen, spanenoder schmieden

WerkzeugmaschinenWerkzeugmaschinen

unterteilt man üblicherweise nach

der Einsatzbreite (Spezial-, Universal- oder Sondermaschinen)

dem Anwendungsfeld (Einzel- oder Massenfertigung)

der Lage der Hauptspindel (horizontal/vertikal)

der Bauart (Schrägbett, Flachbett, Gantry usw.)

der Steuerungsart (manuell, mechanisch, numerisch)

dem Automatisierungsgrad

der Einbindung in den Fertigungsprozess (Einzelmaschine,Mehrmaschinensystem, Transferlinie, flexibles Fertigungssystem)

HANSER

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SYSE.511.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2- 1854 - 4

Urformen UmformenDIN 8582 Trennen Fügen

DIN 8593 BeschichtenStoffeigenschaft

ändern

Spanen mitgeometrischbestimmtenSchneidenDIN 8589

Spanen mitgeometrisch

bestimmtenSchneiden

un

DIN 8589

Abtragen

DIN 8590

Zerlegen

DIN 8581

Zerteilen

DIN 8588

Reinigen

DIN 8592

Fertigungsverfahren zurMetallbearbeitung

nach DIN 8580

Fertigungsverfahren des Spanens mit geometrisch bestimmten Schneiden

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SYSE.611.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Gliederung der Werkzeugmaschinen (DIN 69651)

2 - 1855 - 5TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL

Gliederung der Werkzeugmaschinen (DIN 69651)

Fertigungssysteme

Holzbearbeitung Metallbearbeitung Bearbeitung anderer Werkstoffe

Fertigungs-anlagen zur Stoffeigenschaft-änderung

Fertigungs-anlagen zum Beschichten

Fertigungs-anlagen zum Fügen

Fertigungs-anlagen zum Trennen

Fertigungs-anlagen zum Umformen

Fertigungs-anlagen zumUrformen

Mehrmaschinen-systeme

WZM für mehrere Verfahren

WZM zum Fügen

WZM zum Trennen

WZM zum Umformen

AbtragendeWZM

Spanende WZM mit geometrisch unbestimmten Schneiden

Schleifmasch.(rot) Bandschleifemasch. Hubschleifmaschinen Honmaschinen Läppmaschinen Strahlspanmaschinen Gleitspanmaschinen Polierschleifmaschinen

S p a n e n d e W Z M m i t g e o m e tri s c h b e s tim m te n S c h n e id e n

D re h m a s c h in e n B o h rm a s c h in e n F rä s m a s c h in e n H o b e lm a s c h in e n R ä u m m a s c h in e n S ä g e m a s c h in e n F e i lm a s c h in e n B ü rs tm a s c h in e n M a s c h in e n z u m M e iß e ln u n d S c h a b e n

ZerteilendeWZM

Scheren Schneidpressen

Pressen Hämmer Walzmaschinen Biegemaschinen Zeihmaschinen Maschinen zum Umformen mit Wirkmedien oder Wirkenergie

Weck

Werkzeugmaschinen nach DIN 69651

Fertigungsverfahren entsprechend DIN 8580

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SYSE.711.04.2008

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Anwendungsbereiche

TransportTransport-- und Flugsystemeund Flugsysteme

Röntgenquelle

Röntgengerätschematisch

Strahlenkegel

Bildplatte

Zentralstrahl

Messtechnik, RobotikMesstechnik, Robotikund Medizinund Medizin

Roboter, HandRoboter, Hand--SensorSensor--beziehungbeziehung undund

WerkstWerkstüückposenckposen

KukaAhlers

WerkzeugmaschinenWerkzeugmaschinenWerkstWerkstüückposenckposen

SHW

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SYSE.811.04.2008

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LastwechselLastwechsel

Alterung und VerschleiAlterung und Verschleißßsowie sowie ÄÄnderung vonnderung vonUmweltbedingungenUmweltbedingungen

ArbeitspunktArbeitspunkt--wechselwechsel

Zeitinvarianz der Systemeigenschaften

Kuka

Boeing

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SYSE.911.04.2008

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Laser-Scanner-Schweißen

LaserLaser--ScannerScanner

LaserLaser--ScannerScanner--SpiegelSpiegel--BewegungenBewegungensind aus konstruktivensind aus konstruktiven

Daten abzuleiten (kein Teachen!)Daten abzuleiten (kein Teachen!)

TRUMPFTRUMPF

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SYSE.1011.04.2008

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Maschinen-Off-Line-Programmierung

Trennung von Anlagenbetrieb und ProgrammierungTrennung von Anlagenbetrieb und Programmierung

Blume

Absolute Posefehler mAbsolute Posefehler müüssen gering gehalten werdenssen gering gehalten werden

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SYSE.1111.04.2008

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Systemlösung im Maschinenbau

ComputerComputerAided ManufacturingAided Manufacturing

ComputerComputerAided DesignAided Design

offoff--lineline--ProgrammierungProgrammierung

Sensoren, KalibrierkSensoren, Kalibrierköörper usw.rper usw.

Palettensystem Palettensystem mit Indexmit Index

OptionOption

MaschinenMaschinenx

yz

w

SensorenSensoren

SpannSpann--vorichtungen,vorichtungen,

Greifer undGreifer undWerkzeugeWerkzeuge

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SYSE.1211.04.2008

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Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme

Energiezuführung

Schaltschrank

x-Schlitten

Ständer

Bett

y-Schlitten

Palettenwechsler Arbeitsspindel und z-Achse

Werkzeugmagazin

Sind Opto-MechatronischeSysteme

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SYSE.1311.04.2008

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Lernen durchLernen durch

Nacharbeiten, Nacharbeiten, ÜÜben undben und

Wiederholen !Wiederholen !

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SYSE.1411.04.2008

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Wahrnehmung

ModellbildungPlanung

Aktion

MotorischeSteuerung

LangzeitgedLangzeitgedäächtnis undchtnis undneuronale Verknneuronale Verknüüpfungen benpfungen benöötigentigenWiederholungen durch NacharbeitenWiederholungen durch Nacharbeiten

Lernen und Erinnern

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SYSE.1511.04.2008

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Erinnerungsquoten

20 %

30 %

50 %

70 %

90 %

Hören

Sehen

Hören und Sehen

Hören, Sehen und Diskutieren

Hören, Sehen, Diskutieren und Tun

Handbuch Hochschullehre

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SYSE.1611.04.2008

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Matlab-Class-Room-Lizenz zum Üben

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SYSE.1711.04.2008

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http://www.tuhttp://www.tu--harburg.de/ft2/woharburg.de/ft2/wo

LehrunterlagenLehrunterlagen

Formelsammlung etc.Formelsammlung etc.

ÜÜbungsaufgabenbungsaufgaben

Internet

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SYSE.1811.04.2008

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SystemtheorieSystemtheorie

und und

FertigungstechnikFertigungstechnik

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SYSE.1911.04.2008

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Ein System ist ein aus Elementen / ZustEin System ist ein aus Elementen / Zustäändenndengebildetes Ganzes, gebildetes Ganzes,

wobei die Elemente / Zustwobei die Elemente / Zustäände unternde unter--einander in Beziehung stehen.einander in Beziehung stehen.

Definition eines Systems

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SYSE.2011.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Merkmale eines Systems

Ein System besteht aus Elementen / Ein System besteht aus Elementen / Zuständen. Die Elemente ie Elemente werden auch als Komponenten, Bauteile, Teile, Bausteinewerden auch als Komponenten, Bauteile, Teile, Bausteineusw. bezeichnet.usw. bezeichnet.

Diese Elemente / Diese Elemente / Zustände weisen gewisse Eigenschaften auf.weisen gewisse Eigenschaften auf.(Physikalische Werte, Attribute oder Merkmale).

Zwischen den Elementen / Zwischen den Elementen / Zuständen bestehen Relationen, diebestehen Relationen, diedie funktionelle Verkndie funktionelle Verknüüpfung der Elemente / pfung der Elemente / Zustände wieder-geben (Relationen, Funktionen,(Relationen, Funktionen, Gleichungssysteme oder DifferentialgleichungsGleichungssysteme oder Differentialgleichungs--

systemesysteme))..

Die Elemente mit ihren Eigenschaften und Relationen, solltenDie Elemente mit ihren Eigenschaften und Relationen, solltennnääherungsweise eine abgegrenztes Ganzes bilden.herungsweise eine abgegrenztes Ganzes bilden.

In Anlehnung an Rall

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SYSE.2111.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

9 - 0180 - 9

Verschiedene Systemkonzepte

TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL

G.Rahpohl

Verschiedene Systemkonzepte

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SYSE.2211.04.2008

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3 Konzepte der Fertigungssystemtechnik

2- 0335 - 4

TPM

Lager

HHG

PPS

WZM

M.u.Ü

Strukturales Konzept

Inform.EnergieMaterial:

Inform.EnergieMaterial:

RohteileWerkzeugeH - ZeugH - Stoffe

F - TeileSpäneWerkzeugeH - ZeugH - Stoffe

Funktionales Konzept

Inform.EnergieMaterial:

Inform.EnergieMaterial:

RohteileWerkzeugeH - ZeugH - Stoffe

F - TeileSpäneWerkzeugeH - ZeugH - Stoffe

TPM

Lager

HHG

PPS

WZM

M.u.Ü

Überlagerung der 3 Konzepte

TPM

Lager

HHG

PPS

WZM

M.u.Ü

Hierachisches Konzept

Su

per

syst

emU

nte

rneh

men

RallRall

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SYSE.2311.04.2008

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9 - 2304 - 8

Ein ist eine abgegrenzte Anordnung von Komponenten,die miteinander in Beziehung stehen.

System

Es ist gekennzeichnet durch

die Festlegung einer Grenze,die Komponenten (Subsysteme oder Elemente),die Ablaufstruktur,die Relationen,die Zustände der Komponenten,die Zustandsübergänge.

Systemdefinition nach VDI 3633/1

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SYSE.2411.04.2008

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8 - 0181 - 6

MATERIE

MATERIE

ENERGIE

ENERGIE

INFORMATION

INFORMATION

RAUM

RAUM

ZEIT

ZEIT

Z U S T A N DMATERIELL, ENERGETISCH, INFORMATIONELL

RÄUMLICH, ZEITLICH

TECHNISCHES SYSTEM

G.Ropohl

Blockschema eines technischen Systems

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SYSE.2511.04.2008

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2 - 3174 - 4Was ist ein ???ModellModelle sind materielle oder immaterielle Systeme, die komplexe Systeme so darstellen, dass sie beschreibbar, verstehbar und manipulierbar werden (Reduktion der Komplexität, Abstraktion).

Hauptmerkmale

- Abbildungsmerkmal - Modelle sind stets Modelle von etwas, nämlich Relationen ..., die selbst wieder Modelle sein können.

- Verkürzungsmerkmal - Modelle erfassen im allgemeinen nicht alle Attribute..., sondern nur solche, die relevant sind.

- Pragmatisches Merkmal - Modellnutzer: Für wen ist das Modell? - Zeitintervall: Für wann ist das Modell? - Zweck: Wozu dient das Modell?

RallRall

Was ist ein Modell ?

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SYSE.2611.04.2008

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2 - 3175 - 4

Beschreibungsmodell Gestaltungsmodell

Darstellung von Systemen

Realitätsnachbildung unter

Verzicht auf irrelevante

Details

Gedankliche Hilfsmittel zur

strukturierten Konzeption

von Systemen, jedoch kein

Optimierungsverfahren

Modell der Systemtheorie

RallRall

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SYSE.2711.04.2008

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Detaillierung ausgehend vomGesamtsystem

Schrittweise Synthetisierungausgehend von den System-elementen

Hoher Planungsaufwand undgroßer Modellumfang

Hohe Anforderungen an dasAbstraktionsvermögen und dieGeduld der Modellersteller

Gefahr der Ablenkung von der eigentlichen Aufgabenstellungdurch die vorgefundeneProblemvielfalt

Möglichkeit zur Verwendungvorgefertigter Strukturen

Möglichkeiten zur schnellenDetailanalyse

Einfaches Systemverständnisdurch von Beginn an systemnaheDarstellung

Mangelndes Verständnis für dasGesamtsystem und erkennen derZusammenhänge schwierig

Hoher Modellerstellungaufwandbei komplexen Originalsystemen

Zusammenfassung vonTeilstrukturen im Einzelfallschwierig

Sichere Problemerkennung durchganzheitlichen Ansatz Schnelleres Verständnis derGesamtzusammenhänge durchstrukturierte ModellerstellungUnterstützung beim Auffindenmöglicher Systemalternativen

Prinzip

Vorteile

Nachteile

Methode TOP-DOWN BOTTOM-UP 9 - 2525 - 7

RallRall

Methoden der Systemstrukturierung

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SYSE.2811.04.2008

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2 - 0746a - 4

RallRall

TOP-DOWN-Entwicklung (Software Tools)(Software Tools)

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SYSE.2911.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 0746b - 4

RallRall

TOP-DOWN-Entwicklung (Software Tools)(Software Tools)

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SYSE.3011.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

9 - 2049 - 6

nach DaenzenRallRall

Allgemeine Vorgehensweise bei Planungsaufgaben

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SYSE.3111.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

9 - 2048 - 6

Methoden

Methoden

Methoden

Daenzer

Anstoß zur Vorstudie

Realisierung

Vorstudie

Hauptstudie

Detailstudie

Entscheidung überFortführung des

Projektes

Phasenmodell

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SYSE.3211.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

9 - 2047 - 6Problem

Ergebnis

Zielsuche

Lösungs-suche

Auswahl

Entscheidung

Bewertung

Analyse

Synthese

Zielformulierung

Situationsanalyse

Problemlösungszyklus

Daenzer

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SYSE.3311.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3046 - 3

Merkmale

Klärungsprozess: Projekt technisch und wirtschaftlich sinnvoll ?

Möglichst geringer Zeit- und Ressourcenaufwand

Grobe Analyse des Ist-Zustandes

Grobe Lösungsalternativen

Vorstudie = Grob- bzw. Durchführbarkeitsstudie

Projekt fortführen ?RallRall

Vorstudie

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SYSE.3411.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3047 - 3

Merkmale

- Erweitern + Verfeinern von Lösungsalternativen

- Erarbeitung tragfähiger Kriterien zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit, Zweckmäßigkeit und Wirtschaftlichkeit des geplanten Systems

Ergebnis der Hauptstudie:- Gesamtkonzept als Rahmen für weitere

Entwicklungen und Realisierung- Entscheidung über Detailstudien

- Fortführung des Projektes ?- Rücksprung ? RallRall

Hauptstudie

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SYSE.3511.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3048 - 3

Merkmale:

zeitweilig isolierte Betrachtung zur- Erarbeitung detaillierter Lösungskonzepte- Entscheidung über optimale Variante- Konkretisierung von einzelnen Untersystemen

Zweck abgegrenzter Detailstudien:

Schaffung überschaubarer und operabler Einheiten

Wichtig: Detailkonzept immer im Zusammenhangmit dem Gesamtkonzept beurteilen !

RallRall

Detailstudie

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SYSE.3611.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3049 -3

GK1

GK2

GK3

DK 1 DK 2 ...

Zeit

Vorstudie

Systembau

Hauptstudie

Detailstudien

G.-A. Meier

Dynamik der Gesamtkonzeption

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SYSE.3711.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3051 - 3

G.-A. Meier

Vorstudie

Hauptstudie

Detailstudien

Systembau

Einführung

Analysephasen

Realisierungsphasen

Zeit

Bezeichnung der Phasen

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SYSE.3811.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3050 - 3

Reduktion der Ablauf - Komplexität

Verminderung des Projektrisikos

Förderung der Zusammenarbeitzwischen Auftraggeber und Produzent

Möglichkeit des frühzeitigen und geordneten Projektabbruchs

Periodische Standortbestimmung ist möglich

G.-A. Meier

Nutzen der Phasengliederung

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SYSE.3911.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3052 - 3

Systematische Analyse einer (intuitiv) als problematisch empfundenen Erscheinung oder Sachverhaltes

Ziel: Generierung und Strukturierung vonInformationen über den Problembereich

Merkmal: Art, Umfang und Detailierungsgrad derSituationsanalyse von der jeweiligen Phase ab

Vorstudie: allgemein, grobHauptstudie: spezifischSituationsanalyse: detailliert

Ergebnis: Randbedingungen für die LösungssucheRallRall

Situationsanalyse

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SYSE.4011.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3053 - 3

Aufbauend auf der Situationsanalyse wird dasPflichtenheft erstellt:

SOLL // MUSS // K.O.-Kriterien

Merkmale: LösungsneutralitätVollständigkeitGenauigkeit (quantitativ + qualitativ)Verständlichkeit

RallRall

Zielformulierung

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SYSE.4111.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

2 - 3054 - 3

Synthese:Modellhaftes Zusammenführen von Lösungselementen zu Lösungen

Umfassender Überblick über potenzielleLösungskonzepte

Analyse:

Überprüfung der Lösungskonzepte hinsichtlichder Einhaltung der Mussziele und der Randbedingungen

RallRall

Synthese/Analyse

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SYSE.4211.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

SystemtheorieSystemtheorie

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SYSE.4311.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Annahmen zurVereinfachung VereinfachungAufstellen der

Gleichungen

TheoretischesModell

- Struktur- Parameter

Verein fachtes theoretisches

Modell

A-priori-Kenntnisüber das System

Struktur unbe-bekannt kannt

ExperimentIdentifikation

parame-tr isch

nicht parame-trisch

parame-trisch

nicht parame-trisch

Experim. ModellVergleich

TheoretischeAnalyse

ExperimentelleAnalyse

Qualität

neinja

Ende

Methodik der Systemanalyse

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SYSE.4411.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Modellgüte und Prozeßkenntnis

M := ModellgüteK := Prozeßkenntnis

Isermann

ME := Mechanische elektrische Systeme

ET := Energietechnische Systeme

VT := VerfahrenstechnischeSysteme

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SYSE.4511.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Isermann

Modellgüte und Aufwand

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SYSE.4611.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Ursachen für absolute Positionierfehler

x

yz

w

1. Kinematische Parameter:1. Kinematische Parameter:(Nullage, Fluchtung und Länge)

2. Lage des Maschinen2. Lage des Maschinen--KS KS zum Basiszum Basis--KSKS

3. Temperatur3. Temperatur--schwankungenschwankungen

4. Gelenk4. Gelenk--elastizitelastizitäätenten

5. Element5. Element--elastizitelastizitäätenten6. Getriebefehler6. Getriebefehler

7. Lagerspiel7. Lagerspiel

8. Weggeber8. Weggeber

9. Reibung9. Reibung

10. Steuerung:10. Steuerung:(Rundungen und numerische Verfahrensfehler)

Kuka

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SYSE.4711.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

Problemstellung Werkzeugmaschine I

Wiederholgenauigkeit 1 - 10 µm

• Winkelfehler 0,1° auf 1 m Achslänge ergibt Bogenlänge von ca. 1,7 mm=> Problem: Nulllagen- und Steigungsfehler Sensoren, Winkelfehler

der Lager und Führungen und Winkelfehler Maschinen- zuWelt-KS sowie

absoluteGenauigkeit 10 - 50 µm

• Koordinatensystem vom Hersteller grob oder gar nicht angegeben

KS:= Koordinatensystem

• Verringerung der Fertigungstoleranzen der Bauteile sind technisch und wirtschaftlich Grenzen gesetzt

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SYSE.4811.04.2008

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

x

z

ohne erweiterte Regelung

SollbahnIstbahn

0,5m0,

5m

0,1 0,8 0,9

t/s

0,5m/s

x

z

erweiterter Regler

Problemstellung Werkzeugmaschine II (Bahnfehler)