Vorlesung Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik W1332

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1 Vorlesung Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik W1332 Fakultät für Wirtschaftswissenschaften W. Dangelmaier Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik - Inhalt 1. Einführung: Worum geht es hier? 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 1

2 Produktion Umwandlungsprozess (Transformation), durch den Güter oder Dienstleistungen (Output) aus Einsatzgütern (Input) entstehen. Fertigung umfasst alle technischen Maßnahmen zur Herstellung von Erzeugnissen. Sie ist ein diskontinuierlicher Prozess. Man unterteilt Teilefertigung und Montage. Fertigungssystem / Produktionssystem technisch 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. 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

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 Produkt vom Betrieb angebotene Leistung (Güter / Dienstleistung), die geeignet ist, konkrete Bedürfnisse eines Kunden nutzbringend zu befriedigen Erzeugnis in sich geschlossener, aus Gruppen und / oder Teilen bestehender, funktionsfähiger Gegenstand als Endergebnis der Fertigung Dienstleistung immaterielle Leistung eines Unternehmens 3

4 Werkstoffe Rohstoffe, Hilfsstoffe, usw. Betriebsmittel Maschinen, Werkzeuge, Gebäude, Grundstücke, usw. Arbeitskräfte Betriebsleitung, Organisation, Planung, objektbezogene Arbeit Elementarfaktoren = Betriebsmittel + Werkstoffe Potentialfaktoren = Betriebsmittel + Arbeitskräfte (Gebrauchsfaktoren) Rohstoff Ausgangsmaterial, aus dem ein Teil entsteht. Teil nicht zerlegbare Gegenstände Gruppe in sich geschlossene, aus 2 oder mehr Teilen und / oder Gruppen (niederer Ordnung) bestehende Gegenstände Material Sammelbegriff für Rohstoffe, Teile, Gruppen, Werkstoffe, usw., die zur Fertigung erforderlich sind Menschliche Arbeit Betriebsmittel Werkstoffe Planung Geschäftsund Betriebsleitung Organisation objektbezogene Arbeit Maschinen, Werkzeuge, Gebäude, Grundstücke u. a. Betriebsstoffe Roh-, Hilfsstoffe u. a. Dispositive Faktoren Elementarfaktoren originärer Faktor derivative Faktoren Gebrauchsfaktoren Verbrauchsfaktoren Produktionsfaktoren 4

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 Produktionsaufgaben 1. Entwicklung & Konstruktion verantwortlich für sämtliche Aufgaben im Bereich der Produktentwicklung 2. Arbeits- & Fertigungsplanung alle einmalig auftretenden Planungsmaßnahmen der Produktion bzw. Fertigung 3. Qualitätswesen Sicherstellung der Qualitätsanforderungen an das eigene Produkt 4. Produktionsplanung & -steuerung Planung, Steuerung und Überwachung der Produktionsabläufe und / oder eines Produktionsprogramms 5. (Computerunterstützte) Fertigung 5

6 Beispiel Konstruktion Planen (Außensicht è Verhalten) Festlegen des Entwicklungsauftrages Klären der Aufgabenstellung, Anforderungsliste Konzipieren (Zerlege Problem è Struktur) Suche nach Lösungsprinzipien Kombination zu einem Baustein Bewertung und Auswahl Entwerfen (Objektzusammenhang è Funktion) Maßstäblicher Entwurf, Optimierung Ausarbeiten (Details) Gestalten Einzelteile, Ausarbeiten Zeichnungen, Stückliste, Prototyp 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 6

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: & bochum.de/fbm/institute/cad cae.html 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 7

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 JB k p k l k b gesuchte Bestellmenge Jahresbedarf konstant angenommener Stückpreis Lagerhaltungskostenfaktor in Prozent des Stückpreises, bezogen auf den durchschnittlichen Lagerbestand Kosten pro Bestellung 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. 8

9 Gegeben sind: JB = ME k p = 12,00 GE/ME k b = 24,00 GE/Bestellung k l = 20 % X 0 = 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 Planung Auswahl, Klassifizierung und Gewichtung der Qualitätsmerkmale, Festlegung erreichbarer und zulässiger Werte im Hinblick auf zweckgebundene Erfordernisse Lenkung Überprüfung, Aufbau und Weiterentwicklung des Qualitätssicherungssystems, Auswertung Messdaten sowie Korrekturen im Produktionsprozess Prüfung Aufstellen Prüfpläne und Durchführen der Prüfungen, Feststellen, ob Einheiten Anforderungen genügen 9

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: Produktionsprogrammplanung Festlegung des Programms an Erzeugnisse nach Art, Menge, Termin unter Berücksichtigung der Kapazitäten Mengenplanung Mengen- und termingerechte Materialbereitstellung für die Fertigung Termin- und Kapazitätsplanung Alle Funktionen, mit deren Hilfe eine termin- und kapazitätsgerechte Einplanung des Fertigungsprogramms durchgeführt werden kann Auftragsveranlassung Alle Maßnahmen zur planungsgerechten Einsteuerung der Werkstattaufträge, bei Fremdbezug auch die Bestellaufträge an Zulieferer Auftragsüberwachung Überwachung der sich in Bearbeitung befindlichen Aufträge hinsichtlich des Fortschritts, sowie Sicherung der Aufgabendurchführung Ausgangsdaten für ein Produktionsproblem Erzeugnis E1 Mindestmenge 173 Erzeugnis E2 Mindestmenge 49 Bohrmaschinen Drehmaschinen Maschinenart B1 B2 B3 D1 D2 D3 D4 Max. Kapazität Fertigungsprozess Fertigungsprozess Deckungsb eitrag I 7 21 II III IV V VI VII VIII

11 Ausgangsdaten für ein Produktionsproblem (Fortsetzung) Erzeugnis E3 Mindestmenge 220 Erzeugnis E4 Mindestmenge 100 Erzeugnis E5 Mindestmenge 73 Fertigungsprozess Fertigungsprozess Fertigungs- Prozess IX X XI XII XIII XIV Gesucht sind die Stückzahlen x1,..., x14 für jeden Produktionsprozess I,..., XIV. Dazu ist die lineare Zielfunktion 21 x x x x x x x x x x x x x x 14 -> max.! unter den Randbedingungen B1: 4 x x x B2: 2 x x x x B3: 3 x x x x D1: 7 x x x x x D2: 12 x x x x D3: 15 x x x x x D4: 3 x x x x x x E1: x 1 + x 2 + x E2: x 4 + x 5 + x 6 + x 7 + x 8 49 E3: x 9 + x 10 + x E4: x 12 + x E5: x zu lösen. 11

12 Computerunterstützte Fertigungssysteme bestehen aus Werkzeug- und Handhabungsmaschinen, bei denen Computer Wegeund Schaltinformationen übertragen und über Anweisungen entsprechende Bewegungsund 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 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). 12

13 NC-Programme G- und M-Funktionen: Beispiel NC-Programm Prog. Nr. Blatt... von Zeichnungs-Nr. Benennung:. N G X Y Z I J K F S T D M Bemerkung Schaftfr

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 NC-Programme Beispiel: Das Ergebnis 14

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. Bearbeitungszentrum Ein Bearbeitungszentrum ist eine mehrachsige NC-gesteuerte Maschine, die mehrere Fertigungsverfahren ausführen kann. Fertigungsplatz Ein Fertigungsplatz besteht aus der Bearbeitungseinrichtung, einem Eingangs- und Ausgangsspeicher, sowie einer Fördereinrichtung 15

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 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 16

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 Flexibles Fertigungssystem 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. 17

18 Flexibles Fertigungssystem 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 Materialfluss Energiefluss Informationsfluss 1 = Materialinput, Fertigungssystem 2 = Energieinput, 3 = Informationsinput, 4 (technologische und Gestaltinformation) 4 = Material mit aufgeprägter Gestaltinformation, ; Die Funktion des Fertigungssystems lässt sich folgendermaßen formulieren:,,, Flexibles 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. 18

19 Flexibles Fertigungssystem 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. 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. x 11 x 12 x 13 Arbeitssystem 1 x 11 = Material vom Werkstückhandhabungssystem x 12 = Bewegungsenergie vom Antriebssystem x 13 = Gestaltinformation vom Bewegungssystem y 11 = gestaltetes Material an Mess- und Prüfsystem y 11 19

20 Flexibles Fertigungssystem 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. 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. Antriebssystem 2 y 21 y 22 y 23 x 21 x 22 x 21 = Energie von zentraler Energieversorgung (Energie- Input des Fertigungssystems) x 22 = technologische Information vom Steuersystem y 21 = Bewegungsenergie an Werkstückhandhabungssystem y 22 = Bewegungsenergie an Arbeitssystem y 23 = Bewegungsenergie an Bewegungssystem 20

21 Flexibles Fertigungssystem 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. Bewegungssystem 3 x 31 x 32 x 31 = Bewegungsenergie aus Antriebssystem x 32 = Gestaltinformation aus Steuersystem y 31 = Gestaltinformation an Arbeitssystem y 32 = Positionsrückmeldung an Steuersystem y 31 y 32 Flexibles Fertigungssystem 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 Antriebsund das Bewegungssystem. Die Subfunktion des Steuersystems lautet:. 21

22 Flexibles Fertigungssystem x 42 x 44 (Energie-Input des Fertigungssystems) x x x 41 = Hilfsenergie aus zentraler Energieversorgung x 42 = technologische und Gestaltinformation aus Programmiersystem (Informationsinput des Steuersystem Fertigungssystems) 4 x 43 = rückgekoppelte Information aus Mess- und Prüfsystem x 44 = Positionsrückmeldung vom Bewegungssystem y 41 y y 41 = Positions- und Lageinformation an 42 y 43 Werkstückhandhabungssystem y 42 = technologische Information an Antriebssystem y 43 = Gestaltinformation an Bewegungssystem Flexibles Fertigungssystem 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:. 22

23 Flexibles Fertigungssystem x 52 x 54 Fertigungssystems) x x x 51 = Rohmaterial aus Umgebung (Material-Input des x 52 = Positions- und Lageinformation vom Steuersystem x 53 = Bewegungsenergie vom Antriebssystem Werkstückhandhabungssystem y 51 = gestaltetes Material an Umgebung (Material- und x 54 = gestaltetes Material vom Meß- und Prüfsystem 5 Informations-Output des Fertigungssystems) y 51 y 52 y 52 = Rohmaterial an Arbeitssytem 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. Flexibles Fertigungssystem 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:. x 61 Mess- und Prüfsystem 6 x 61 = gestaltetes Material vom Arbeitssystem y 61 = gestaltetes Material an Werkstückhandhabungssystem y 62 = Mess- und Prüfinformation an Steuersystem y 61 y 62 23

24 Flexibles Fertigungssystem Weitere Subsysteme Funktionsüberwachungssysteme Hilfssysteme Wartungssysteme Umbausysteme (Werkzeugwechsel) 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. 24

25 Materialfluss Energiefluss Informationsfluss y x K 16 2 K 21 0 K 23 0 K K K K 42 K 43 0 K K K 64 K 65 0 x = Inputseite der Subsysteme y = Outputseite der Subsysteme K rs = Kopplungsmatrix 1..6 = Numerierung der Subsysteme gemäß Abb. Fertigungssystem, bestehend aus vier Kosystemen S I(R) S II(R) S III(R) S IV(R) Materialfluss Energiefluss Informationsfluss S (R) 25

26 Flexibles Fertigungssystem 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 Kosysteme erfolgsabhängig 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. Prinzipielle SICOMP-Ablaufstruktur 26

27 SICOMP-Daten zur Vereinbarung einer Station SICOMP-Daten zur Vereinbarung einer Station (Fortsetzung) 27

28 SICOMP-Daten zur Vereinbarung eines Liegeplatzes SICOMP-Daten zur Vereinbarung eines Liegeplatzes (Fortsetzung) 28

29 SICOMP-Daten zur Spezifikation einer Station SICOMP-Daten zur Spezifikation einer Station (Fortsetzung) 29

30 SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung) 30

31 SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung) SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung) 31

32 Fragen 1. 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) Blechteile b) 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 wurden 10. 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? 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? 32

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. 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: 33

34 Verwenden Sie folgende Befehle: Befehl X Y Z Radius Werkzeug G(eradeninterpolation) 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) 34