Methoden zur Modellierung und Simulation von Tätigkeitsstrukturen in der Teilefertigung

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1 Methoden zur Modellierung und Simulation von Tätigkeitsstrukturen in der Teilefertigung Dr.-Ing. / MBA (Leeds Metropolitan Univ., U.K.) Dieter Hofferberth

2 Problemstellung Gliederung Zielstellung Lösungsweg Ergebnisse Schlussfolgerungen 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 2

3 Problemstellung Gruppenarbeit in Fertigungsinseln ist als soziotechnisches Arbeitssystem weitgehend anerkannt. Die Strukturierung von Gruppenarbeit ist ein anspruchsvoller Gestaltungsprozess. Ein wichtiger Aspekt bei der Gestaltung von Gruppenarbeit insbesondere in der Teilefertigung ist die Organisation und Ausprägung von Mehrmaschinenbedienung. Es existieren verschiedene analytische, statische Verfahren zur Planung von Systemen mit Mehrmaschinenbedienung. Lediglich die bedienungstheoretische Methode berücksichtigt die Verhältnisse in der Teilefertigung in angemessener Weise. Mit der Simulationstechnik steht eine experimentelle dynamische Planungsmethode zur Verfügung, mit der sich Gestaltungsalternativen vor deren Realisierung ausgiebig untersuchen und bewerten lassen Dr. Dieter Hofferberth Bremen 3

4 Problemstellung Gliederung Zielstellung Lösungsweg Ergebnisse Schlussfolgerungen 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 4

5 Zielstellung Erprobung und Bewertung der bedienungstheoretischen und der simulationsexperimentellen Methode zur Gestaltung und Bewertung von Arbeitssystemen mit Mehrstellenarbeit in der Teilefertigung Ein Praxisbeispiel wurde sowohl mit dem bedienungstheoretischen Ansatz als auch mit einem speziellen Simulationssystem untersucht. Die beiden eingesetzten Methoden wurden anhand ihrer Anwendung auf ein Praxisbeispiel evaluiert. Die spezifischen Vor- und Nachteile der Methoden sowie die Art der erzielten Ergebnisse hinsichtlich Qualität und Quantität wurden herausgearbeitet. Daraus wurde abgeleitet, wie die Methoden in der Praxis sinnvoll einzusetzen sind Dr. Dieter Hofferberth Bremen 5

6 Problemstellung Gliederung Zielstellung Lösungsweg Ergebnisse Schlussfolgerungen 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 6

7 Lösungsweg Theoretische Grundlagen Arbeitswissenschaft Arbeits- und Organisationspsychologie Gestaltung von soziotechnischen Arbeitssystemen Bedienungstheoretischer Ansatz zur Gestaltung von Mehrstellenarbeit Experimentelle Behandlung des Problems anhand der Simulation Operative Planung der Mehrstellenarbeit in der Teilefertigung Praxisbeispiel Fertigungsinsel Analytische Planung der Mehrstellenarbeit Systematische Simulationsexperimente zur Gestaltung der Mehrstellenarbeit 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 7

8 Theoretische Grundlagen Bedienungstheoretischer Ansatz zur Gestaltung von Mehrstellenarbeit Verkehrsintensität Zustandswahrscheinlichkeit Wartezeitanteile der Maschinenbediener Stillstandzeitanteile der Maschinen ψ q ti tbh i i= i= = = q q i= t t gb i q ( t + t i= m! p = K K p0 K!(m K)! ψ m! K = ψ K n n n!(m K)! ( t tbn i h i für p K p 0 w = s = n m n K = 0 m ( n K ) pk ( K n) K = n+ p K + t + t n i Wegi ) n K n für n < ) n Los i K Los i m + t r i Verlustkosten Kostenverhältnis K K K M 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 8 V P n m w K P + s K M i= i= = m( s) Min. s m s m+ s m s m+ = w m+ w m n m (m ) s m ( s m ) m + + +

9 Theoretische Grundlagen Experimentelle Behandlung des Problems anhand der Simulation Simulation ist das Nachbilden eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind. (VDI-Richtlinie 3633) 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 9

10 Theoretische Grundlagen Simulationsmodell zur Mehrmaschinenbedienung 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 0

11 Praxisbeispiel Fertigungsinsel. CNC-Bearbeitungszentrum 2. CNC-Bohrzentrum 5. CNC-Drehen 2 3. CNC-Bohrzentrum 2 4. CNC-Drehen 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen

12 Ermittlung der optimalen Stellenzahl sowie der Warte- und Stillstandzeitanteile für eine kollektive (n=3) Mehrstellenarbeit (vgl. Enderlein / Sager, 998). M opt =f(ψ,k P /K M,n) W K P K M Ψ S 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 2 Ψ Beispiel: n=3; Ψ = 0,7; K p /K M = 0,3 Ergebnis: M opt = 5 W = 33% S = 3%

13 Operative Planung der Mehrstellenarbeit Systematische Simulationsexperimente zur Gestaltung der Mehrstellenarbeit Anhand eines Experimentplanes wurden systematisch Simulationsläufe durchgeführt. Die Maschinen- und Technologiedaten wurden als unveränderbar angenommen. Die Qualifikation der Bediener, die Losgrößen, die Bedienstrategien u.a. wurden in verschiedenen Ausprägungen variiert. Hinsichtlich der Anzahl der erforderlichen Bediener wurde auf Basis der Ergebnisse der bedienungstheoretischen Berechnung mit Werten zwischen 2 und 4 bei unterschiedlichen Qualifikationsstrukturen experimentiert Dr. Dieter Hofferberth Bremen 3

14 Problemstellung Gliederung Zielstellung Lösungsweg Ergebnisse Schlussfolgerungen 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 4

15 Ergebnisse der analytischen Methode zur Planung der Mehrstellenarbeit Stellenzahl ,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Warte- und Stillstandzeitanteile 0 0,76 / 4 0,57 / 8 0,47 / 2 0,37 / 33 0,33 / 60 0,32 / 80 0,29 / 30 Verkehrsintensität / durchschnittliche Losgröße 0 mopt (n=) mopt (n=2) mopt (n=3) W (n=) W (n=2) W (n=3) S (n=) S (n=2) S (n=3) Funktionale Zusammenhänge von optimaler Stellenzahl m, Anzahl Bediener n, Wartezeitanteil der Bediener W, Stillstandzeitanteil der Maschinen S und Verkehrsintensität / Losgröße Dr. Dieter Hofferberth Bremen 5

16 Ergebnisse der Simulationsexperimente zur Gestaltung der Mehrstellenarbeit Grundaussagen Bei niedrigen Losgrößen sind 3 Bediener sinnvoll um eine angemessene Teilemenge zu fertigen, wobei mindestens 2 hoch qualifiziert sein müssen. Bei hohen Losgrößen ergibt sich mit 2 hoch qualifizierten die gleiche Leistung wie mit hoch und 2 niedrig qualifizierten Bedienern. Die Variation der Bedienstrategien hat auf die Anzahl der gefertigten Teile geringen Einfluss. Die Frage, ob eine Tätigkeit bei Vorliegen einer neuen Bedienanforderung zu unterbrechen ist, ist daher vor allem nach handlungsregulatorischen Kriterien zu bewerten Dr. Dieter Hofferberth Bremen 6

17 Simulationsergebnisse: Funktionale Zusammenhänge von Ausbringungsmenge, Losgröße und Qualifikation bei individueller und kollektiver Mehrstellenarbeit Menge [Stck./h] ,76 / 4 0,57 / 8 0,47 / 2 0,37 / 33 0,33 / 60 0,32 / 80 0,29 / 30 Verkehrsintensität / durchschnittliche Losgröße KM, HQ IM, HQ KM, NQ IM, NQ 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 7

18 Simulationsergebnisse: Funktionale Zusammenhänge von Ausbringungsmenge, Stückkosten, Losgröße sowie Anzahl der Bediener und deren Qualifikation 9, ,00 7, Menge [Stck./Std.] 6,00 5,00 4,00 3, Kosten [EUR/Stck.] 2,00, ,00 0 2,60 / 0,76 / 4 0,57 / 8 0,47 / 2 0,37 / 33 0,33 / 60 0,32 / 80 0,29 / 30 Verkehrsintensität / durchschnittliche Losgröße HQ, 2 NQ 3 HQ 2 HQ, NQ 4 HQ 2 HQ, MQ, NQ 2 HQ HQ, NQ HQ, 2 NQ 3 HQ 2 HQ, NQ 4 HQ 2 HQ, MQ, NQ 2 HQ HQ, NQ 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 8

19 Problemstellung Gliederung Zielstellung Lösungsweg Ergebnisse Schlussfolgerungen 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 9

20 Evaluierung der Methoden Funktionale Abhängigkeit der Größen "Wartezeit der Bediener" und Verkehrsintensität / Losgröße Anteil "Wartezeit der Bediener" [%] ,76 / 4 0,57 / 8 0,47 / 2 0,37 / 33 0,33 / 60 0,32 / 80 0,29 / 30 Verkehrsintensität / durchschnittliche Losgröße 3 HQ 2 HQ HQ, NQ 2 HQ, NQ HQ, 2 NQ n=3 n= Dr. Dieter Hofferberth Bremen 20

21 Evaluierung der Methoden Zusammenfassung und Empfehlungen für den Praxiseinsatz Über beide Methoden wurden grundsätzlich gleichartige Ergebnisse bezüglich des Praxisbeispiels ermittelt: Bei hohen Losgrößen sind zwei und bei niedrigen Losgrößen drei Arbeitskräfte zur Bedienung der fünf Maschinen erforderlich. Die Bedienungstheorie erlaubt die grobe Dimensionierung von Mehrstellenarbeit mit relativ wenig Aufwand, bietet allerdings mit der optimalen Stellenzahl und dem Wartezeit- bzw. Stillstandzeitanteil der Bediener bzw. Maschinen nur eine geringe Ergebnisvielfalt. Mit der Simulationstechnik lässt sich ein hoher Detaillierungsgrad realisieren und entsprechend differenzierte Ergebnisse berechnen. Dafür ist ein wesentlich höherer Aufwand als bei der Bedienungstheorie erforderlich. Es wird empfohlen, die Methoden nicht alternativ sondern in Kombination anzuwenden: Die Bedienungstheorie bietet sich aufgrund der Einfachheit ihrer Anwendung zur Grobplanung von Mehrstellenarbeit an. Die ermittelten Größen dienen als Eingangsgrößen für die Simulation und schränken das Experimentierfeld ein, was unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll ist. Für dieses eingeschränkte Experimentierfeld kann mit gezielten Simulationsexperimenten die Feinplanung der Mehrstellenarbeit effektiv und effizient durchgeführt werden Dr. Dieter Hofferberth Bremen 2

22 Vielen Dank für Ihr Interesse +49 (0) (0) Dr. Dieter Hofferberth 2004 Dr. Dieter Hofferberth Bremen 22

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