Berichte aus dem Institut for Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universitat Stuttgart

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1 ISW 21 Berichte au de Intitut for Steuerungtechnik der Werkzeugachinen und Fertigungeinrichtungen der Univeritat Stuttgart Heraugegeben von Prof. Dr.-Ing. G. Stute R. WILHELM Planung und Aulegung de Materialflue flexibler Fertigungytee Springer-Verlag Berlin. Heidelberg. New York 1979

2 093 Mit 83 Abbildungen ISBN-13: e-isbn-13: : / Da Werk it urheberrechtlich gechutzt. Die dadurch begrundeten Rechte. inbeondere die der Oberetzung. de Nachdruck. der Entnahe von Abbildungen, der Funkendung, der Wiedergabe auf photoechaniche oder ahnliche Wege und der Speicherung in Datenverarbeitunganlagen bleiben, auch bei nur auzugweier Verwertung, vorbehalten. Bei Vervielfaltigungen fur gewerbliche Zwecke it gea~ 54 UrhG eine Vergutung an den Verlag zu zahlen, deren H6he it de Verlag zu vereinbaren it. by Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg /

3 Vorwort de Heraugeber Da Intitut fur Steuerungtechnik der Werkzeugachinen und Fertigungeinrichtungen der Univeritiit Stuttgart befa~t ich it den neuen Entwicklungen der Werkzeugachine und anderen Fertigungeinrichtungen, die inbeondere durch den erhohten Anteil der Steuerungtechnik an den Geatanlagen gekennzeichnet ind. Dabei tehen die nuerich geteuerte Werkzeugachine in Prograierung, Steuerung, Kontruktion und Arbeiteinatz owie die verehrte Verwendung de Digitalrechner in Kontruktion und Fertigung i Vordergrund de Interee. I Rahen d ieer Buchreihe ollen in zwangloer Foige drei bi funf Berichte pro Jahr ercheinen, in welchen uber einzelne Forchungarbeiten berichtet wird. Vorzugweie koen hierbei Forchungergebnie, Diertationen, Vorleunganukripte und Seinarauarbeitungen zur Veroffentlichung. Diee Berichte ollen de in der Praxi tehenden Ingenieur zur Weiterbildung dienen und helfen, Aufgaben auf diee Gebiet der Steuerungtechnik zu loen. Der Studierende kann it dieen Berichten ein Wien vertiefen. Unter de Geichtpunkt einer chnellen und kotenguntigen Drucklegung wird auf beondere Autattung verzichtet un(! die Buchreihe i Fotodruck hergetellt. Der Heraugeber dankt de Springer-Verlag fur Hinweie zur iiu~eren Getaltung und Obernahe de Buchvertrieb. Stuttgart, i Februar 1972 Gottfried Stute

4 - 5 - Inhaltverzeichni Seite Vorwort 3 Schrifttu 8 Abkurzungen, Forelzeichen und Einheiten 15 Einleitung 21 2 Grundlagen der Aulegung flexibler Fertigungytee EinfluBbereiche Planungziele Anforderungen de Werktuckpektru Geplante und realiierte flexible Fertigung- 29 ytee 2.5 Aufbau und Wirkungweie eine flexiblen Ferti- 31 gungyte Funktionen und Einrichtungen Sytetruktur und Organiation 33 3 Unteruchung geeigneter MaterialfluBeinrichtungen 36 und Entwurf typicher WerktuckfluBvarianten 3.1 Getaltung der Fertigungtationen Art der Fertigungtationen Anpaung der Fertigungtationen an den 37 WerktuckfluB 3.2 Eignung verchiedener Tranportittel Typiche WerktuckfluBvarianten 40 4 Unteruchungethoden fur da Zeitverhalten 45 flexibler Fertigungytee 4.1 Grundlagen unteruchungethoden Unteruchungen a Modell Phyikaliche und atheatiche 46 Modelle Die Syteiulation Ein-/Augabeparaeter Meungen a augeftihrten Syte 54

5 - 6-5 Erittlung de Zeitverhalten durch analytiche Methoden 5.1 Berechnung aufgrund ittlerer Tranportwege Berechnung der ittleren Tranportwege Fahrt zwichen beliebigen " RegalHichern Fahrt zwichen beliebige und Seite vorgegebene Regalfach Fahrt zwichen beliebige Regal- 63 fach und vorgegebene Ort auberhalb de Regal Berechnung der ittleren Tranportzeit Fehleroglichkeiten der Gleichungen Berechnung aufgrund der Einzeltranportzeiten Erittlung de Zeitverhalten durch Siulation Aulatung- und Grenzlinien Betrachtung der Palettenfrequenz Grundlagen Charakteritiche Aulatung- 74 linien Station- und Tranportittelaulatung Prioritatteuerung Mittlere Station- und Tranport- 83 ittelaulatung Stochatiche WerktUckzeiten Optiierun"g de Tranporti ttel Gechwindigkeit- und Bechleunigungverhaltni Tranportgechwindigkeit Verbeerung der Tranportittelaulatung Tranportittel it zuatzlichen Funktionen und Aufgaben Anderung de Zeitverhalten Abgrenzung der Tranportaufgaben 97 62

6 - 7 - Seite Fertigung ehrerer WerktUckloe Stationaulatung bei ehrtufiger Fertigung Palettenfrequenz Sytee it getrennte Regal- und 105 Stationbereich Zwichenpeicherung i Zentral- 106 peicher Zwichenpeicherung an der 107 Vbergabetelle 6.5 Der WerktUckpannplatz WerktUckautoB und RegalgroBe Schichtbetrieb Mindetpalettenanzahl Nutzung der Paletten Folgerungen Vergleich der angewendeten Unteruchungethoden NachprUfung von Siulationergebnien 128 durch Meungen 7.2 Vergleich analyticher Methoden it der 131 Syteiulation 8 Norierte Sytekennlinien Sytevergleich Vergleich und Bewertung de Zeitverhalten Kotenvergleich Grundlagen der Kotenvergleichrechnung Syteauwahl Konequenzen fur die Syteaulegung Zuaenfaung 157

7 - 8 - Schrifttu [1] Kuhnert,H. u.a. [2] Stute,G. u.a. [3] Wi1hellJl,R. [4] Junghann,W. (5] Horann,D. [6] Olbrich,W., Wiendahl,H.P. (7] Goebel,H. [8] Goebel,H. u.a. Projektierung flexibler Fe~tigungytee. Ind.-Anz.93(1971)Nr.60,S Flexible Fertigungytee. wt-z.ind.fert.64(1974)3,s Analye flexibler Fertigungytee. wt-z.ind.fertig.66(1976)9,s Planung neuer Fertigungytee fur die Einzel- und Serienfertigung. Di. TH Aachen,1971. Betriebrechnergeteuerte Fertigungytee. Di. TH Aachen,1973. Methoden von Invetitionen fur die Einzel- und Kleinerienfertigung. wt-z.ind.fert.62(1972)11,s Planunggrundatze fur die Lieferung von Geatfertigunganlagen. wt-z.ind.fert.64(1974)3,s Organiatoriche MaBnahen fur den Einatz flexibler Fertigungytee. Ind.-Anz.96(1974)Nr.70,S (9] Koenigberger,F. Planung der Fertigung und Montage. Ind.-Anz.96(1974)Nr.70,S (10] MaBberg,W. Der EinfluB der Vielgetaltigkeit eine WerktUcke auf den Einatz nuerich geteuerter Werkzeugachinen und achineller Prograierverfahren. Di. TH Aachen, 1965.

8 - 9 - [ 11 ] Stute,G., Storr,A., Binder,D., Wilhel,R. [ 12 ] Bauer,E. [13] Spur,G., Feldann,K., Mathe,H. [14] Feldann,K. [15] Guner,O. [16] Scharf,P., Schulz,E. [17] Broheer,C. [18] Broheer,C. [19] Kaer,K. Flexible Fertigungyte -Aufbau einer Modellanlage. Annal of the CIRP, Vol.24/1/1975, S Rechnerdirektteuerung von Fertigungeinrichtungen. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Entwicklungtand integrierter Fertigungytee. ZwF 68(1973)H.5,S Beitrag zu Entwicklungtand nuerich geteuerter Drehachinen. ZwF 70(1975)H.2,S Flexible NC-Fertigungytee al Mittel zur Rationaliierung. Werkt. u. Betr. 107(1974)H.8, Integrierte, flexible Fertigungytee. Erter Teil: Stand und Entwicklung indutrieller Konzeptionen. wt-z.ind.fertig.63(1973)3,s Zweiter Teil: Stand und Entwicklung indutrieller Konzeptionen. wt-z.ind.fertig.63(1973)4, The NC plant goe to work.. Aer.Mach.111(Oct.23,1967),S Variable iion achining. Aer.Mach.112(Sept.9,1968),S Ein Fertigungyte der Zukunft -Mol in Syte 24. ZwF 65(1970)H.8,S

9 [20] Pfeifer,T. [21] Inaba,S. [22] Kochnik,G. [23] K1au,P. [24] Ma11e,K. [25] Wa1k,G. [26] Monkeo11er,H. [27 ] Internationa1e Werkzeugachinenaute11ung in Tokio. Ind.-Anz.95(1973)Nr.14,S DNC-Syte it Roboter. Werkt.u.Betr.107(1974)H.12,S Pria 2 - ein integrierte NC-Fertigungyte. ZwF 69(1974)H.9,S Autoaticher WerktUckf1un fur Machinenytee ROTA-F-125-NC. Fertigungtechn. u. Betr. 21 (1971 )Nr. 9, S Werkzeugachinen der DDR auf der Leipziger FrUhjahree wt-z.ind.fertig.62(1972)7,s F1exib1e Fertigungyte fur Rotationtei1e. Werkt.u.Betr.105(1972)H.1,S Werkzeugachinen fur ein autoatiche Fertigungyte. Werkt.u.Betr.105(1972)H.3,S Offen1egungchriften de Deutchen Patentate: Fira Schrift- Datu nuer Sundtrand Corp Kearney u.trecker Cincinnati Mi11ing Machine Co. Cincinnati Mi11ing Machine Co. Cargi

10 [28] Storr,A., Wilhel,R. [29] VDI 3240 [ 30] VDI 3300 [31] Ropohl,G. [32] Spur,G. Feldar,K. [33] VDI 2366, Blatt 1 Beitrag zur Syteatik von Werkzeugwechelyteen an autoatiierten Werkzeugachinen. wt.-z.ind.fertig.64(1974 )10,S Verkettung von Fertigungeinrichtungen. Begriffe, Kerzeichen, Anforderungen. Augabe Dezeber MaterialfluBunteruchungen. Augabe Noveber Flexible Fertigungytee. Mainz: Kraukopf Verlag Optiale Arbeitraugetaltung a Beipiel autoaticher Drehachinen. wt-z.ind.fertig.62(1972)6, Gliederung der Forderittel. Augabe Februar [34] Spur,G., Tendenzen der Materialflu3autoati- Rittinghauen,H., ierung in der Klein- und Mittelerien- Weier,W. fertigung. wt-z.ind.fertig.67(1977)1,s [35] Zangeeiter,C. Nutzwertanalye in der Sytetechnik. Mlinchenl Wittearche Buchhandlung [36] Koreiar,D.S. [37] Wilhel,R. Syteanalye. Berlin, New York: Walter de Gruyter Planung und Aufbau der Modellanlage eine flexiblen Fertigungyte. Een: Girardet-Verlag:HGF-Kurzberichte (Loe-Blattalung),Blatt 76/29.

11 [ 38 ] [ 39] Gordon, G. [40] Stute,G., Bauer,E., Wilhel,R. [41] Stute,G., Bauer,E., Wilhel,R. (42] Pennel,H.J. [43] Kape,G. (44] KUerle,K. [45] Gudehu,T. Bibliography on Siulation. Hrg. IBM Corp., For No , Syteiulation. MUnchen, Wien: R.Oldenbourg Verlag How to find the optial configuration for a flexible anufacturing yte. Proceeding, NAMRC-IV,Fourth Northaerican Metalworking Reearch Conference May 17 19,1976,S Workflow layout of a flexible anufacturing yte. Pre- print,vol.2,prolamat 76, The Third International Conference on Prograing Language for Machine Tool, June 15 18,1976, Siulation und die Siulationprachen SIMSCRIPT und GPSS II. Elektron.Datenverarb.7(1975)3, S Sicript. Braunchweig: Friedr. Vieweg und Sohn Ein Vorchlag zur Berechnung der Vertrauenintervalle bei Verkehrtet. A.E.U.Band 23(1969)10,S Auwahlregeln fur Gechwindigkeiten von Regalforderzeugen. fordern und heben 22(1972)Nr.1, S

12 [461 Wilhel,R., Dottling,W. [471 Stute,G., Bauer,E., Wilhel,R. [48] Kreyzig,E. [49] VDI 3561 [501 Gudehu,T. [51] Schaab,W. [52] Gudehu,T. [531 Brontein,I.N., Seendjajew,K.A. Aulegung und Organiation de Materialf'lue eine f'lexiblen Fertigungyte. wt-z.ind.fertig.67(1977)1,s Flexible Fertigungytee - Planung und Aulegung de Werkttickf'luByte. Annal of' the CIRP, Vol. 25/1/1976, S Statitiche Methoden und ihre Anwendungen. Gottingen: Vandenhoeck u. Ruprecht Tetpiele zu Leitungvergleich und zur Abnahe von Regalf'orderzeugen. Augabe Juli Grundlagen der Koiioniertechnik. Een: Girardet-Verlag Technich-wirtchaf'tliche Studie tiber die optialen Abeungen autoaticher Hochregallager unter beonderer Bertickichtigung der Regalf'orderzeuge. Di. TU Berlin, Wohin it der Kopf'tation? Materialf'luB (1972)Nr.4, Tachenbuch der Matheatik. Ztirich, Frankf'urt: Verlag Harri Deutch [54] Witthof'f',J. Der kalkulatoriche Verf'ahrenvergleich. Da Ref'a-Buch Bd. 5. Mtinchen: Carl Haner Verlag 1960.

13 [55]Warnecke,H.J. [56] VDI 3258, Blatt 1 [ 57] VDI 3258, Blatt 2 [ 58] Schone,A. [59] VDI 2222 [ 60] VDI 2696 [ 61] Stute,G., Wilhel,R. Wirtchaftlichkeitrechnung. Vorleunganukript Kotenrechnung it Machinentundenatzen. Begriffe, Bezeichnungen, Zuaenhange. Augabe Oktober Kotenrechnung it Machinentundenatzen. Erlauterungen und Beipiele. Augabe Marz Siulation technicher Sytee. Bd.1,2,3. Mtinchen, Wien: Carl Haner Verlag Kontruktionethodik - Konzipierung technicher Produkte. Berlin, Koln: Beuth-Vertrieb, Entwurf Siulationethoden i MaterialfluB. Augabe Januar Flexible anufacturing yte planning, deign and application. Proceeding, CAM 78, conference on Coputer Aided Manufacture, June 20 22, 1978, Paper No 6.2, S.1 22.

14 Abktirzungen F1 Berechnung aufgrund ittlerer Tranportwege NC Nuerical Control (Nueriche Steuerung) F2 Berechnung aufgrund der RBG Regalbediengerat Einzeltranportzeiten S Siulation FFS Flexible Fertigungyte SBG v Stationbediengerat oder H K Hoch Klein X ZBG Ja Zentralpeicherbediengerat Kap. Kapitel, Abchnitt (zweite REG) N Noralwert Wartechlange: BQUE vor Regal FQUE fertiger WerktUcke MQUE vor Station NQUE nach Station WQUE der Stationanforderungen Schichtbetriebarten: 1/1 Eine Fertigungchicht je Tag it Bedienungperonal 3/3 Drei Fertigungchichten je Tag it Bedienungperonal 3/1 Drei Fertigungchichten je Tag it Bedienungperonal in nur einer Schicht. Bezeichnung der WerktUckfluBvarianten: A1, A2, A3, B1 Forelzeichen und Einheiten Die verwendeten Bezeichnungen und Forelzeichen orientieren ich an den folgenden Vorchriften und Epfehlungen: DIN 1302 Matheatiche Zeichen DIN 1304 Allgeeine Forelzeichen a a x y fp f* P / 2 ittlere Bechleunigung / 2 ittlere Bechleunigung -1-1 Palettenfrequenz in x-ache in y-ache Palettenfrequenz bei voller Stationaulatung

15 ft ful fu2 F(X) ~ ~ED KG -l Tranportfrequenz -l Ubergabefrequenz de Stationbediengerate -l Ubergabefrequenz de Zentralpeicherbediengerate Verteilungfunktion Regalhohe Verhaltni der WerktUckzeit in der Bedienchicht zur WerktUckzeit in der autonoen Schicht DM/a Geate jahrliche Koten eine WerktUckflue DM DM/a DM/a DM/a DM/a DM/a Koten je WerktUck jahrliche Lohnkoten je Peron jahrliche Koten je Palette jahrliche Koten je Regalfach jahrliche Tranportittelkoten jahrliche Koten je Spann tich Regallange Regalfachbreite Regalfachhohe RE,x Anzahl Fertigungtationen Einlagerungzeile Variable fur Regalzeile axiale Anzahl von Regalzeilen Einlagerungpalte Variable fur Regalpalte Variable fur Regalpalte (Startfach) axiale Anzahl von Regalpalten ittlerer Tranportweg zwichen de Einlagerungfach und beliebigen Regalfachern in x-ache

16 RE,e,x ittlerer Tranportweg zwichen de Einlagerungfach und beliebigen Regalfachern in x-ache (Einlagerungfach it kein Zielfach) SRE,y SRR,x RR,x SRR,y S x S x S y y ta ta,x tdr te te,x tg tm tm,x tna tnb tra,x tre,x ittlerer Tranportweg zwichen de Einlagerungfach und beliebigen Regalfachern in y-ache geater Tranportweg i Regal in x-ache ittlerer Tranportweg i Regal in x-ache ittlerer Tranportweg i Regal in y-ache Tranportweg in x-ache ittlerer Tranportweg in x-ache Tranportweg in y-ache ittlerer Tranportweg in y-ache Tranportzeit fur eine Aulagerung Tranportzeit fur eine Aulagerung in x-ache Dauer einer Palettendrehung Tranportzeit fur eine Einlagerung Tranportzeit fur eine Einlagerung in x-ache Gabelpielzeit (Zeit fur Ein- und Aufahren der Gabel und Aufnahe der Lat) Doppelpielzeit fur eine Stationbedienung Doppelpielzeit fur eine Stationbedienung in x-ache Nebenzeit ohne EinfluB auf Werktuckzeit Nebenzeit it EinfluB auf Werktuckzeit Hauptfahrtzeit zwichen de Aulagerungfach und beliebigen Regalfachern in x-ache Hauptfahrtzeit zwichen de Einlagerungfach und beliebigen Regalfachern in x-ache

17 trm,x trr,x TS tsch tt tt TT,AUT TT,BED t u tw tw t~ Hauptfahrtzeit zwichen Regal und Stationen in x-ache Fahrtzeit zwichen beliebigen Regalfachern in x-ache Siulationdauer Schichtdauer Tranportzeit ittlere Tranportzeit Nutzungzeit de Tranportittel in autonoer Schicht Nutzungzeit de Tranportittel in Bedienchicht Upannzeit je WerktUck WerktUckzeit ittlere WerktUckzeit WerktUckzeit bei voller Aulatung der Fertigungtationen tws,aut WerktUckzeit in autonoer Schicht WerktUckzeit in Bedienchicht Steuerpannung v / Gechwindigkeit vx / Tranportgechwindigkeit in x-ache vx / ittlere Tranportgechwindigkeit in x-ache v / Tranportgechwindigkeit in y-ache y x Koordinatenache der Pilotanlage X' x Xi; y Koordinatenache de Regale Zufallvariable Koordinate de Einlagerungfache in x-ache Koordinatenache der Pilotanlage

18 y' y' E z z' ZAUT ZBED ZDR ZF,WS Zk,x ~,y ZL Zp Zp,TAG Zp,v ZR Z ZSCH ZT,AUT ZT,BED ZUT ZWS ZWS,J ZWS,L LttWS Lt RE,x 71 p In Koordinatenache de Regale Koordinate de Einlagerungfache in y-ache Koordinatenache der Pilotanlage Koordinatenache de Regale autonoe Schichten je Tag Bedienchichten je Tag Palettendrehungen je Werktlick Fertigungtufen je Werktlick kritiche Tranporte in x-ache kritiche Tranporte in y-ache Werktlickpannplatzperonal ein-/augelagerte Paletten je Schicht ein-/augelagerte Paletten je Tag verfligbare Paletten RegalgroBe bei Betrieb it autonoen Schichten MindetpeichergroBe Schichten je Tag Anzahl der Doppelpiele in den autonoen Schichten Anzahl der Doppelpiele in den Bedienchichten Anzahl der Upanntiche Werktlicke je Tag in einer Aufpannung Werktlicke je Jahr gepannte Werktlicke je Peron und Tag We~ktlickzeitdifferenz Wegdifferenz Palettennutzung

19 Norfaktor axiale Tranportanzahl Mittelwert der Zufallvariablen Norfaktor Standardtreubreite Sue