Vorlesung Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik W1332

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1 Vrlesung Grundlagen der cmputergestützten Prduktin und Lgistik W1332 Fakultät für Wirtschaftswissenschaften W. Dangelmaier Grundlagen der cmputergestützten Prduktin und Lgistik - Inhalt 1. Einführung: Wrum geht es hier? 2. System 3. Mdell 5. Strukturmdelle (Gebildestruktur) 6. Verhaltensmdelle (Przessstruktur) 7. Prduktin 8. Digitale Fabrik 9. Planung vn Prduktinssystemen 10. Wirtschaftlichkeitsrechnung 11. Prüfungen 1

2 Mdell... Ein Mdell ist ein bewusst knstruiertes Abbild der Wirklichkeit, das auf der Grundlage einer (Gegenstands-) Struktur-, Funktins- der Verhaltensanalgie zu einem entsprechenden Original vn einem Subjekt eingesetzt bzw. genutzt wird, um eine bestimmte Aufgabe lösen zu können, deren Durchführung mittels direkter Operatin am Original zunächst der überhaupt nicht möglich bzw. unter den gegebenen Bedingungen zu aufwendig der nicht zweckmäßig ist... Verwendungszweck Darstellen vn Ideen, Zusammenhängen Erklären eines Tatbestandes Gewinnen vn Einsichten in das Verhalten des Systems Vrraussagen über das Verhalten eines Systems Optimieren vn Systemstruktur, -verhalten und/der -funktin 2D-Darstellung Die 2D-Darstellung beruht im wesentlichen auf den gemetrischen Elementen Punkt und Linie. Wie bei einer technischen Zeichnung haben einzelnen Ansichten keinen Bezug zueinander. Fehler in einer Ansicht werden in einer anderen Ansicht nicht krrigiert. 2

3 Beispiel einer CAD-Zeichnung / 2D-Darstellung 2½D-Darstellung Prduktinsmdelle werden durch das kartesische Prdukt gemetrischer Elemente dargestellt. Man unterscheidet: a. Translatinsmdelle eine ebene Fläche wird entlang eines auf Ihr senkrecht stehenden Translatinsvektrs verschben. b. Rtatinsmdelle eine ebene Fläche wird um einen Rtatinsvektr mit einem Winkel α in einer bestimmten Richtung gedreht. c. Trajektinsmdelle eine ebene Fläche wird entlang einer beliebigen Raumkurve, die eine rthgnale der nicht-rthgnale Trajektrie zu dieser Fläche ist, verschben. 3

4 3D-Mdelle Darstellung vn Linien-, Flächen-, und Vlumenmdellen Linienmdell-Darstellung Schneller Aufbau vn gemetrischen Mdellen Bei kmplizierter Frm unübersichtlich Hilfe durch Hidden Line Algrithmus Begrenzt anwendbar bei Schnitten durch den Körper Flächenmdelle Zusätzliche Abbildung vn Flächen Einteilung in Ebene, Quadrike und Freifrmfläche Direkte Zurdnung vn Kanten zu Flächen Anwendbarkeit vn Schnitten durch mehrere Flächen Keine Unterstützung vn Vlumeninfrmatinen und Massenberechn. Vlumenmdelle Objekte besitzen ein definiertes Vlumen swie gemetrische- und physikalische Eigenschaften Häufige Verwendung vn Hybridmdellen (Verbindung mehrerer Mdellierungsverfahren) Cnstructive Slid Gemetry (CSG) Verknüpfung vn gemetrischen Grundvlumina durch Additin der Subtraktin Abbildung des CAD-Mdells durch eine Baumstruktur Leichte Überführung in andere Mdelle Aufbau durch mengentheretische Verknüpfung vn Basisvlumenelementen der durch Halbräume. + B - C A Baumstruktur der Standardvlumina A B C 4

5 Bundary Representatin (B-rep) Das Flächenmdell als Basis Mehrere Einzelflächen bilden einen Körper Einfache Generierung vn Überführungskörpern Grßer Speicherbedarf Kanten sind weitere Infrmatinselemente zur Objektbeschreibung Bundary Representatin (B-rep) Plyedermdelle Vlumenbegrenzung durch Tangentialflächen Einfache algrithmische Berechnung Tangentialflächenmdell Allgemein analytische Mdelle Vlumenbegrenzung durch mathematisch darstellbare Flächen (Ebene, Zylinder, ) Freifrmflächenmdelle Interplierte und apprximierte Flächen aus Punktmengen Allg. analytisches Mdell Freifrmflächenmdell 5

6 Zerlegung der Objekte in einzelne Zellen Vxel-Zellmdell Besteht aus gleich grßen Zellen Gut für die Finite-Element-Berechnung Keine direkten Fertigungsinfrmatinen, da grbe Frmabweichungen entstehen können Octree-Zellmdel Hierarchisch gerdnete Zellen Zellen unterschiedlicher Größe Grundfrm wird in einem gewissen Bereich bis zur gewünschten Genauigkeit in immer kleinere Zellen unterteilt 6

7 Beispiel: Detaillieren eines Einzelteils (System: EUCLID; Quelle Matra Datavisin) 7

8 8

9 9

10 Anwendungsbeispiel Scheibenbremse Radaufhängung Scheibenbremse Rad Anwendungsbeispiel Scheibenbremse Halter Gusseisen mit Kugelgraphit u.u. Aluminiumguss Bremsbeläge Metalle (Stahlwlle, Kupferpulver) Füllstffe (Fasern) Plymere (Harze) Gleitmittel (Schmierstffe) Bremsscheibe Legierter Grauguss Sattel / Gehäuse Gußeisen mit Kugelgraphit u.u. Aluminiumguss Bremsklben Stahl der Grauguß der Kunststffe der Aluminium-Legierungen 10

11 Kennzeichnung des Schnittverlaufs Stücklisten Schnitte 2D/3D- Ansichten Gemetrische Grundelemente 2D-Technische Zeichnungen Strukturelle, rganisatrische Infrmatin Schriftfeld alle Angaben im PDM-System verwaltet und erzeugt Nrmen Freigaben / Änderungen Bearbeiter Benennung Maßstab Zeichnungsnummer Klassifizierung 11

12 2D-Technische Zeichnungen Maßzahlen, Maßpfeile und Maßhilfslinien Schnittflächen (Schraffur) Oberflächengestalt prüftechnische Angaben Oberflächengestalt 2D-Technische Zeichnungen Frm- und Lagetleranzen (Auswahl) Geradheit Geradheit einer Kante der Achse Ebenheit Rundheit Ebenheit einer Fläche Rundheit eines Lagersitzes Parallelität Parallelität einer Kante zu einer Bezugskante Psitin Lauf Psitin einer Bhrung zu zwei Bezugskanten Rundlauf eines Wellenabsatzes der Planlauf einer Stirnfläche 12

13 Frmelemente Arbeitsplansegment 2D-Technische Zeichnungen Ausbruch mit Bruchlinie Tleranzangaben Frmelemente Mittellinien 2D-Technische Zeichnungen Frmelemente Bhrung Tasche Einstich Gewinde Arbeitsabflge Zentrieren Vrbhren Bhren Werkzeuge Zentrierbhrer Vrbhrer Spiralbhrer Werkzeugdrehzahl... Vrschub... Kühlung... 13

14 3D-Mdelle Linienmdelle Flächenmdelle Vlumenmdelle 3D-Mdelle - Linienmdell Vrteile Elemente sind ausschließlich Linien und Knten Nachteile ungenügende Visualisierung kein Ausblenden der verdeckten Kanten keine Darstellung kmplexer Flächen mangelnde Schnittbildung sehr zeitaufwendiges Arbeiten an Mdellen 14

15 3D-Mdelle - Flächenmdelle Freifrmflächen Ebenen Quadriken Vrteile Mdelle werden aus begrenzenden Flächen aufgebaut Flächen höherer Ordnung können mathematisch exakt dargestellt werden Nachteile fehlende Vlumeninfrmatin Infrmatinen zu Gewicht, Schwerpunkt, Trägheit fehlen kmplizierte Flächen werden teilweise durch Einzelflächen apprximiert 3D-Mdelle - Vlumenmdelle Zellmdelle Cnstructive Slid Gemetry (CSG) Bundary Representatin (B-rep) 15

16 3D-Mdelle - Vlumenmdelle Zellmdelle Körperunterteilung in definierte Teilvlumina einfacher Aufbau Frmabweichungen Vxel-Mdell gleich grße Zellen, entweder disjunkt der genau eine gemeinsame Kante, Fläche der Eckpunkt grbe Frmabweichungen Einsatz bei Finite-Element- Berechnungen der Digital Mckup Octree-Mdell hierarchisch gerdneten Zellen unterschiedlicher Größe Einsatz bei Finite-Element- Berechungen der Simulatin vn Zerspanvlumina 3D-Mdelle - Vlumenmdelle Quader Zylinder Kugel Trus Prisma + Cnstructive Slid Gemetry (CSG) Grundlage sind Knstruktinsprimitiven Verbindung der Körper durch Blsche Operatinen geringer Speicherbedarf begrenzte Auswahl an Knstruktinsbjekten Entstehunggeschichte ist Teil des Datenmdells 16

17 3D-Mdelle - Vlumenmdelle Bundary Representatin (B-rep) Körperbeschreibung durch begrenzende Seitenflächen Vlumen wird durch einen auf den Flächen stehenden Vektr beschrieben schnelle Algrithmen erweiterbar für analytisch nichtbeschreibbare Flächen Attributzurdnung an beliebige Elemente möglich grßer Speicherbedarf einfache, aber umfangreiche Generierungsfunktinen Translatin Prfilkörper Rtatin Anwendungsbeispiel 17

18 Anwendungsbeispiel Anwendungsbeispiel 18

19 Anwendungsbeispiel Anwendungsbeispiel 19

20 Anwendungsbeispiel Anwendungsbeispiel 20

21 Anwendungsbeispiel Anwendungsbeispiel 21

22 Anwendungsbeispiel Prduktdatenmanagement Schnittstellen am Beispiel der Entwicklung Scheibenbremse Einzelteil- Knstruktin Integratin Einzelteil in Gesamtfahrzeug Berechnung/ Simulatin Festigkeit Strömungsdynamik Thermisches Verhalten Schwingungsverhalten Packaging Integratin der Einzelkmpnenten funktinal gemetrisch ergnmisch Versuch/ Prttypen Physikalische Prttypen Bemusterung Mntierbarkeit Leitungsverlegung Ergebnisse Infrmatinsmenge nicht mehr überschaubar Datenzugriff nicht transparent Suche nach den richtigen Daten erfrdert erheblichen Zeitaufwand Zugriff auf falsche der veraltete Daten führt zu Fehlern im Prdukt Werkzeugbau NC-Fertigung Prduktinsplanung Prduktinsabläufe Fertigungs -Layut Betriebsmittel Vrkstenplanung Vertrieb Truck-Kliniken Präsentatinen Vertriebsdkumentatin Ersatzteilwesen Qualitätssicherung QS-Knzepte NC-Messen Lgistik/CKD Lagerhaltung CKD-Knzepte Transprtbehälter 22

23 Prduktdatenmanagement Aufgabe 4.1: Gerüstknten Gegeben sei ein Knten aus dem Gerüstbau Ebene 2 Ebene Ebene 2 45 Ebene 1 Ebene 2 45 Knstruieren Sie diesen Knten mit den bisher erarbeiteten Möglichkeiten Finite-Element-Mdelle (FE-Mdelle) Besndere Art der Zellenmdelle: Beschreibung der Verfrmung Apprximatin vn Realen Bauteilen Netzgeneratren erzeugen aus Gemetriemdellen ein FE-Mdell 23

24 Engineering: Finite-Element-Methde Ziele bei kmplexen Körpern keine exakten mathematischen Mdelle / Lösungen aber bei einer Unterteilung in einfache Elemente (Abstraktin) kann ein numerisches Mdell erstellt und berechnet werden Vrgehensweise Gemetriedefinitin Blckeinteilung / Netzeinteilung (Preprzessr) Lasten / Randbedingungen / Material Berechnung Darstellung der Ergebnisse Einsatzgebiete Festigkeitsberechnungen / Spannungsverteilung Verfrmungen Temperaturverteilung Strömungsfelder Schallverteilung Crash-Analysen Wettermdelle Berechnungen: Finite-Element-Methde Beispiel: Verfrmungen veränderte Anbindung Ausgangsfrm Verstärkung Beispiel: Schallverteilung 24

25 Gegenstände als materielle Objekte werden durch Tupel vn Eigenschaften beschrieben. Liegen Eigenschaften in einem bestimmten Kntext fest, s kann eine klassifizierende Nummer zurückgegriffen werden. Beispiel für Eigenschaften: Gemetrie, Farbe, Material, Beschaffenheit der Oberfläche, Leistungsfähigkeit, Fassungsvermögen,... Prdukt/Gegenstand: Klassifikatin Gegenstände, die in Ihrem Aufbau grundsätzlich bekannt sind, können einheitlich und cmputerlesbar beschrieben werden. Diese klassifizierende Nummer kann als eine Art Schlüssel ein Teil eindeutig beschreiben. 25

26 Prdukt/Gegenstand: EXPRESS EXPRESS ist eine vn der Implementatin unabhängige frmale Sprache zur Spezifikatin vn Infrmatinsmdellen. Die Hauptknstrukte sind Entities beliebig kmplexe Infrmatinseinheit eines Mdells, bestehend aus Attributen und Integritätsregeln Rules Rules sind im Gegensatz zu den lkalen Integritätsregeln glbale Regeln. Schemas das EXPRESS-Knstrukt eines Infrmatinsmdells, das aus einer Kmbinatin lgisch zusammenhängender Entities und Regeln besteht. Außerdem existieren Hilfsknstrukte, wie Ausdrücke, Knstanten, Funktinen, Przeduren der Anweisungen. Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Entities In der einfachsten Frm ist ein Entity eine Menge vn Attributen, die jeweils vn einem bestimmten Typ sind: ENTITY persn; vrname: STRING; nachname: STRING; geburtsjahr: INTEGER; heiratsjahr: OPTIONAL INTEGER; freunde: SET [1..?] f persn; END_ENTITY Freunde referenziert dabei alle Persnen, die die betrachtete Persn als Freund betrachtet. 26

27 Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Entities Zusätzlich können Integritätsregeln frmuliert werden: ENTITY persn; vrname: STRING; nachname: STRING; geburtsjahr: INTEGER; heiratsjahr: OPTIONAL INTEGER; freunde: SET [1..?] f persn; where heiratsjahr > geburtsjahr; END_ENTITY Die Bedingung hier sagt aus, das das Jahr der Heirat größer sein muss, als das Jahr der Geburt. Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Entities Aus bereits deklarierten Attributen können andere abgeleitet werden: ENTITY persn; vrname: STRING; nachname: STRING; geburtsjahr: INTEGER; heiratsjahr: OPTIONAL INTEGER; freunde: SET [1..?] f persn; DERIVE alter: INTEGER := 2002 geburtsjahr; where heiratsjahr > geburtsjahr; END_ENTITY Das Alter wird errechnet aus dem aktuellen Jahr minus dem Geburtsjahr. 27

28 Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Entities Für ein der mehrere Attribute kann Eindeutigkeit gefrdert werden:... UNIQUE name: vrname, nachname;... Zusätzlich können Kardinalitätsrestriktinen frmuliert werden, und der Zugriff auf Entities, zu denen ein Entity in Beziehung steht, kann erleichtert werden.... INVERSE: inv_feunde: SET[1..?] f persn FOR freunde... Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Entities Mit den Entities lassen sich Hierarchien bilden, wbei jeder Subtyp alle Eigenschaften des Supertyps erbt. Mehrfachvererbung ist nicht möglich: ENTITY frau SUBTYPE OF (persn) mädchenname: OPTIONAL STRING; END_ENTITY Zu jedem Entity ist immer implizit ein Knstruktr gegeben. Dieser erzeugt eine Instanz: persn (Mnika, Mustermann, 1960, 1985, {} ) 28

29 Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Beschreibung einer Oberfläche ENTITY cating SUBTYPE f (chemical_specificatin) Type_f_cating:reference_t_standard; aim_f_cating:optional STRING; plating_material:material_prperty; thickness_f_layer:length_data; measuring_pint:optional LIST [1:#] OF UNIQUE pint_n_surface; subsequent_prcessing:optional attribute; END_ENTITY; Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Rules Rules lassen sich mit Hilfe der lgischen Ausdrücke definieren, dabei können die Operanden Attribute verschiedener Entities sein. RULE freundschafts_symmetrie FOR (persn) WHERE QUERY(p<*persn QUERY(q<*persn p IN q.friends AND q IN p.friends)) =QUERY (r<*persn EXISTS(r.friends)) =QUERY (s<*persn EXISTS(s.friends)) END_RULE 29

30 Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Schemata Ein Schemata kann Entities, Funktinen und Przeduren anderer Schemata verwenden, um damit neue slche Knstrukte zu definieren (Verweis mit REFERENCE). Sllen auch Instanzen im Schemata genutzt werden, muss per USE auf diese verwiesen werden. Insgesamt besteht ein Schemata aus der Definitin der Schnittstellen, geflgt vn den Knstanten und einer beliebigen Flge vn Typen, Entities, Funktinen, Przeduren und Rules. Prdukt/Gegenstand: EXPRESS Schemata (Beispiel) SCHEMA persnen REFERENCE FROM typen (jahreszahl as jahre) ENTITY persn;... END_ENTITY ENTITY frau... END_ENTITY RULE freundschafts_symmetrie FOR (persn)... END_RULE END_SCHEMA 30

31 Frage 1: Mdellierung vn Gegenständen Es liegen die flgenden Aussagen vr: 1. Ein 2 ½ D-Mdell unterscheidet sich nur in der Textverarbeitung vn einem 2 D-Mdell. 2. Im Zusammenhang mit der 2 ½ D-Darstellung werden Translatins-, Rtatins- und Trajektinsmdelle unterschieden. 3. Vllzylinder können bei 2 ½ D nicht dargestellt werden. 4. Cnstructive Slid Gemetry (CSG)-Mdelle fügen mit Operatinen der Mengenlehre (bspw. Vereinigungsmenge) Grundkörper zusammen, die mit 2 ½ D-Methden erzeugt werden. 5. Bundary Repräsentatin (B-rep) Mdelle bilden die Durchschnittsmengen unendlicher Halbräume. 6. Mit 2 D-Mdellen kann man nur den Text in der Stückliste verwalten. Frage 2: Mdellierung vn Gegenständen Gegeben ist der flgende Körper: Wir verwenden Cnstructive Slid Gemetry (CSG). Die gezeigte Gemetrie können wir erreichen, indem wir zwei Quader addieren vn einem Quader einen anderen abziehen 8 unendliche Halbräume über Mengendurchschnitte verknüpfen ein Octree-Zellmdell einsetzen. Kennzeichnen Sie die richtigen Antwrten! 31

32 Frage 3: Mdellierung vn Gegenständen Zusätzlich zur Gemetrie kann man bspw. mit EXPRESS Eigenschaften beschreiben. 1. EXPRESS eignet sich nur zur Beschreibung vn Menschen. 2. Mit EXPRESS kann man nur Oberflächenbeschichtungen beschreiben. 3. Eine EXPRESS-Entity fasst eine Menge vn Attributen zusammen. 4. Für EXPRESS-Attribute kann Eindeutigkeit verlangt werden. Stimmt das? 32