Operative technisch-organisatorische Planung und Steuerung der spanenden Teilefertigung mit holonischen Merkmalen

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1 Operative technisch-organisatorische Planung und Steuerung der spanenden Teilefertigung mit holonischen Merkmalen Von der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt von Dipl.-Ing. Steffen Heinrich geboren am 24. März 1966 in Dresden Tag der Einreichung: 16. April 2004 Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. H. Dürr Dr.-Ing. Dr.sc.mult. H.-J. Jacobs Prof. Dr.-Ing. habil. K. Heß Tag der mündlichen Prüfung: 29. Oktober 2004

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3 Berichte aus der Fertigungstechnik Steffen Heinrich Operative technisch-organisatorische Planung und Steuerung der spanenden Teilefertigung mit holonischen Merkmalen. D 93 (Diss. TU Chemnitz) Shaker Verlag Aachen 2005

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., Copyright Shaker Verlag 2005 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Bibliografische Beschreibung Heinrich, Steffen: Operative technisch-organisatorische Planung und Steuerung der spanenden Teilefertigung mit holonischen Merkmalen. Chemnitz: Technische Universität Chemnitz, Fakultät Maschinenbau, Dissertation 2004; 143 Seiten; 50 Abbildungen; 23 Anlagen; 136 Literaturquellen Schlagworte Dynamische Fertigungsplanung und Fertigungssteuerung; Holonic Manufacturing Systems (HMS); Autonomie; Kooperation; Werkzeugstandzeit; spanende Teilefertigung Kurzfassung Die ständig zunehmende Dynamik in den Produktionsprozessen führt insbesondere bei klein- und mittelständigen Unternehmen (KMU) mit flexibler Fertigung zu einem hohen Umplanungsaufwand im Bereich der Werkstattsteuerung und somit auch in nach- und übergeordneten Bereichen. Dadurch wird die effiziente und zeitnahe Reaktionsfähigkeit auf dynamische Ereignisse stark eingeschränkt. Die vorliegende Arbeit beschreibt ein Konzept zur dynamischen Fertigungssteuerung spanender CNC-Werkzeugmaschinen auf der Basis einer dynamischen, situationsbezogenen Schnittwertanpassung unter Nutzung der holonischen Eigenschaften Autonomie und Kooperation. Alle zur Umsetzung der Autonomie- und Kooperationslösung entwickelten Modelle, Methoden und Algorithmen sowie Implementationsmöglichkeiten in die Systemumgebung von KMU werden beschrieben. Die zur Realisierung notwendigen Datenflüsse zwischen den einzelnen Steuerungsebenen sind im Gesamtkonzept dargestellt. Entsprechend den entwickelten Modellen wurde im Rahmen einer prototypischen Realisierung der Autonomielösung für die Fertigungsverfahren Drehen und Fräsen deren Praktikabilität und Richtigkeit nachgewiesen. Anhand eines Beispieles wird die prinzipielle Vorgehensweise dokumentiert und verifiziert.

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7 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur Fertigungslehre der TU Chemnitz. Herrn Professor Dr.-Ing. habil. H. Dürr, dem Leiter der Professur Fertigungslehre und Herrn Dr.-Ing. Dr.sc.mult. H.-J. Jacobs danke ich für die fachliche und persönliche Unterstützung, ihre Bereitschaft zu fachlichen Diskussionen und die vielen konstruktiven Anregungen, die sich daraus ergaben. Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. K. Heß, Leiter der Professur Steuerungs- und Regelungstechnik an der TU Chemnitz, bedanke ich mich für die Übernahme der Begutachtung und sein wohlwollendes Interesse an meiner Arbeit. Ein weiterer Dank gilt allen derzeitigen und ehemaligen Kollegen und Kolleginnen der Professur Fertigungslehre, die mich auf meinem Weg begleitet haben und durch ihre Diskussionsbereitschaft und Motivationsarbeit entscheidend zur Fertigstellung der Arbeit beigetragen haben. Mein besonderer Dank geht an Jana Geißler, Susann Fiedler, Thomas Hänel und Jörg Lässig für ihren unermüdlichen Einsatz als studentische Hilfskräfte ebenso wie im Rahmen ihrer Studien- und Diplomarbeiten. Den Mitarbeitern der PRO DV Software GmbH Dresden, vor allem dem Projektleiter Herrn Dr.-Ing. B. Stange, danke ich für die angenehme Zusammenarbeit im Rahmen unseres gemeinsamen Kooperationsprojektes. Chemnitz, im Oktober 2004 Steffen Heinrich

8 Für Jana und Susann sowie Thomas und Jörg

9 Inhalt i Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Problemstellung Grundlagen und Stand der Technik Problematik der Fertigungsplanung und Fertigungssteuerung Konzepte zur Gestaltung der Fertigungsplanung und Fertigungssteuerung Traditionelle Organisation Verfahrensbasierte Konzepte Systemtheoretische und kybernetische Konzepte Organisatorische Konzepte Informationstechnische Konzepte Konzepte zur Optimierung der Fertigungsplanung und Fertigungssteuerung Defizite bestehender Systeme und Lösungskonzepte Aufgabenstellung und Abgrenzung Entwicklung eines holonischen Systems zur operativen Fertigungssteuerung für CNC-Werkzeugmaschinen Zielsetzung und Lösungskonzept Autonomielösung Anforderungen Theoretische Grundlagen Gesamtkonzept der Autonomielösung Übergeordnete Systeme Optimiermodul Modul zur Standzeitprognose Prozesswissengenerator Standzeitendeerkennung Modulare Datenbank (Autonomie)... 60

10 ii Operative technisch-organisatorische Planung und Steuerung 4.3 Kooperationslösung Anforderungen Theoretische Grundlagen Gesamtkonzept der Kooperationslösung Übergeordnete Systeme Optimiermodul (OM) Kooperations-Management-Modul (KMM) Ressourcen-Auswahl-Modul (RAM) Berechnungsmodul für Zeitplanung (BZP) Modulare Datenbank (Kooperation) Umsetzung in die Praxis EDV-Prototyp Konzeptioneller Aufbau Funktionsweise Verifizierung Implementation in die Technologiewerkstatt Nachweis der Funktionalität am Beispiel des Demonstrators Ventilsitz Werkzeug- und Auftragsparameter Restriktionsberechnung Geometrieberechnung Optimierungsberechnung Optimiertes NC-Programm Schlussfolgerungen für Überführung in praktische Anwendung bei KMU Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

11 Inhalt iii 8 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Formelzeichenverzeichnis Anlagen