Martin Fahlbusch. Einführung und erste Einsätze von Virtual Reality-Systemen in der Fabrikplanung

Transkript

1 Martin Fahlbusch Einführung und erste Einsätze von Virtual Reality-Systemen in der Fabrikplanung

2 Vorsitzender der Prüfungskommission: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. H.-J. Barth Hauptberichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. U. Bracht Berichterstatter: Hon.-Prof. Dr.-Ing. W. F. Klos Tag der mündlichen Prüfung: 07. Dezember 2000 Das vorliegende Buch ist die inhaltlich unveränderte Wiedergabe der Dissertation, die der Fakultät für Bergbau, Hüttenwesen und Maschinenwesen der Technischen Universität Clausthal in der Sitzung am 24. Oktober 2000 zur Erlangung des Grades eines Doktor- Ingenieurs von Dipl.-Ing. Martin Fahlbusch vorgelegt wurde. D104 Dissertation TU Clausthal 2001

3 Innovationen der Fabrikplanung und -organisation Band 4 Martin Fahlbusch Einführung und erste Einsätze von Virtual Reality-Systemen in der Fabrikplanung. D 104 (Diss. TU Clausthal) Shaker Verlag Aachen 2001

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Fahlbusch, Martin: Einführung und erste Einsätze von Virtual Reality-Systemen in der Fabrikplanung / Martin Fahlbusch. Aachen : Shaker, 2001 (Innovationen der Fabrikplanung und -organisation; Bd. 4; Hrsg. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Bracht) Zugl.: Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2000 ISBN Copyright Shaker Verlag 2001 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 Vorwort des Herausgebers Nur die erfolgreiche Gestaltung und Weiterentwicklung industrieller Wertschöpfung kann auf Dauer unseren Lebensstandard und die Errungenschaften der sozialen Marktwirtschaft absichern. Die Produktion bildet nach wie vor das Rückgrat einer modernen, im globalen Wettbewerb stehenden Industrie-, Dienstleistungs- und Informationsgesellschaft. Umfassendes Wissen und stetig neue Erkenntnisse auf den Gebieten der Fabrikplanung und Produktionsorganisation sind existenziell notwendig. Die unternehmerische Bedeutung der Fabrikplanung und -organisation ist in gleichem Maße gestiegen, wie sich die Innovationszyklen von Produkten, Fertigungs- und Logistiksystemen sowie der Arbeitsorganisation verkürzt haben. Um die vorhandene Marktposition zu festigen oder um Wettbewerbsvorteile zu erlangen, muss jede Unternehmensleitung neben dem Produkt und der Technologie auch die Produktionsstrukturen ständig analysieren, sie rechtzeitig an die zu erwartenden Marktentwicklungen anpassen und gegebenenfalls erneuern. Die erhöhten Ansprüche an die Gestaltung und Wandlungsfähigkeit von Produktionsstrukturen im turbulenten Umfeld erfordern ein effizientes Projektmanagement und eine durchgehende rechnergestützte Planungsunterstützung. In der vorliegenden Reihe - Innovationen der Fabrikplanung und -organisation - sollen neue Methoden und Instrumente zur Planung und Optimierung von Produktionssystemen und -abläufen einer breiten Leserschaft in verständlicher Form vorgestellt werden. Es sind Forschungsergebnisse, die häufig in enger Zusammenarbeit mit der Industrie am Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit der Technischen Universität Clausthal im Bereich Anlagenprojektierung und Materialflusslogistik entstanden sind. Ein gemeinsamer systemtechnische Ansatz kennzeichnet die Fachgebiete Anlagenplanung und Logistik, deren technische, informationstechnische, organisatorische und wirtschaftliche Fragestellungen ganzheitlich und zukunftsweisend zu beantworten sind. Die Lösungsstrategien beinhalten sowohl eine theoretische, planerische und simulierende Seite als auch die konkrete Ausgestaltung von Prozessketten, Organisationsformen und Abläufen. In der Vergangenheit wurden Produktionsstrategien, Programme und Teilebedarfe nicht selten auf Grund persönlicher Einschätzung und Erfahrung festgelegt. Heute sind mit Hilfe mathematischer, wissensbasierter Modelle hinreichende Prognosen und Szenarien zu entwickeln, und das Komplexitätsmanagement muss bereits bei der Entwicklung variantenreicher Serienprodukte einsetzen. Früher wurden die darauf aufbauenden Produktionsstrukturen in der Regel nur statisch geplant und für dynamische Betrachtungen allenfalls Mittelwerte herangezogen. Um in Zukunft falsche oder überhöhte Investitionen und unnötige Folgekosten zu vermeiden, sind bestehende und zu planende Anlagen umfassend dynamisch zu analysieren und zu optimieren. Hierfür bietet sich die inzwischen bis zur Virtuellen Realität entwickelte Simulationstechnik an. Mit ihr kann der Planungsprozess entscheidend beschleunigt und verbessert, sowie die Planungsqualität und -sicherheit erheblich erhöht werden. Nicht zuletzt gilt es, die in den Produktions- und Logistiksystemen arbeitenden Menschen wieder stärker in den Mittelpunkt zu stellen, ihre Bedürfnisse zu respektieren und ihnen genügend Raum für Engagement und Verantwortung mit effizienten Formen der Arbeitsorganisation zu geben, die Verschwendung vermeiden und eine stetige Steigerung des Produktionsflusses ermöglichen. Clausthal, im Januar 2001 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Bracht

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7 Vorwort des Verfassers Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit der Technischen Universität Clausthal unter der wissenschaftlichen Betreuung von Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. U. Bracht. Ihm gilt mein Dank für die Betreuung dieser Arbeit sowie für die jahrelange, vertrauensvolle Zusammenarbeit, in der er mir viel Gelegenheit zur persönlichen Entfaltung gab. Herrn Hon.-Prof. Dr.-Ing. Walter F. Klos von der DaimlerChrysler AG danke ich für die Übernahme des Koreferats und für die angeregten Diskussionen zu diesem und auch anderen Themen. Ich danke Herrn Dr. Gerald Lange vom Rechenzentrum der TU Clausthal für seine Unterstützung, die interessanten Gespräche und seinen Beitrag zum Entstehen des VR-Labors am IMAB. Zudem danke ich Herrn Andreas Abel, der mich bei der Erstellung dieser Arbeit motiviert und hervorragend unterstützt hat. Mein weiterer Dank gilt Jörg Tams, Stephan Lonkowski, Chris Kruse und Christoph Heise für ihre Beiträge zum Gelingen dieser Arbeit. Auch den vielen anderen studentischen Hilfskräften, Studien- und Diplomarbeitern gilt mein Dank. Jeder von ihnen hat einen Teil zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen. Den Kollegen der Abteilung Betriebsfestigkeit inklusive der Werkstatt danke ich für intelligente Fragen und tatkräftige Mithilfe beim Aufbau der Großprojektion. Frau Decker gilt mein Dank für Korrekturlesen, Fehlerfinden und die Einführung der neuen Rechtschreibregeln am IMAB. Ich danke meiner Partnerin Friederike Koch für die Geduld und Unterstützung die sie mir entgegengebracht hat. Mein ganz besonderer Dank gilt meinen Eltern, die mich auf dem langen Weg bis zur Dissertation begleitet haben. Sie haben die Voraussetzungen für meinen bisherigen Lebensweg geschaffen und mir immer Rückhalt gegeben. Meinem Vater danke ich ganz besonders für seine Vorbildfunktion und seine Ratschläge, die mir auf dem Weg zum Beruf sehr geholfen haben. Burgdorf, im Dezember 2000 Martin Fahlbusch

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9 Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über die Entwicklungen von VR-Systemen und stellt Möglichkeiten zur Einführung dieser Systeme für Fabrikplanungsaufgaben dar. Sie baut auf den ersten Ergebnissen auf, die im Virtual Reality - Labor am Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit erzielt wurden. Virtual Reality ist ein neuartiges multimediales Werkzeug, das in den verschiedensten technischen und wissenschaftlichen Arbeitsgebieten Anwendung finden kann. Als solches Werkzeug geht Virtual Reality weit über die reine Visualisierung von Daten hinaus. Um dem Betrachter einen möglichst guten Eindruck zu vermitteln, nutzt VR den Effekt der Immersion sowie die Möglichkeit der Interaktion mit den virtuellen Objekten. Ausgehend von einer Analyse des Fabrikplanungsprozesses werden die geänderten Anforderungen an den Planer aufgezeigt. Verschiedene moderne Ansätze werden erläutert. Ebenso untersucht die Arbeit unterschiedliche Werkzeuge, die bereits allgemein für die Fabrikplanung zur Verfügung stehen. Die Arbeit zeigt eine Vorgehensweise zur Einführung von VR-Systemen für Fabrikplanungsaufgaben in Unternehmen auf und stellt den Weg von der Definition eines pilothaften Projektes bis zur Visualisierung der Daten dar. Um die Anwendbarkeit der VR- Technik für die Fabrikplanung aufzuzeigen, werden aktuelle Projekte aus dem industriellen und dem universitären Bereich erläutert und Defizite in der bisherigen Vorgehensweise und Methodik aufgezeigt. Die ersten im VR-Labor am IMAB erarbeiteten Ergebnisse von Fabrikplanungen werden ausführlich dargestellt und beschrieben. Aus den gesammelten Projekterfahrungen werden die erreichbaren Nutzenpotenziale des Einsatzes von VR-Technologien für den Fabrikplanungsprozess ermittelt. Diese liegen im Wesentlichen in der Erhöhung der Planungsgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Verbesserung des Planungsprozesses durch gesteigerten Erkenntnisgewinn. Fehler bei der Konzeption und Planung komplexer Fabrikanlagen werden durch hochwertige Visualisierungen verringert. Das Experimentieren mit Planungsvarianten ist mit geringerem Zeitaufwand möglich. Die geforderte, permanente Planungsbereitschaft und die Möglichkeit des schnellen Reagierens auf geänderte Produktionsanforderungen machen den Einsatz modernen informationstechnischer Hilfsmittel notwendig. In der logischen Konsequenz ist der Einsatz von VR-Systemen für die Fabrikplanung eine wesentliche Stufe auf dem Weg zur Digitalen Fabrik, in der - lange vor der Produktion des ersten physischen Produktes - virtuelle Waren auf virtuellen Maschinen hergestellt werden, um das Umfeld für die reale Produktion so gut wie möglich untersuchen zu können. Die Virtuelle Realität stellt mit hochwertigen Visualisierungen und intuitiv bedienbaren Interaktionsmöglichkeiten die Kommunikations- und Arbeitsbasis für schnelle, kreative und variantenreiche Planungsergebnisse dar.

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11 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 2. Ansätze zur Fabrikplanung Kurzer Überblick Der Ansatz zur systematischen Fabrikplanung nach Kettner Neue Anforderungen an die Fabrikplanung Kontinuierliche Planungsprozesse Partizipative Planung Wandlungsfähige Fabrikstrukturen Concurrent Engineering Durchgängige Planungskette Planungsinstrumente für die Fabrikplanung Die technische Zeichnung CAD-Systeme D-CAD-Systeme D-CAD-Systeme D-Modeler Der Build-It-Planungstisch Modellbausysteme Simulation von Produktions-, Materialfluss- und Logistiksystemen Virtuelle Realität Definition der Virtuellen Realität Anwendungsgebiete und Stand der Forschung Stand der VR-Technik Ausgabegeräte Visuelle Ausgabegeräte vollimmersive Visualisierungssysteme teilimmersive Visualisierungssysteme autostereoskopische Systeme Akustische Ausgabegeräte Haptische Ausgabegeräte Eingabegeräte Eingabegeräte mit diskretem Zeitverhalten Eingabegeräte mit kontinuierlichem Zeitverhalten Kombinierte Eingabegeräte Spracheingabe Rechnersysteme Softwaresysteme Verknüpfung von Simulation und Virtueller Realität 68

12 Inhaltsverzeichnis 5. Einführung und Anwendung der VR-Technologien für die Fabrikplanung Anwendungsfelder für Virtuelle Realität in der Fabrikplanung Anwendungen von VR in der Fabrikplanung Fabrikplanung mit VR in der industriellen Praxis Fabrikplanung mit VR an Universitäten und Hochschulen Defizite in der Methodik der Fabrikplanung Defizite in der Umsetzung Einführung von VR in die Planungsabläufe Einteilung nach der Anwendungshäufigkeit VR für den permanenten Einsatz im Unternehmen VR für den regelmäßigen Einsatz im Unternehmen VR für den gelegentlichen Einsatz im Unternehmen VR für den einmaligen Einsatz im Unternehmen Fazit Einführung im Rahmen von Projekten Beispielhaftes Ablaufschema Datengenerierung Datenvisualisierung Rechnertechnologie und Interaktionsgeräte Das VR-Labor am IMAB Ideenfindung und Antragsphase Entwicklung und Aufbau der Projektion Rechnerkonfiguration und Grafiksubsysteme Trackingsystem Stereo-Sound Head Mounted Display Build-It- Planungstisch Software Verwendung der Systeme für die Lehre Darstellung und Bewertung beispielhafter Projektergebnisse Fabrikplanungsprojekt für einen Lebensmittel verarbeitenden Betrieb Visualisierung eines Presswerkes für die Automobilindustrie Visualisierung von Büros für ein mittelständisches Unternehmen Planung und Visualisierung von Sozialräumen und Büros für ein 128 Glas herstellendes und verarbeitendes Unternehmen 6.5 Planung und Visualisierung von Laborflächen am IMAB Bewertung der Planungswerkzeuge nach den Projekterfahrungen Nutzenpotenziale von VR in der Fabrikplanung Nutzen der Digitalen Fabrik Nutzen bei der Neuplanung von Fabriken und Anlagen Resümee Zusammenfassung und Ausblick 141 Anhang A Abbildungsverzeichnis Anhang B Literaturverzeichnis Anhang C Verzeichnis der www-adresssen Anhang D Stichwortverzeichnis