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VorlesungGrundlagen der computergestützten Produktion und LogistikW1332Fakultät für Wirtschaftswissenschaften

W. Dangelmaier

Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik -Inhalt

1. Einführung: Worum geht es hier?

2. System

3. Modell

4. Modellierung von Gegenständen

5. Strukturmodelle (Gebildestruktur)

6. Verhaltensmodelle (Prozessstruktur)

7. Produktion

8. Digitale Fabrik

9. Planung von Produktionssystemen

10. Wirtschaftlichkeitsrechnung

11. Prüfungen

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Definition

„Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes Netzwerk von digitalen Modellen, Methoden und Werkzeugen die durch ein durchgängiges Datenmanagement integriert werden.

Ihr Ziel ist die ganzheitliche Planung, Evaluierung und laufende Verbesserung aller wesentlichen Prozesse und Ressourcen der Fabrik in Verbindung mit dem Produkt.“

[VDI-Richtlinie 4499]

Die Digitale Fabrik erlaubt es, in einer virtuellen Fabrik die Produkte, Prozesse und Anlagen in Modellen abzubilden

Basierend auf den virtuellen Produkten, Prozessen kann die geplante Produktion getestet und so verbessert werden, dass ein ausgereifter Prozess in der realen Fabrik zum Einsatz kommen kann.

8. Digitale Fabrik

Markt

Idee Markt

Produktentstehungsprozess idea to market

StrategischeProduktplanung

Prozess-entwicklung

Produkt-entwicklung

Virtual Prototyping & Simulation

Bearbeitungs-simulation

VirtuelleRealität

Digital Mock-Up

FE-MethodenOff-Line-Programmierung

Materialfluss-simulation

Signifikanter Nutzen:Verkürzung „Time to Market“

Strömungssimulation Mehrkörpersimulation

8. Digitale Fabrik

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Aufgabenstellung

• Aufgabe ist die…

– Planung der Auslegung der Produktionsstätten

– Planung der Produktionssysteme

– Überwachung der Umsetzung der Planung bis zum Anlaufen der Produktion

• Teilgebiete:

– Werkstrukturplanung

– Technologieplanung

– Prozessplanung

– Layoutplanung

– Materialfluss- und Logistikplanung

– Betriebsmittelplanung

– Arbeitsplatzgestaltung

• Eine reibungslose Inbetriebnahme hängtentscheidend von der Qualität der Vorplanung ab.

8. Digitale Fabrik

Simulation in der Entwicklung von Produkten mit weiter steigender Bedeutung. Problem bleibt die Integration der Daten und Formate.

Alle Simulationen laufen in einer integrierten Datenumgebung, um das digitale Produkt zu berechnen

1980 1990 2000 2009

Bedeutung von Computer-Simulation in der Entwicklung steigt

Computerbasierte Berechnungen hauptsächlich für Steifigkeits- und Schwingungssimulation

Berechnungs-abteilungenarbeiten weitgehend noch unabhängig voneinander

Quelle: Theodor Großmann “Calculating Innovative Benefits”, DC Technology Times March 2007

8. Digitale Fabrik – Simulation Produktdesign

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Auch im Prozessdesign hilft das Werkzeug der Simulation, um dynamische Prozesse abzusichern und zu planen.

8. Digitale Fabrik – Simulation Produktdesign

• Digitales Versuchsmodell

• repräsentiert die geometrische Produktstruktur

• Baugruppen und Einzelteile liegen im Produkt an ihrem Platz

• Simulation von physischen Zusammenhängen

• Ein-/Ausbauversuche von Teilen

• Kollisionstest

• geht realen Tests voraus

• beugt nachträglichen Änderungen vor

8. Digitale Fabrik – Digital Mock-Up

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• Simulation des geplanten Fabriklayouts

• Anordnung der Maschinen und Arbeitsplätze

• Transportwege zwischen den Arbeitsschritten

• Frühes Erkennen von Problemen im Layout-Design

• Vermeidung von hohen Kosten bei Umstrukturierungen

8. Digitale Fabrik - Layoutsimulation

• Personaleinsatzplanung

• Zusammen-/Gruppenarbeit

– Auch unter Berücksichtigung der Qualifikation der einzelnen Mitarbeiter

• Ergonomiesimulation

– Simulation von manuellen Arbeitsgängen

• Physische-/psychische Belastung

• Zugänglichkeitsprüfung

8. Digitale Fabrik - Personalsimulation

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• Digitale Montageprozessplanung und Prozessüberprüfung

• 3D-Visualisierung und Simulation der Montagesequenz

• Frühzeitige Abstimmung von Produkt, Prozess und Ressource

• Planung der Produktmontagesequenz und optimalen Fügefolge

• Planung von Füge- und Entnahmewegen

• Überprüfung der Verbaubarkeit

• Schrittweise Animation der Prozessfolgen auf Basis des Prozessablaufplans zur Prozessverifikation

• statische und dynamische Kollisionskontrolle

• 3D-Visualisierung dient auch der Kommunikation und Schulung der Beteiligten

8. Digitale Fabrik – Montagevisualisierung und -simulation

• NC-Simulation

– Durchlauf des NC-Programms

– Test ob es zu Konflikten/Kollisionen zwischen Werkzeugen kommen kann

– Optimierung der Laufwege

• Roboter-Simulation

– Simulation der Bewegung des Roboterarms

– Verbesserung der Programmgenauigkeit

– Kollisionstest

– Planung von Roboterarbeitszellen

8. Digitale Fabrik – Maschinensimulation

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Dynamische Analyse und Optimierung von Fabriklayouts

Frühzeitige Überprüfung des Produktionskonzeptes

Ermittlung von Engpässen und Produktion und Logistik

Verringerung von Lager- und Durchsatzzeiten

Verbesserung von Produktionsliniendesign und Zeitplanung

Analyse, Validierung und Optimierung von Fertigungsvarianten

Maximierung des Einsatzes von Fertigungsressourcen

Dynamische Überprüfung der Pufferauslegung

8. Digitale Fabrik - Materialflusssimulation

8. Digitale Fabrik - DMG Virtuelle Maschine

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Quelle: GILDEMEISTER, 2012

GILDEMEISTER nimmt als Hersteller von spanenden Werkzeugmaschinen weltweit eine führende Position ein: Das Angebot umfasst innovative Hightech-Maschinen, Serviceleistungen sowie Software- und Energielösungen. GILDEMEISTER verfügt in verschiedenen Branchen und Regionen über eine gewachsene, breite und diversifizierte Kundenstruktur.

Video der realen Maschine:

http://de.dmgmoriseiki.com/sites/products/de/fraesmaschinen/hsc-55-linear

8. Digitale Fabrik - Gildemeister - die reale Maschine

8. Digitale Fabrik - Virtuelle Maschine - Idee und Ziel

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

Die DMG Virtual Machine integriert Geometrie, Kinematik und Dynamik realer DMG-Maschinen sowie alle Funktionalitäten von NC und PLC in einer durchgängigen virtuellen Prozesskette.

Vorteile:

• Höchste Prozesssicherheit durch Kollisions- und Arbeitsraumprüfung

• Authentisches Maschinenmodell

• Umfassende Vorab-Kontrolle aller Programm- und Fertigungsabläufe

• Schnelles Erlernen neuer DMG-Maschinen und Steuerungen

• Rüstzeitreduzierung durch optimal vorbereitete Programme

• Einsatz für die Aus- und Weiterbildung

• CAD-Datenimport von Betriebsmitteln

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8. Digitale Fabrik - Virtuelle Maschine - Idee und Ziel

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

Komponenten:

• Simulations-Applikation: Virtueller Rüstvorgang sowie Maschinen- und Abtragssimulation

• Steuerungs-Applikation: Original-Steuerungssoftware zur Ansteuerung der Maschinensimulation, Siemens und Heidenhain

• CAMP: Simulator, der das zeitliche Verhalten einer realen Maschine nachbildet

• SolidWorks OEM: Integriertes CAD-Programm, um Ressourcen zu erstellen

8. Digitale Fabrik - Screenshot

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

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8. Digitale Fabrik - Screenshot - Übersicht

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

8. Digitale Fabrik - Anlegen der Ressourcen

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

Für eine konkrete Maschine werden zunächst die projektspezifischen Ressourcen erstellt oder importiert:

• Spannmittel

• Werkstücke

• Werkzeuge

• NC-Programme

• CAM-Projekte

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8. Digitale Fabrik - Steuerungsbereich

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

Über diesen Bereich erreicht man zahlreiche Funktionen zur Programmierung, Steuerung und Kontrolle der virtuellen Maschine. Hier kann ein konkretes NC-Programm erstellt und dann simuliert werden.

Das vollständige DMG Control Panel kann entweder direkt auf dem Bildschirm angezeigt oder extern an den PC angeschlossen werden (optional).

8. Digitale Fabrik - Simulation

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

Während der Simulation eines Programms auf einem Werkstück erfolgt die Visualisierung der Maschinensteuerung in einer 3D-Umgebung. Parallel dazu erscheinen auch die Maschinenbetriebsdaten in Echtzeit sowie Kollisionen, wenn es sie gibt.

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8. Digitale Fabrik - Simulation - Video

Quelle: GILDEMEISTER, 2012 / FILM: C. LAROQUE

Während der Simulation eines Programms auf einem Werkstück erfolgt die Visualisierung der Maschinensteuerung in einer 3D-Umgebung.

8. Digitale Fabrik - Auswertung

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

Nach der erfolgreichen Simulation zeigt die virtuelle Maschine das Werkstück in seinem finalen Zustand nach der Bearbeitung durch das NC-Programm. Darüber hinaus kann ein Auswertungsreport erstellt und exportiert werden (PDF, etc.).

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8. Digitale Fabrik - Auswertung

Quelle: GILDEMEISTER, 2012

Treten durch ein fehlerhaftes Programm oder eine falsche Aufspannsituation Fehler auf, so werden diese in der virtuellen Maschine angezeigt. Man kann zwischen verschiedenen Strategien wählen, wie mit Kollisionen umgegangen werden soll:

• Stoppen bei Kollision: Es wird ein NC Stopp ausgeführt; Fortsetzung mit NC Start möglich

• Stoppen und fortsetzen bei Kollision

• Kollisionen protokollieren: erscheint im Steuerungs- und Kontrollbereich unter der Registerkarte Meldungen

8. Digitale Fabrik

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8. Digitale Fabrik

Frage 1: Digitale Fabrik

1. Bei einer NC-Simulation

läuft das NC-Programm virtuell ab

wird überprüft, ob es zu Kollisionen kommt

werden ggf. die Laufwege des Werkzeugs optimiert

2. Bei einer Robotersimulation

werden die Bewegungen des Roboterarms simuliert

wird kein Kollisionstest durchgeführt.

werden ggf. die Bewegungen hinsichtlich der Programmgenauigkeit optimiert.