Montagecluster zur Strukturierung der Fahrzeugendmontage – Eine Methode zur frühzeitigen Planung und Auslegung von Endmontagelinien

Vor dem Hintergrund der steigenden Komplexität in der Fahrzeugendmontage beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit einer Methode zur frühzeitigen Auslegung und Abschätzung von Fahrzeugendmontagelinien und deren Umsetzung in einer digitalen Planungssoftware. Dabei wird unter Zuhilfenahme bereits bestehender produkt- und prozessseitiger Maßnahmen zur Komplexitätsreduzierung der Lösungsraum abgegrenzt. Bei der Analyse der bestehenden Konzepte und der daraus resultierenden Abgrenzung hat sich herausgestellt, dass ein Mangel an Methoden zur frühzeitigen Strukturierung der Fahrzeugendmontage vorliegt. Diese Lücke soll mit dieser Arbeit geschlossen werden, indem eine Methode zur frühzeitigen Planung und Auslegung von Endmontagelinien entwickelt wird. Dafür wird basierend auf den Anforderungen vom Produkt, den prozessseitigen Restriktionen und den Anforderungen von Betriebsmitteln, eine Vorgehensweise zur Clusterung von Bauteilen entwickelt und anhand von drei Fallbeispielen validiert. Eine Vorkategorisierung der Bauteile nach einer eigenen Systematik ermöglicht dabei eine vereinfachte Ausgangssituation zur nachfolgenden Clusterung. Der größte Einfluss bei der Clusterung wurde durch die Fügerangfolge und den Einbauort eines Bauteils erzeugt, sodass dies die wichtigsten Kriterien bei der Bildung von Montagecluster sind. Eine digitale Absicherung der Vorgehensweise in einer Planungssoftware, ermöglicht zudem eine durchgängige Nutzbarkeit in der praktischen Anwendung.Increasing complexity in the final car assembly forces the production planning to create new methods and planning tools to deal with this increase of complexity. The present dissertation describes a new method for early dimensioning and evaluation of final car assembly lines and the implementation in a digital planning tool. For creating this method, it is necessary to have a closer look at already existing methods of complexity reduction, especially those which describe the product and process side. During the analysis and comparison of the existing methods, it turned out that there is a lack of methods for the early structuring of the final car assembly. The present dissertation fills this gap by developing a method for the early planning and designing of the technical layout of a final car assembly line. Based on the product requirements, the process-sided restrictions and the requirements for production facilities, a procedure for the clustering of components is developed and validated in three case examples. Here, an early categorization of the components according to a specific classification allowed a simplified initial situation for the following clustering. The greatest influence during the clustering was generated through the precedence graph and the installation location of a component. For digital planning, this procedure was implemented and tested in a planning software in order to enable a continuous usability in the practical use

Projektierung von Montagesystemen

Das Umfeld der mittelständisch geprägten Industrie in der Bundesrepublik Deutschland ist durch einen wachsenden Wettbewerbsdruck gekennzeichnet. Zum Ausdruck kommt diese Situation in der ständig kürzeren Produktlebensdauer, den damit sinkenden Losgrößen und den steigenden Variantenzahlen. Dadurch ergeben sich starke Rationalisierungszwänge in den genannten Betrieben. Technische Abteilungen und Produktion haben in der Vergangenheit insbesondere durch Rationalisierungen in der Vorfertigung ihren Beitrag zu Kosteneinsparungen leisten können. Da hier keine weiteren gleichartigen Erfolge zu erwarten sind, verlagern sich die Rationalisierungsanstrengungen auf den Montagebereich. Nachdem auch hier insbesondere durch neue Techniken wie z.B. den Roboter die Basis für flexibel automatisierbare Montagesysteme geschaffen wurde, gilt es nun, den Einsatz dieser Systeme durch die im Vorfeld angesiedelten Planungsabteilungen zu optimieren. Entsprechend den steigenden Produktionsanforderungen und verkürzten Planungsfrequenzen existiert in den für die Projektierung und Planung von Montagesystemen zuständigen Abteilungen ein beträchtliches Rationalisierungspotential. Ähnlich der Kostenverantwortung in Entwicklungs- und Konstruktionsabteilungen kommt dabei der Projektierung von Montagesystemen als Vorstufe zur eigentlichen Planung verstärkte Bedeutung. In diesen Zusammenhang ist die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit zu stellen, die für die Projektierung von automatisierten Montagesystemen ein rechnergestütztes Hilfsmittel aufstellt. Die Struktur der Arbeit spiegelt eine Modellbildung des Projektierungsumfanges wider. Es wird unterschieden in Montageaufgabenanalyse, optimale Stationsbelegung, Funktionsträgerzuordnung und Wirtschaftlichkeitsbeurteilung. Der Aufbau in Modellform wurde gewählt, um den Anforderungen nach einer exakten Abbildung des real existierenden Projektierungsablaufs gerecht zu werden und um die Vorteile der Modellbildung nutzen zu können. Als eine mögliche Art der Montageaufgabenanalyse wird im vorgestellten Modell der Vorranggraph verwendet. Da er besonders geeignet ist, Vorlage für spätere Abtaktungen zu bilden und eine gewisse Verbreitung gefunden hat, wird der Vorranggraph den exakteren Methoden (Petri-Netze) vorgezogen, zumal diese einen für die Projektierung nicht vertretbaren Analyseaufwand mit sich bringen. Für die Abtaktung wurden verschiedene Methoden der rechnergestützten Montagereihenfolgebestimmung im Modell gegenübergestellt. Zur Auswahl stehen die exakte Enumeration und ein heuristisches Verfahren. Um nach der optimalen Stationsbelegung mit Montageinhalten die zugehörigen Funktionsträger auszuwählen, wurde zum einen mit der Methode der Kombinatorik eine Elementezuordnung vorgenommen und zum anderen mit Hilfe einer Nutzwertanalyse der technisch mögliche Lösungsumfang eingeschränkt. Abschließend wurden unter Berücksichtigung wichtiger Kostengrößen die Lösungsvarianten einer Wirtschaftlichkeitsbeurteilung unterzogen. Dazu sind im vorliegenden Projektierungsmodell neue Faktoren und Parameter implementiert worden, die der integralen Konzeption moderner Montagesysteme nachkommen. Vor der Implementierung des Projektierungsmodells wurden auch die Randbedingungen rechnersystemunabhängiger Software aufbereitet. Hierzu ist insbesondere die Aufstellung eines konzeptionellen Datenbankschemas für die rechnergestützte Projektierung zu rechnen. Die Anwendung und Validierung des Projektierungsmodells erfolgte anhand eines praxisnahen Beispiels. Die später ausgeführte Lösung und die tatsächlich aufgetretenen Kosten tragen zum Vertrauen auf die vorab gewonnenen Projektierungsergebnisse bei. Mit dem in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Modell zur rechnergestützten Projektierung von Montagesystemen ist somit ein Hilfsmittel vorhanden, welches den Mitarbeitern von Planungsabteilungen in der Industrie erlaubt, gestellte Aufgaben und zukünftige Anforderungen mit einer rechnergestützten Methode in verkürzter Zeit und mit qualitativ verbesserten Ergebnissen zu bewältigen.The environment of the medium-sized industry in the Federal Republic of Germany is characterized by growing competitive pressure. This situation is expressed in the continually shorter product life, the falling lot sizes and the increasing number of variants. This results in strong rationalization constraints in the companies mentioned. In the past, technical departments and production have made their contribution to cost savings, particularly through rationalization in prefabrication. Since no further similar successes can be expected here, the rationalization efforts are shifted to the assembly area. After here, too, especially through new technologies such as for robots to create the basis for flexibly automatable assembly systems, the task now is to optimize the use of these systems by the planning departments located in advance. In accordance with the increasing production requirements and shortened planning frequencies, there is considerable rationalization potential in the departments responsible for project planning and planning of assembly systems. Similar to the responsibility for costs in development and construction departments, the planning of assembly systems as a preliminary stage to the actual planning is of increasing importance. In this context, the objective of the present work is to be placed, which sets up a computer-aided aid for the configuration of automated assembly systems. The structure of the work reflects a modeling of the scope of the project. A distinction is made between assembly task analysis, optimal station allocation, function carrier assignment and profitability assessment. The structure in model form was chosen in order to meet the requirements for an exact mapping of the actually existing project planning procedure and to be able to use the advantages of the model formation. The priority graph is used as a possible type of assembly task analysis in the model presented. Since it is particularly suitable for creating a template for later line balancing and has found a certain distribution, the priority graph is preferred to the more precise methods (Petri nets), especially since these involve an analysis effort that is not justifiable for the project planning. Various methods of computer-aided assembly sequence determination were compared in the model for the balancing. The exact enumeration and a heuristic method are available. In order to select the appropriate function holders based on the optimal station allocation with assembly contents, the combinatorial method was used to allocate elements and, on the other hand, the technically possible scope of solutions was restricted with the help of a utility analysis. Finally, taking into account important cost factors, the solution variants were subjected to a profitability assessment. To this end, new factors and parameters have been implemented in the project planning model that meet the integral concept of modern assembly systems. Before the implementation of the configuration model, the boundary conditions of software independent of the computer system were prepared. In particular, the creation of a conceptual database schema for computer-aided project planning is to be expected. The application and validation of the configuration model was based on a practical example. The solution executed later and the costs actually incurred contribute to trust in the project results obtained in advance. With the model for computer-aided planning of assembly systems presented in the present work, a tool is available that allows the employees of planning departments in industry to master tasks and future requirements with a computer-aided method in a shorter time and with qualitatively improved results

Konzeption und Wirtschaftlichkeit rechnerintegrierter Planungssysteme

In der vorliegenden Arbeit werden technologische und wirtschaftliche Anforderungen für den Einsatz rechnerintegrierter Planungswerkzeuge im Produktionsbereich dargestellt. Von wesentlicher Bedeutung sind dabei die Wechselwirkungen zwischen Planung und Fertigung einerseits und zwischen technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen andererseits. Aufgrund der besonderen Bedingungen wird ein Schwerpunkt auf die Montage und den Einsatz von Industrierobotern als neuer Produktionstechnologie gelegt. In der Montage ergeben sich für die Planung besondere Anforderungen, da im Gegensatz zur Teilefertigung der Gegensatz zwischen manueller Fertigung mit hoher Flexibilität und automatisierter Fertigung mit hoher Produktivität noch nicht überwunden ist. In der Montageplanung wurden bisher aufgrund der unterschiedlichen Fertigungskonzepte getrennte Ansätze für kurzfristige Funktionen wie die Montageplanerstellung oder Zeitermittlung in der manuellen Montage und langfristige Funktionen wie die Geräteauswahl und Layoutplanung in der automatisierten Montage verfolgt. Für Planungssysteme in der Produktion ergibt sich damit die Zielsetzung, einerseits lang- und kurzfristige Funktionen in einem Konzept zu integrieren, andererseits müssen neue Planungsfunktionen wie die NC-Programmierung von Industrierobotern unterstützt werden. Hierzu werden mögliche Integrationsstufen für durchgängige Planungskonzepte dargestellt. Zentraler Bestandteil ist das rechnerinterne Planungsmodell, das während des Planungsprozesses erstellt und genutzt wird. Konzepte, Methoden und Realisierungsansätze graphisch-interaktiver und automatisierter, aufgabenorientierter Verfahrensketten werden erläutert. Zur Kennzeichnung des Integrationsgrades werden Abstraktionsebenen eingeführt, wobei der Übergang zu einer höheren Ebene mit zusätzlichen Modellinformationen und Planungsmechanismen verbunden ist. Die Wirkungen beim Einsatz von Planungssystemen auf die Auftragsabwicklung wird anhand dieser Modellinformationen analysiert. Wesentlich ist hierbei der Zusammenhang zwischen Planungsumfang und Fertigungsflexibilität, die zu diesem Zweck im Hinblick auf die auszuführenden Planungsfunktionen definiert wird. Anhand von zwei Beispielen aus der elektronischen und mechanischen Montage mit hoher und geringer Fertigungsflexibilität werden die Wirkungen der Rechnerintegration auf den Planungs- und Programmierprozeß erläutert. In der starr automatisierten Linienfertigung betrifft dies den umfangreichen Planungsprozeß vor der eigentlichen Produktion. Mit steigender Integration ergibt sich die Möglichkeit, verschiedene Aufgaben simultan durchzuführen, was gegenüber der konventionellen Sukzessivplanung eine größere Planungssicherheit mit kürzeren Planungszeiten und höherer Qualität ergibt. In der flexiblen Fertigung wird der Einfluß der Werkstattsteuerung auf den Planungsprozeß aufgezeigt. Schnelle Umdispositionen erfordern die Bereitstellung maschinenunabhängiger Fertigungsunterlagen und einen verteilten Planungsprozeß auf Planungs- und Steuerungsebene. Am Beispiel einer Sonderbestückzelle wird gezeigt, wie durch steigende Integration die verteilte Planung und Modellbildung möglich ist. Auf der Basis der beschriebenen Ausprägungen und Wirkungen der Integration im Planungsbereich wird im zweiten Teil der Arbeit die Wirtschaftlichkeit rechnergestützter Systeme untersucht. Hierzu wird eine differenzierte Kosten- und Nutzenbetrachtung durchgeführt, da Planungssysteme nicht über direkte Erlöswirkungen bewertet werden können. Für die Bewertung wird ein ablauforientiertes Kostenmodell herangezogen, das die Abbildung von Planungsprozessen ermöglicht, die über geeignete Bezugsgrößen analog zum Fertigungsbereich quantifiziert werden können. Das Kostenmodell wird zur Nutzenbewertung der beschriebenen Planungskonzepte in konkreten Anwendungsfällen herangezogen. Nutzenpotentiale in der Planungs- und Produktionsphase von Fertigungssystemen werden aufgezeigt. Anhand der erzielten Ergebnisse werden die Möglichkeiten einer ganzheitlichen Bewertung kurz- und langfristiger Flexibilitätsstrukturen von Fertigungssystemen aufgezeigt. Alle verfügbaren Kosteninformationen sind im Sinne einer planungsbegleitenden Kalkulation generell in den Planungsprozeß zu integrieren. Die Arbeit zeigt Ansätze für den Einsatz und die Bewertung zukünftiger Planungstechnologien auf. Im Mittelpunkt steht dabei die integrierte Betrachtung von Planungs- und Fertigungsprozessen im Rahmen der Auftragsabwicklung. Diese Sichtweise ermöglicht im Gegensatz zu bisherigen Konzepten auch die Einbindung und Bewertung langfristiger Planungsfunktionen hinsichtlich umfassenderer Flexibilitätsstrukturen in der Produktion. Die Anwendung eines ablauforientierten Kostenmodelles zur Bewertung der Planungstechnologien macht die Notwendigkeit zur Weiterentwicklung bestehender Ansätze deutlich.In this work, technological and economic requirements for the use of computer-integrated planning tools in the production area are presented. The interaction between planning and production on the one hand and between technical and economic issues on the other are of crucial importance. Due to the special conditions, a focus is placed on the assembly and use of industrial robots as new production technology. In assembly, there are special requirements for planning because, in contrast to parts production, the contrast between manual production with high flexibility and automated production with high productivity has not yet been overcome. In assembly planning, separate approaches for short-term functions such as the assembly plan creation or time determination in manual assembly and long-term functions such as device selection and layout planning in automated assembly have been pursued so far due to the different manufacturing concepts. For planning systems in production, this results in the goal of integrating long and short-term functions in one concept, on the other hand, new planning functions such as NC programming by industrial robots must be supported. For this, possible integration levels for integrated planning concepts are presented. The central component is the computer-internal planning model, which is created and used during the planning process. Concepts, methods and implementation approaches of graphically interactive and automated, task-oriented process chains are explained. Abstraction levels are introduced to identify the degree of integration, with the transition to a higher level being associated with additional model information and planning mechanisms. The effects of using planning systems on order processing are analyzed using this model information. What is essential here is the relationship between the scope of planning and manufacturing flexibility, which is defined for this purpose with regard to the planning functions to be carried out. The effects of computer integration on the planning and programming process are explained using two examples from electronic and mechanical assembly with high and low manufacturing flexibility. In rigidly automated line production, this affects the extensive planning process before the actual production. With increasing integration, there is the possibility to carry out different tasks simultaneously, which results in greater planning security with shorter planning times and higher quality compared to conventional successive planning. The influence of workshop control on the planning process is shown in flexible production. Rapid re-planning requires the provision of machine-independent manufacturing documents and a distributed planning process at the planning and control level. Using the example of a special assembly cell, it is shown how distributed planning can be achieved through increasing integration and modelling is possible. On the basis of the characteristics and effects of integration described in the planning area, the economic feasibility of computer-based systems is examined in the second part of the thesis. For this purpose, a differentiated cost and benefit assessment is carried out, since planning systems cannot be assessed via direct revenue effects. A process-oriented cost model is used for the evaluation, which enables the planning processes to be mapped, which can be quantified using suitable reference values analogously to the production area. The cost model is used to evaluate the benefits of the planning concepts described in specific applications. Potential benefits in the planning and production phase of manufacturing systems are shown. Based on the results obtained, the possibilities for a holistic evaluation of short and long-term flexibility structures of manufacturing systems are shown. All available cost information must generally be integrated into the planning process in the context of a calculation that accompanies the planning. The work shows approaches for the use and evaluation of future planning technologies. The focus is on the integrated consideration of planning and manufacturing processes in the context of order processing. In contrast to previous concepts, this view also enables the integration and evaluation of long-term planning functions with regard to more extensive flexibility structures in production. The use of a process-oriented cost model to evaluate the planning technologies makes it clear that there is a need to further develop existing approaches

Modell zur datenbankgestützten Planung automatisierter Montageanlagen

Die Entwicklung rechnergestützter Planungswerkzeuge für die Montage ist für die gegenwärtigen Automatisierungsbestrebungen in der Montage von grundlegender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit verfolgte eine dreifache Zielsetzung. Eine systemtechnische Betrachtung der Montage sollte dazu dienen, das Wissen über an der Montage beteiligte Komponenten zu systematisieren und zu klassifizieren. Es sollte zusätzlich ein Beitrag geleistet werden, bestehende Lücken in der Planungssystematik für die Montage zu schließen. Ein besonderes Anliegen war es, zu zeigen, wie Datenbanken entworfen werden können, mit denen einzelne Planungswerkzeuge zu einem Gesamtsystem integriert und damit effektiver genutzt werden können. Zunächst wurden die entsprechenden Aufgabenstellungen in Kapitel 2 kurz vorgestellt und gezeigt, daß dem Einsatz von Datenbanken in einer Verfahrenskette zur Montageplanung eine zentrale Bedeutung zukommt. Bisher wurden Datenbanken im Bereich der Montageplanung jedoch kaum genutzt. Dies wird hauptsächlich darauf zurückgeführt, daß die vorwiegend für kommerzielle Anwendungen entwickelten Datenbankmanagementsysteme für technische Anwendungen nur unzureichend geeignet sind und der Datenbankentwurf sich als eine sehr komplexe Aufgabenstellung darstellt. Kapitel 3 enthält eine Einführung in die Begriffswelt der Datenbanktechnologie. Besonderer Wert wurde auf die Darstellung der Methoden zum Datenbankentwurf gelegt. Es wurde der Weg von der Bedarfsanalyse bis zum implementierfähigen konzeptionellen Schema aufgezeigt. Eine systemtechnische Betrachtung der Montage wurde in Kapitel 4 durchgeführt. Die Montage wurde dazu auf ein soziotechnologisches Modell abgebildet, welches eine klare Abgrenzung der einzelnen an der Montage beteiligten Komponenten ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Systemanalyse dokumentieren, daß die Systemtechnik ein unerläßliches Hilfsmittel darstellt, um zu einer strukturierten Beschreibung eines so komplexen Problemkreises, wie ihn die Montage darstellt, zu gelangen. In Kapitel 5 wurde der Ablauf der systematischen Montageanlagenplanung analysiert. Um die Lücke in der systematischen Montageplanung zwischen der Beschreibung der Montageaufgabe und der Erstellung des Montagelayouts zu schließen, wurde ein neues Verfahren zur Montageablaufbeschreibung entwickelt. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß anhand einer operationalen Beschreibung des Montageablaufs direkt, geeignete Wirkorgane und Geräte zur Durchführung der Montage, aus einer Datenbasis ausgewählt werden können. Diese beiden Kapitel bildeten die Grundlage für die Entwicklung eines konzeptionellen Schemas, mit dem der gesamte Ablauf der Montageplanung, wie er in Kapitel 5 dargestellt wurde, unterstützt werden kann. Es wurden zunächst semantische Schemata für die einzelnen Planungsschritte entworfen und diese dann zu einem gemeinsamen konzeptionellen Schema integriert. Zum Abschluß der Arbeit wurden die Implementierung einer Datenbank nach diesem konzeptionellen Schema und exemplarische Realisierungen von Anwenderprogrammen, die mit dieser Datenbank arbeiten, vorgestellt. Die Arbeit hat gezeigt, daß schon durch die für die Vorbereitung eines Datenbankeinsatzes erforderliche systematische Betrachtung der Montage wesentliche Erkenntnisse zur Montageplanung gewonnen werden können. Zudem kann auch mit derzeit verfügbaren Datenbankmanagementsystemen, trotz der in Kapitel 3 angesprochenen Unzulänglichkeiten, eine wirkungsvolle Unterstützung der rechnergestützten Montageplanung erreicht werden, indem der Eingabeaufwand für einzelne Anwendungsprogramme erheblich reduziert und Fehler durch redundante Datenspeicherung weitgehend vermieden werden.The development of computer-aided planning tools for assembly is of fundamental importance for the current automation efforts in assembly. The present work pursued a threefold objective. A systematic view of the assembly should serve to systematize and classify the knowledge about components involved in the assembly. An additional contribution should be made to close existing gaps in the planning system for assembly. A particular concern was to show how databases can be designed, with which individual planning tools can be integrated into an overall system and thus used more effectively. First, the corresponding tasks were briefly presented in Chapter 2 and it was shown that the use of databases in a process chain for assembly planning is of central importance. So far, databases in the area of assembly planning have hardly been used. This is mainly attributed to the fact that the database management systems, which were developed primarily for commercial applications, are insufficiently suitable for technical applications and the database design presents itself as a very complex task. Chapter 3 introduces the conceptual world of database technology. Particular emphasis was placed on the presentation of the methods for database design. The path from the needs analysis to the implementable conceptual scheme was shown. A system-technical examination of the assembly was carried out in chapter 4. For this purpose, the assembly was mapped onto a socio-technological model, which enables a clear demarcation of the individual components involved in the assembly. The results of this system analysis document that the system technology is an indispensable aid in order to arrive at a structured description of such a complex problem as the assembly represents. In Chapter 5, the process of systematic assembly system planning was analyzed. In order to close the gap in the systematic assembly planning between the description of the assembly task and the creation of the assembly layout, a new procedure for the assembly process description was developed. This method is characterized in that, based on an operational description of the assembly process, suitable active elements and devices for carrying out the assembly can be selected directly from a database. These two chapters formed the basis for the development of a conceptual scheme that can be used to support the entire assembly planning process, as described in Chapter 5. First, semantic schemes for the individual planning steps were designed and then integrated into a common conceptual scheme. At the end of the work, the implementation of a database according to this conceptual scheme and exemplary implementations of user programs that work with this database were presented. The work has shown that the systematic consideration of assembly required for the preparation of a database deployment can provide essential insights into assembly planning. In addition, with the currently available database management systems, despite the shortcomings mentioned in Chapter 3, effective support for computer-aided assembly planning can be achieved by considerably reducing the input effort for individual application programs and largely avoiding errors due to redundant data storage

Integrationsaspekte der Simulation: Technik, Orgnisation und Personal, Karlsruhe, 7. und 8. Oktober 2010 = Integration Aspects of Simulation: Equipment, Organization and Personnell, Karlsruhe, 7th and 8th October 2010

Die Integration technischer, organisatorischer und personalorientierter Aspekte in Simulationsverfahren ist das Leitthema der 14. Fachtagung der Arbeitsgemeinschaft Simulation (ASIM) innerhalb der Gesellschaft für Informatik, die vom Institut für Arbeitswissenschaft und Betriebsorganisation im Oktober 2010 ausgerichtet wurde. Der vorliegende Tagungsband gibt somit einen vertiefenden Einblick in neue Entwicklungen und Beispiele guter Praxis der Simulation über den deutschsprachigen Raum hinaus

Innovationspotentiale in der rechnerintegrierten Produktion durch wissensbasierte Systeme

Die Realisierung einer Rechnergeführten Fabrik unter dem Schlagwort CIM ist eine der größten Herausforderungen für die industrielle Produktionstechnik. Komplexe Informations- und Automatisierungssysteme steuern und überwachen die Fabrik der Zukunft. Doch die konventionelle Informations- und Datenverarbeitung erreicht ihre Grenzen dort, wo Wissen und Erfahrung zur Problemlösung im Vordergrund steht, und wo komplexe, unstrukturierte und nicht algorithmierbare Zusammenhänge angetroffen werden. Hier eröffnen die Methoden der Künstlichen Intelligenz und Wissensverarbeitung vielfältig neue Möglichkeiten. Unter diesen Randbedingungen will die vorliegende Arbeit Innovationspotentiale in der Rechnerintegrierten Produktion durch den Einsatz wissensbasierter Systeme erschließen. Dazu werden eingangs die grundsätzlichen Methoden und Hilfsmittel der Wissensverarbeitung erläutert. Diese Ausführungen erstrecken sich auf den Wissensbegriff selbst, auf die Methoden zur Wissensrepräsentation, Manipulation und auch Akquisition. Eine grobe Klassifizierung der Softwarehilfsmittel in Programmiersprachen und Werkzeugsysteme schließt sich an. Das nächste Kapitel beschäftigt sich mit dem Einsatz wissensbasierter Systeme in der Produktion allgemein. Erfolgreiche Systeme und interessante Prototypen aus den Anwendungsgebieten Diagnose, Arbeitsplanung, Konstruktion und Simulation werden vorgestellt. Die Wissensverarbeitung erfordert eine neue Qualifikation an Engineeringleistung. Die Aufgaben eines Wissensingenieurs werden im Zusammenhang mit dem Entwicklungsprozeß von wissensbasierten Systemen erläutert. Im anschließenden Kapitel wird ein wissensbasiertes Rahmensystem (WWS) für die Lösung von Planungs- und Konfigurationsaufgaben vorgestellt. Es besteht aus Komponenten für den Dialog, für die Wissensrepräsentation, für die Problemlösung und für den Wissenserwerb. Ein ereignisorientiertes Simulationssystem ist in die Problemlösungskomponente voll integriert. Mit Hilfe dieser logischen und programmtechnischen Integration von Konfigurations- und Simulationswerkzeugen ist es erstmals gelungen, völlig neue Möglichkeiten der Optimierung von Planungstätigkeiten in einem ganzheitlichen und wissensbasierten Ansatz zu erschließen. Innerhalb der industriellen Produktion gilt die Montagetechnik als weitgehend unerschlossenes Rationalisierungspotential. Als exemplarische Anwendung des wissensbasierten Werkzeugsystems (WWS) wurde das Expertensystem MOPLAN zur Planung von Montageanlagen implementiert. Als einziges System seiner Art ist es hardware- und softwareseitig voll in ein CIM-Konzept für die Montage integriert und kommuniziert mit einem dreidimensionalen Modellierer (ROMULUS). Damit steht der Montageplanung erstmals ein rechnergestütztes Werkzeug zur Verfügung, das für einen Großteil der Aufgaben bei der Grobplanung eingesetzt werden kann. Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit alternativen Einsatzmöglichkeiten für das wissensbasierte Werkzeugsystem WWS. Hier ist in erster Linie die Planung von produktionstechnischen Anlagen im allgemeinen und die Planung von Flexiblen Fertigungssystemen im speziellen zu nennen. Aber auch zur Planung von Fertigungsabläufen und Fertigungsaufträgen kann das Werkzeug eingesetzt werden. Für die implizite offline-Programmierung von Industrierobotern wird hierzu ein Beispiel gegeben. Die vorliegende Arbeit zeigt das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten wissensbasierter Systeme in einer Rechnerintegrierten Produktion auf. Angefangen bei der Konstruktion, über die Fertigungsplanung und -steuerung, bis hin zur Diagnose können mit Hilfe von wissensbasierten Konzepten vielfältige Innovationspotentiale erschlossen werden. Es wird deutlich, daß die Wissensverarbeitung eine wesentliche Komponente in der Fabrik der Zukunft darstellt. Mit dem Rahmensystem WWS und dem Expertensystem MOPLAN ist es gelungen, breit einsetzbare Werkzeuge als Basis für viele weiterführende Arbeiten im Bereich der Planung und Konfiguration zu schaffen. Damit wird auch ein Beitrag dazu geleistet, die Wissensverarbeitung in Forschung und Lehre zu etablieren.The realization of a computer-controlled factory under the catchphrase CIM is one of the greatest challenges for industrial production technology. Complex information and automation systems control and monitor the factory of the future. But conventional information and data processing reaches its limits where knowledge and experience are the focus of problem-solving and where complex, unstructured and non-algorithmic relationships are encountered. The methods of artificial intelligence and knowledge processing open up a variety of new possibilities here. Under these boundary conditions, the present work aims to develop innovation potential in computer-integrated production through the use of knowledge-based systems. To this end, the basic methods and tools of knowledge processing are explained. These explanations extend to the concept of knowledge itself, to the methods for representing knowledge, manipulation and also acquisition. This is followed by a rough classification of software tools in programming languages and tool systems. The next chapter deals with the use of knowledge-based systems in production in general. Successful systems and interesting prototypes from the fields of diagnosis, work planning, construction and simulation are presented. Knowledge processing requires a new qualification in engineering performance. The tasks of a knowledge engineer are explained in connection with the development process of knowledge-based systems. In the following chapter, a knowledge-based framework system (WWS) for the solution of planning and configuration tasks is presented. It consists of components for dialogue, for representing knowledge, for solving problems and for acquiring knowledge. An event-oriented simulation system is fully integrated in the problem-solving component. With the help of this logical and technical integration of configuration and simulation tools, it was possible for the first time to open up completely new possibilities for optimizing planning activities in a holistic and knowledge-based approach. In industrial production, assembly technology is considered a largely untapped rationalization potential. The MOPLAN expert system for planning assembly systems was implemented as an exemplary application of the knowledge-based tool system (WWS). As the only system of its kind, it is fully integrated in terms of hardware and software into a CIM concept for assembly and communicates with a three-dimensional modeller (ROMULUS). For the first time, assembly planning now has a computer-aided tool that can be used for a large part of the rough planning tasks. The last chapter deals with alternative uses for the knowledge-based tool system WWS. The planning of production engineering systems in general and the planning of flexible manufacturing systems in particular should be mentioned here. The tool can also be used to plan production processes and production orders. An example is given for the implicit offline programming of industrial robots. The present work shows the spectrum of possible uses of knowledge-based systems in computer-integrated production. Starting with the construction, through the production planning and control, up to the diagnosis, knowledge-based concepts can be used to open up a wide range of innovation potential. It becomes clear that knowledge processing is an essential component in the factory of the future. With the WWS frame system and the MOPLAN expert system, it has been possible to create widely applicable tools as the basis for many further work in the area of planning and configuration. This also makes a contribution to establishing knowledge processing in research and teaching

Nutzungsgradsteigerung von Montagesystemen durch den Einsatz der Simulationstechnik

In der Montageplanung gewinnt der Einsatz rechnerunterstützter Hilfsmittel zunehmend an Bedeutung. Das liegt einerseits an den Erfordernissen durch immer kürzer werdende Planungszyklen und andererseits an der zunehmenden Komplexität heute eingesetzter Montagesysteme. Die Realisierung anwenderfreundlicher Planungssoftware wird durch das breite Angebot an Standardprogrammen und durch ein verbessertes Preis-Leistungs-Verhältnis der Rechner erleichtert. Dadurch wird auch sichergestellt, daß bei Beachtung ergonomischer Grundprinzipien, die Akzeptanz von Rechnerarbeitsplätzen im Planungsbereich steigt. Die spezifischen Belange der Montagetechnik werden bei den vorhandenen Programmsystemen jedoch nicht oder nur sehr unzureichend berücksichtigt. Eine zentrale Bedeutung im Planungsablauf neuer oder zu modifizierender Montageanlagen besitzt die Simulationstechnik. Mit ihr lassen sich durch eine modellhafte Abbildung des realen zeitlichen Verhaltens geplanter Systeme Aussagen über die Leistungsfähigkeit und Schwachstellen gewinnen. Insbesondere die Frage nach dem Nutzungsgrad und der daraus resultierenden Ausbringung gefertigter Geräte kann durch die Simulation beantwortet werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten, die durch die Integration der Simulation in den Planungsprozeß eröffnet werden, aufgezeigt. Darüber hinaus werden zunächst systematisch die Maßnahmen zur Nutzungsgradsteigerung von Montagesystemen vorgestellt. Die Grenzen alternativer Verfahren zur Simulationstechnik bei der Überprüfung von gewählten Verbesserungsmaßnahmen werden dargelegt. Anschließend erfolgt eine Vorstellung der besonderen Belange der Montagesystemplanung bezüglich der Simulation. Es wird herausgestellt, welche Strukturen in der Montage vornehmlich anzutreffen sind, um die Anforderungen an spezifische Bausteine für die Montagesystemsimulation definieren zu können. Dabei wird auch auf die Bestückung elektronischer Bauelemente als bedeutender Sonderfall in der Montage eingegangen. Die Darstellung der Vorgehensweise bei Simulationsstudien mit dem Schwergewicht der Modellbildung schließt sich daran an. Das Kapitel wird durch die Beschreibung der Arbeitsinhalte von Planern und Simulationsexperten während einer Simulationsstudie abgerundet. An einem konkreten Beispiel für die flexible Montage von elektromechanischen Kleingeräten wird der Einsatz eines allgemeinverwendbaren Simulationspaketes vorgestellt. Mit dem Simulator GPSS-FORTRAN Version III wurde eine sehr komplexe Linie modelliert und verschiedene layout- und steuerungsspezifische Fragestellungen behandelt. Damit wird aufgezeigt, daß mit Hilfe dieses sehr mächtigen Simulationswerkzeugs eine Planungsunterstützung grundsätzlich möglich ist. Aus den Erfahrungen wurden aber auch die Probleme deutlich, die insbesondere bzgl. der Akzeptanz beim Planer und der Interpretationsfähigkeit der Ergebnisse gemacht wurden. Als Konsequenz aus den mit GPSS-FORTRAN gewonnenen Erkenntnissen wurde das Simulationssystem SIMU entwickelt, daß primär für die Grobplanung von Montagestrukturen konzipiert ist. In diesem Kapitel wird der Aufbau und die Leistungsfähigkeit von SIMU beschrieben und an einem typischen Montagesystem demonstriert. Dabei steht insbesondere auch der ergonomische Aspekt der Bedienerführung und Ergebnisdarstellung einschließlich Animation im Vordergrund. Abschließend wird ein Vergleich von SIMU mit dem GPSS-FORTRAN-Montagemodell durchgeführt. Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit der Simulation zur Nutzungssteigerung verketteter SMD-Bestückungsautomaten. Hier werden zunächst die besonderen Problemfelder der Bestückung elektronischer Bauelemente aufgezeigt und Ansätze zur Verbesserung erarbeitet. Zur Modellierung und Simulation der Abläufe in flexiblen Bestückungslinien wurde SASB entwickelt. Mit diesem Simulator lassen sich zum einen alternative Linienkonfigurationen miteinander vergleichen und zum anderen auch auftragssteuerungsspezifische Fragen beantworten. Ein Schwerpunkt wird hier auf die Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Bestücksysteme gelegt. Abschließend wird ein Maschinen-Daten-Management-System vorgestellt, mit dem u.a. simulationsrelevante Eingabedaten direkt aus der Bestückungslinie ermittelt werden und dem Anlagenbediener zur Einleitung von Verbesserungsmaßnahmen online auf einem Grafikbildschirm zur Verfügung gestellt werden. Durch die vorgestellten Arbeiten werden dem Planer von komplexen Montagesystemen neue Hilfsmittel angeboten, die ihn bei seinen Aufgaben unterstützen und dem Führungspersonal abgesicherte Ergebnisse als Grundlage für Entscheidungen geben. Damit wird ein wichtiger Beitrag auf dem Weg zur durchgängigen rechnergeführten Montageplanung geleistet. Die Softwaremodule wurden so konzipiert, daß sie mit anderen Programmsystemen kombiniert werden können und somit als integrierter Bestandteil einer Verfahrenskette zu betrachten sind.The use of computer-aided tools is becoming increasingly important in assembly planning. This is due on the one hand to the requirements due to ever shorter planning cycles and on the other hand to the increasing complexity of the assembly systems used today. The implementation of user-friendly planning software is made easier by the wide range of standard programs and an improved price-performance ratio of the computers. This also ensures that the acceptance of computer workstations in the planning area increases if the basic ergonomic principles are observed. However, the specific requirements of assembly technology are not or only insufficiently taken into account in the existing program systems. Simulation technology is of central importance in the planning process of new or to be modified assembly systems. It can be used to obtain information about the performance and weak points by modeling the real time behavior of planned systems. In particular, the question of the degree of utilization and the resulting output of manufactured devices can be answered by the simulation. In the present work the possibilities which are opened by the integration of the simulation into the planning process are shown. In addition, the measures to increase the degree of utilization of assembly systems are systematically presented. The limits of alternative methods for simulation technology when reviewing selected improvement measures are set out. Then there is an introduction to the special requirements of the assembly system planning with regard to the simulation. It is pointed out which structures are primarily to be found in assembly in order to be able to define the requirements for specific components for the assembly system simulation. The assembly of electronic components is also dealt with as an important special case in assembly. This is followed by the presentation of the procedure for simulation studies with a focus on modeling. The chapter is rounded off by a description of the work content of planners and simulation experts during a simulation study. The use of a general-purpose simulation package is presented using a specific example for the flexible assembly of small electromechanical devices. With the simulator GPSS-FORTRAN version III, a very complex line was modeled and various layout and control-specific issues were dealt with. This shows that with the help of this very powerful simulation tool, planning support is fundamentally possible. From the experience, however, the problems became clear, which were made in particular with regard to the acceptance by the planner and the ability to interpret the results. As a consequence of the knowledge gained with GPSS-FORTRAN, the SIMU simulation system was developed, which is primarily designed for the rough planning of assembly structures. This chapter describes the structure and performance of SIMU and demonstrates it on a typical assembly system. The ergonomic aspect of operator guidance and the presentation of results, including animation, is particularly important. Finally, a comparison of SIMU with the GPSS-FORTRAN assembly model is carried out. The last chapter deals with the simulation to increase the use of linked SMD pick and place machines. First, the special problem areas of the assembly of electronic components are shown and approaches for improvement are developed. SASB was developed to model and simulate processes in flexible assembly lines. This simulator can be used to compare alternative line configurations with one another and to answer questions related to order control. One focus here is on the economy of different placement systems. Finally, a machine data management system is presented with which, among other things, simulation-relevant input data can be determined directly from the assembly line and made available to the system operator online for the initiation of improvement measures on a graphic screen. The work presented here offers the planner of complex assembly systems new aids that support him in his tasks and give the executive staff reliable results as the basis for decisions. This makes an important contribution on the way to integrated computer-aided assembly planning. The software modules were designed in such a way that they can be combined with other program systems and are therefore to be regarded as an integral part of a process chain

Modellierungskonzept zur integrierten Planung und Simulation von Produktionsszenarien entwickelt am Beispiel der CFK-Serienfertigung

The industrialization of CFRP production demands for new planning and engineering tools in order to develop more efficient production processes and higher automated production systems. This thesis presents a new concept for digital production engineering in the context of digital factory, which is focused on the integrated planning and simulation of complex production scenarios. As approach of model-driven engineering, a domain-specifc modeling language and a factory data model are developed in order to generate models of material flow simulation. Thereby, major challenges of digital CFRP production engineering are different technology readiness levels, complex routings of tools and materials as well as the consideration of rework and autoclave processes. These challenges motivated the development of an eight level modeling concept called GRAMOSA, which integrates the management of alternative production scenarios and focusses on an integrated production and logistics planning

Neuartige Logistikkonzepte für eine flexible Automobilproduktion ohne Band

In dieser Arbeit werden neuartige Logistikkonzepte für die Automobilproduktion im Premiumsegment entwickelt und präsentiert. Im Vorfeld werden die Herausforderungen der heutigen deutschen Premiumhersteller von Automobilen beleuchtet und in Bezug auf die logistischen Auswirkungen analysiert. Darauf aufbauend werden neuartige Produktionskonzepte erarbeitet, die Ansätze für die Herausforderungen der Premiumhersteller liefern können. Auf Grundlage dieser neuartigen Produktionskonzepte und den Erkenntnissen von Expertenbefragungen und Ist-Aufnahmen in Produktionswerken und Logistikzentren werden im Rahmen dieser Arbeit neue Logistikkonzepte für den Fluß des Produktionsmaterials entwickelt, die zur Lösung der aktuellen Herausforderungen der Premiumhersteller genutzt werden können. Das Ergebnis sind 10 neue Konzepte, die über Nutzwertanalyse und Bewertung in Bezug auf Wandlungsbefähiger in eine Rangfolge gebracht werden. Die drei besten Konzepte werden für die weitere Detaillierung ausgewählt. Dies sind das Riegelkonzept, das Warenkorb- und das Einzel-FTF-Konzept. Bevor in Simulationsstudien eine Untersuchung dieser drei Konzepte stattfindet, werden die für eine Umsetzung der neuartigen Konzepte notwendigen Betriebsmittel präsentiert. Abschließend werden die neuartigen Logistikkonzepte, unter Verwendung von Originaldaten, in drei Simulationsstudien untersucht und in Bezug auf Ihre Umsetzbarkeit geprüft. Während die erste Studie die Situation in einer Türenvormontage simuliert, hat die zweite Studie eine Endmontage mit Fließband im Fokus. Die dritte Studie nutzt das Modell einer Produktion im Matrixlayout. Der Beweis der Umsetzbarkeit der Konzepte kann in den Simulationsläufen durch das Erreichen der geplanten Produktionsmenge in vier unterschiedlichen Szenarien gezeigt werden. Gleichzeitig wird in den Simulationsläufen die jeweils notwendige Anzahl an logistischen Betriebsmitteln bestimmt. Das abschließende Ergebnis der drei Simulationsstudien ist der Beweis für die Funktionalität der neuartigen Konzepte, teilweise unter Verwendung des Gitterbox-Konzepts für groß- volumige Bauteile