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

Simulationsmodell einer variablen Kleinserienfertigung an Hand eines praktischen Beispiels

Diese Arbeit behandelt das Problem der variablen Fließfertigung mit frei beweglichen Arbeitern unter stochastischen Bedingungen. Als Praxisbeispiel dient dabei die Fahrzeugmontage der Firma M-U-T. Diese geschieht derzeit in Einzelplatzmontage und in Fertigungsinseln, soll aber auf eine Fließfertigung umgestellt werden. Als Basis für die Auslegung eines Fließfertigungsystems soll ein Simulationsmodell dienen welches in dieser Arbeit formuliert, erstellt und untersucht wird. Das Modell hat zum Ziel, einen Fertigungshorizont von einem Jahr darstellen zu können. Die Auftragsgenerierung sowie die Bearbeitungszeiten in den einzelnen Stationen ist stochastisch. Weiters sind die Arbeiter zwischen den Stationen frei beweglich. Insgesamt sind nicht genügend Arbeiter verfügbar um alle Stationen gleichzeitig zu bedienen. Das Modell berücksichtigt auch den Ausfall von Arbeitern auf Grund von Urlaub oder Krankenstand. Die Aufgabenstellung mit der Ausgangssituation wird dabei in Kapitel 2 genau dargestellt. Hier wird die Problemstellung der Firma M-U-T, welche als Praxisbeispiel dient, genau erläutert. Weiters wird auf Arbeiten anderer Autoren verwiesen die ähnliche Aufgabenstellungen behandelt haben. Es werden auch Hinweise zu weiterer Literatur gegeben die nicht in unmittelbarem Zusammenhang zu dieser Arbeit stehen aber durchaus interessante Randbereiche behandeln. Damit wird ein Überblick über dieses Forschungsfeld gegeben. Im Anschluss daran werden im Kapitel 3 Struktur- und Planungsmodelle für Produktionssysteme gezeigt. Geeignete Modelle für diese Aufgabe werden diskutiert und verglichen um schließlich das Fertigungsmodell der M-U-T zu kategorisieren. Im Kapitel 4 wird auf die verschiedenen Möglichkeiten der Optimierung und mathematischen Problemlösung mittels Operations Research eingegangen. Insbesondere werden die Bereiche Lineare Optimierung, Netzplantechnik, Warteschlangentheorie und Simulation genauer behandelt und gegenübergestellt. Die Umsetzung des Simulationsmodelles ist in Kapitel 5 dargestellt. Nach der Formulierung der Modellannahmen sowie der Datensammlung und -auswertung wird die Layouterstellung des Simulationsmodells in AnyLogic behandelt. Nach der Validierung und Verifizierung des Modells kann schließlich in Kapitel 6 mit den Untersuchungen und Versuchen am Modell begonnen werden. In diesem Kapitel wird das Experimentdesign sowie die Durchführung dargestellt und die Ergebnisse präsentiert und diskutiert. Die Zusammenfassung der Ergebnisse, eine kritische Betrachtung sowie ein Ausblick wird abschließend in Kapitel 7 gegeben. Im Anhang werden die Objekte des AnyLogic- Modells gezeigt und ausgewählte Java- Methoden angegeben.This work deals with the problem of variable flow-shop production with moveable workers under stochastic conditions. The vehicle assembly of the company M-U-T serves as practical example. The assembly is now conducted on single assembly stations and manufacturing cells. This system should be changed to a flow- shop model. To provide a basis for the design of a flow- shop system a simulation model has to be created, tested and investigated in this work. The model should be able to show a production cycle of one year. Generation of orders and working times in the stations are stochastic. Furthermore the workers can be moved freely between the stations. In total there are not enough workers available to operate all stations at the same time. The model also considers failure of workers because of vacation or illness. The problem definition and current situation is shown in detail in chapter 2. The task of the company M-U-T, which serves as an example, is explained in detail. There are also references to papers of other authors who dealed with similar problems. Additionally there are references to literature which has no direct correlation to the current work but deal with familiar areas of research. This provides an overview of this field of research. Subsequent chapter 3 shows some structural and planning models for production systems. Appropriate models for this work are discussed and compared in order to categorize the production system of M-U-T. Chapter 4 afterwards shows several opportunities for optimization and mathematical model solving with operations reserach. Espescially the linear optimization, network techniques, queuing theory and simulation is dealed and compared in detail. The conversion of the simulation model is shown in chapter 5. After formulation of model assumption, data collection and analysis the model layout design with AnyLogic is explained. Following the verification and validation procedures chapter 6 then starts with the model analysis and model experiments. This chapter explains the model design and performance and discusses the simulation results. Conclusions, critical model review and an outlook is given in chapter 7. The annex finally shows the actual AnyLogic models and some important Java-methods within the model

Kennliniengestützte Durchführung von Logistiksimulationen

[no abstract

Modellierung und Prozessoptimierung der Organisationsstruktur in der orthopädischen Poliklinik

Gegenstand dieser Arbeit ist die Identifizierung und quantitative Analyse organisatorischer Schwachstellen in den klinischen Abläufen der orthopädischen Poliklinik der Klinik für Orthopädie und Rheumatologie in Marburg. Ziel dieser Analysen ist, mit Hilfe der gewonnen Daten fundierte Optimierungsvorschläge zu entwickeln, diese mit den Mitarbeitern zu diskutieren und schließlich umzusetzen. Da die langen Wartezeiten der Patienten das Hauptproblem in der orthopädischen Poliklinik darstellen, fokussiert diese Arbeit auf die Wartezeit als entscheidenden Parameter der Analysen und operationalisiert den Erfolg möglicher Reorganisationsmaßnahmen durch die Gesamtaufenthaltsdauer der Patienten. Initial werden die Prozesse durch Beobachtung und Diskussion mit allen Beteiligten untersucht und ein Prozessmodell erstellt. Als Dokumentationswerkzeug dient die am Institut für medizinische Informatik entwickelte Marburger Prozess-Dokumentation (MaPDok). Durch mehrwöchige Zeiterfassungen in der Poliklinik während der Sprechstunden werden anschließend die Arbeitsabläufe zeitlich genau charakterisiert. Neben direkten Zeiterfassungen werden auch vorhanden Informationsquellen, wie z.B. Eingangsbücher, analysiert, um eine detaillierte Datenbasis zu erhalten. Unter Verwendung dieser Daten wird ein warteschlangentheoretischer Ansatz verfolgt. Die Entwicklung eines Warteschlangenmodells erweist sich für die Abbildung des Ist-Zustandes aufgrund spezifischer Eigenschaften der zeitlichen Verteilung der Patientenankünfte als nicht praktikabel, bringt aber im Rahmen der Entwicklung eines neuen Terminvergabemodus wichtige Erkenntnisse. Mithilfe der gewonnenen Daten und der erworbenen Kenntnisse der entscheidenden Prozesse wird anschließend ein dynamisches Modell mit Hilfe der Dicrete-event-Simulation erstellt. Dieses Modell erweist sich für die Standardsprechstunde als valide, sodass verschiedene Sollszenarien mit unterschiedlichen personellen Ressourcen und Einbestellintervallen untersucht werden können. In der Zusammenschau der Ergebnisse werden vier organisatorische Schwächen von hoher zeitlicher Bedeutung identifiziert. Es handelt sich um das Einbestellsystem, die Koordination mit der Abteilung für Strahlendiagnostik, die zahlreichen Nebenaufgaben der Ärzte sowie die mangelnde Verfügbarkeit von Patienteninformationen. Für diese vier Probleme wurden Lösungskonzepte erarbeitet. Zahlreiche Optimierungsvorschläge konnten nach Zustimmung der Beteiligten erfolgreich implementiert werden. Interventionen, die sich aus diesem Projekt ergeben haben, sind dabei u.a. die Einführung eines neuen, EDV-gestützten, die Abteilung für Strahlendiagnostik einbeziehenden Einbestellsystems, die Einrichtung eines festen ärztlichen Poliklinkteams sowie die elektronische Arztbriefschreibung auch im ambulanten Bereich. Seit zwei Jahren bewähren sich diese Reorgansiationsmaßnahmen im klinischen Alltag

Entwicklung einer neuen Methode zur Ansteuerung von Ultraschall-Phased Arrays

Die Ansteuerung von Ultraschall-Phased-Arrays basiert auf zwei Vereinfachungen. Zum einen wird davon ausgegangen, dass das Schwingungsverhalten aller Einzelelemente synchron und gleichmäßig ist. Zum anderen erfolgt die Berechnung der Ansteuerungszeiten, den sogenannten Focal Laws, auf dem Ansatz der geometrischen Akustik. Beide Aspekte werden in dieser Arbeit ausführlich analysiert und neue Vorschläge für eine optimale Ansteuerung ausgearbeitet und simulativ sowie messtechnisch bewertet. Das individuelle Schwingungsverhalten der Einzelelemente von Phased Arrays liegt in einer Vielzahl von Toleranzen der Einzelkomponenten und der Fertigungsschritte begründet. Für die quantitative Bewertung kann die mechanische Auslenkung mittels Laser-Doppler-Vibrometrie lokal erfasst und evaluiert werden. Die Kompensation individueller Latenzzeiten im Ansprechverhalten führt dann unmittelbar zu einem höheren Summensignal im anvisierten Fokuspunkt. Um den Einfluss der tatsächlichen Aperturgeometrie von Einzelelementen auf die Qualität des Summensignals des Phased Arrays zu untersuchen, wurde außerdem eine Simulationsumgebung (4D-CEFIT-PSS) entwickelt. Damit ist die Wellenausbreitung unter Berücksichtigung aller wellenphysikalischer Effekte im Halbraum möglich. Somit wurden verschiedene Aperturmodelle erstellt und sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich analysiert. Die wellenphysikalische Simulation ermöglicht die Berechnung modifizierter Focal Laws, die immer zu einer Verbesserung des Summensignals im Vergleich zum Ansatz mit geometrischer Akustik führen.Ultrasonic linear phased array probes consist of several single elements. By exciting each element at a certain time wave fronts can be tilted, focused or both combined. This is accomplished by a set of delays which is called "focal law". Hence, the shape and the quality of the resulting wave front depends significantly on focal law calculation. This state-of-the-art method is based on two simplifications: firstly on the assumption that each single element has identical vibration behaviour, and secondly on the simple geometrical approximation of the signal propagation time. In this work both aspects will be investigate in detail. For characterization of the individual vibration behaviour the most important transducer parts and theirs acoustical properties will be presented. The theoretical view on the inner structure is completed by two measuring methods: scanning acoustic microscopy as well as computed tomography. Furthermore, the effective mechanical displacement of the transducer interface will be analyzed by Laser Doppler vibrometry. Hence, the individual vibration behaviour of the single elements can be compensated which yields an optimized superposition. To investigate the second assumption the 4D-CEFIT-PSS simulation environment has been developed. The combination of CEFIT (cylindric elasto dynamic finite integration technique) and PSS (point source synthesis) considers all effects of wave physics. A comprehensive parametric study shows the effects of geometrical aperture size concerning resulting signals in decided focal points. The differences of wave propagation in the time and frequency domain will be pointed out. Concluding, focal laws were calculated with the geometrical and the simulation based approach. The resulting wave propagation is simulated for selected focal points. The results were compared both ways, qualitatively and quantitatively. Hereby the difference between both methods was distinguishable. The outcome is a method for modified focal law calculation. Both, the consideration of the individual vibration characteristics and the application of the new focal laws result in higher signal-to-noise ratios for linear phased arrays