Effizienzsteigerung bei Auslegung und Inbetriebnahme mechatronischer Systeme durch Verwendung modellbasierter Entwicklungsmethoden auf Basis offener Standards

Die Time-to-Market eines neuen mechatronischen Systems hat einen entscheidenden Einfluss auf den wirtschaftlichen Erfolg des Produktes. Eine Reduzierung der Time-to-Market muss daher eines der Hauptziele eines Unternehmens sein. Während die Produkte durch die Entwicklung hin zu cyber-physischen Systemen im Kontext von Industrie 4.0 zunehmend komplexer werden, sind die zugrundeliegenden Produktentwicklungsprozesse noch immer unverändert. Eine Betrachtung des in der VDI Richtlinie 2206 definierten klassischen Produktentwicklungsprozesses für mechatronische Systeme zeigt einige Potentiale zur Effizienzsteigerung auf. In sämtlichen Phasen der Produktentwicklung, von der Definition der Anforderungen bis hin zum Betrieb, ist es möglich, durch eine konsequente Umsetzung eines durchgängigen, modellbasierten Engineerings Zeiteinsparungen zu erzielen. In der vorliegenden Arbeit wird vor allem die Maschinenbau- und Automatisierungsbranche betrachtet und ein modellbasierter Entwicklungsprozess vorgestellt, der eine Effizienzsteigerung hauptsächlich innerhalb der Phasen der Auslegung und der Inbetriebnahme ermöglicht. Ein durchgängiges, modellbasiertes Engineering lässt sich jedoch nicht auf Basis kommerzieller Tools umsetzen. Der Fokus liegt auf einer Lösung, die auf offenen Standards basiert und somit toolunabhängig ist. An zwei praxisrelevanten Beispielen wird dargestellt, wie die Methoden in der Industrie zu einer Verbesserung des Produktentwicklungsprozesses beitragen können. Dazu wird in einem ersten Beispiel ein Gleichlaufsystem für zwei hydraulische Achsen, ein Standardfall in der hydraulischen Antriebstechnik, modellbasiert entwickelt. Abschließend wird die modellbasierte Entwicklungsmethodik an einem zweiten Beispiel, einer komplexen Flaschenabfüllanlage, gezeigt. An diesem Beispiel wird verdeutlicht, wie sich die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Bausteine auf Basis offener Standards ebenfalls in kommerzielle Softwaretools integrieren lassen

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

Wissensentdeckung im Kontext der Produktionssimulation

Klassische Simulationsstudien im Kontext von Produktionssystemen zielen üblicherweise darauf ab, typische, vorab definierte Fragestellungen zu beantworten. Wirkzusammenhänge, die über diesen definierten Projektrahmen hinausgehen, bleiben eventuell unentdeckt. Mit steigender Rechenleistung und der Verfügbarkeit von Big-Data-Infrastrukturen entstehen neue Möglichkeiten zur Durchführung groß angelegter Simulationsstudien, um das Verhalten des Modells möglichst vollständig abzudecken und auszuwerten. Dies wird allgemein als Data Farming bezeichnet. In diesem Buch wird die Methode des Data Farming für die Wissensentdeckung in Produktionssimulationen weiterentwickelt. Dazu wird ein Konzept ausgearbeitet, welches die Auswahl geeigneter Experimentdesignmethoden, die Anwendung und Ausgestaltung von geeigneten Data-Mining-Verfahren sowie Visualisierungs- und Interaktionsmethoden beinhaltet. Das Konzept wird dann in insgesamt vier Fallstudien angewendet.Discrete simulation is an important and established method for the investigation of the dynamic behavior of complex production and logistic systems. Simulation is therefore an essential tool for planning, operating, and controlling those systems, for example in the automotive or semiconductor industries. In this context, typical simulation studies aim at answering pre-defined questions about these systems. This is often accompanied by the simulation and analysis of a few pre-defined scenarios. Relations and effects outside of those predefined project scopes may therefore remain undiscovered. On the other hand, with increasing computing power and the general availability of big data infrastructures, new possibilities arise for carrying out very large bandwidths of simulation experiments in order to cover the behavior of the model as completely as possible and analyze the output data in an automated way. This is generally referred to as data farming. The goal of this work was to transfer and enhance the concept of data farming for the application on knowledge discovery in manufacturing simulations. For this purpose, a holistic concept was created for finding unknown, hidden, and useful knowledge in massive amounts of simulation data. The concept contains the selection of suitable experiment design methods, the application and elaboration of suitable data mining methods in an appropriate and targeted analysis process, as well as the definition of suitable visualization and interaction methods for an iterative and user-focused analysis of large amounts of simulation output data. Furthermore, the concept was prototypically implemented in an integrated software framework. The applicability of the concept was shown and validated in four case studies including two academic and two real-world case studies.Die diskrete Simulation stellt eine wichtige und etablierte Methode zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens von komplexen Produktions- und Logistiksystemen dar. Sie ist daher zur Planung, Steuerung und Kontrolle solcher Systeme unerlässlich, beispielsweise in der Automobilindustrie oder in der Halbleiterfertigung. Klassische Simulationsstudien zielen in diesem Kontext üblicherweise darauf ab, typische, vorab definierte Fragestellungen zu beantworten. Dies geht oftmals einher mit der Simulation und Analyse einiger weniger vorab definierter Szenarien. Wirkzusammenhänge, die über diesen definierten Projektrahmen hinausgehen, bleiben daher eventuell unentdeckt. Auf der anderen Seite erwachsen mit steigender Rechenleistung und der allgemeinen Verfügbarkeit von Big-Data-Infrastrukturen neue Möglichkeiten zur Durchführung von sehr großen Bandbreiten von Simulationsexperimenten, um das Verhalten des Modells möglichst vollständig abzudecken und automatisiert auszuwerten. Dies wird allgemein als Data Farming bezeichnet. Ziel dieser Arbeit war es, die Methode des Data Farming für die Nutzung zur Wissensentdeckung in Produktionssimulationen zu übertragen und weiterzuentwickeln. Dazu wurde ein ganzheitliches Konzept ausgearbeitet, um unbekannte, versteckte und potenziell nützliche Wirkzusammenhänge in großen Mengen von Simulationsdaten entdecken zu können. Das Konzept beinhaltet hierzu die Auswahl geeigneter Experimentdesignmethoden, die Anwendung und Ausgestaltung von geeigneten Data-Mining-Verfahren in einem dafür zweckmäßigen und zielgerichteten Analyseprozess sowie die Definition geeigneter Visualisierungs- und Interaktionsmethoden zur iterativen, anwenderorientierten Analyse großer Mengen von Simulationsdaten. Darüber hinaus wurde das Konzept in einem ganzheitlichen Softwareframework prototypisch implementiert. Die Anwendbarkeit des Konzeptes wurde anhand von vier Fallstudien aufgezeigt und validiert. Die Fallstudien beinhalteten hierbei zwei akademische Laborstudien sowie zwei Industrieanwendungsfälle

Tagungsband Mechatronik 2011: Dresden 31. März – 1. April 2011

Mit dieser sechsten Auflage der Tagung MECHATRONIK 2011 verbindet sich neben dem 10-jährigen Tagungsjubiläum (die erste Tagung fand im Jahre 2001 statt) auch gleichzeitig eine Premiere. Nachdem die ersten fünf Tagungen erfolgreich unter den Fittichen des VDI bzw. des VDI-Wissensforums stattgefunden hatten, beginnt das zweite MECHATRONIK-Dezennium in einem geänderten Format und mit neuen Verantwortlichkeiten und wird dennoch die bewährten Traditionen der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde weiter pflegen. Academia trifft Industrie — Mechatronik und mechatronische Produkte sind seit jeher geprägt durch die Verknüpfung von interdisziplinärem methodenorientierten Wissen und nutzerorientierter Produktgestaltung. Diese Verknüpfung bildet sich höchst erfolgreich speziell in der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde ab, nicht zuletzt deshalb haben deutsche Mechatronikprodukte weltweit eine exzellente Marktpräsenz. Diese enge Verzahnung ist aber ebenso im Tagungsgeschehen etabliert, wo seit vielen Jahren, im Gegensatz zu vielen anderen Ländern und internationalen Tagungen, eine gute Balance zwischen Teilnehmern aus Hochschulen und Industrie gegeben ist. Dies trifft auch auf die MECHATRONIK 2011 zu, mit 47 (70 %) Beiträgen aus Hochschulen und 20 (30 %) Beiträgen aus der Industrie bzw. Industriebeteiligung. Academia trifft Industrie — Dieser Sachverhalt wird zukünftig auch ganz transparent an den Tagungsorten und dem Tagungsumfeld sichtbar sein. Ab diesem Jahr 2011 wird die Organisation und Ausrichtung durch akademische Tagungsveranstalter durchgeführt werden. Die bisherigen wissenschaftlichen Tagungsleiter Prof. Burkhard Corves (Rheinisch- Westfälische Technische Hochschule - RWTH Aachen) und Prof. Klaus Janschek (Technische Universität Dresden) werden zukünftig gemeinsam mit Prof. Torsten Bertram (Technische Universität Dortmund) für die Ausrichtung und Durchführung verantwortlich zeichnen. Als Veranstaltungsort sind entsprechende Räumlichkeiten an den beteiligten Universitäten geplant (2011 in Dresden, 2013 in Aachen, 2015 in Dortmund). Neben einer Kostenersparnis erwarten sich die Veranstalter durch das gegenüber Kongresszentren doch intimere Umfeld einen lebendigen Gedankenaustausch zwischen Wissenschaftlern, Industrievertretern und nicht zuletzt mit dem wissenschaftlichen Nachwuchs. Speziell Studierenden soll damit ein einfacherer Zugang in die Welt des wissenschaftlichen Diskurses mit Experten aus der Industrie und Praxis ermöglicht werden. Academia trifft Industrie — Eine Stärke der bisherigen MECHATRONIK-Tagungen war immer die breite fachliche Verankerung durch die verantwortliche Trägerschaft der VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (VDI-GPP) und VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (VDI/VDEGMA). Im Selbstverständnis dieser Fachgesellschaften spielt die Bereitstellung von Kommunikationsplattformen zwischen Hochschulen und Industrie eine zentrale Rolle. In den verschiedenen Fachausschüssen von VDI-GPP und VDI/VDE-GMA findet dieser Meinungs- und Informationsaustausch regelmäßig statt. Um eine breitere Fachöffentlichkeit in diese Diskussionen einzubeziehen, ist eine gemeinsame Tagung zum Thema Mechatronik eine logische und fruchtbare Konsequenz. Auch zukünftig wird der enge fachliche und institutionelle Kontakt der Tagung MECAHTRONIK zu den Fachgesellschaften aufgrund der personellen Verankerung der Tagungsveranstalter in den Fachgesellschaften VDI-GPP und VDI/VDE-GMA erhalten bleiben. Das Tagungsprogramm 2011 bietet ein breit gefächertes Angebot an aktuellen und innovativen Fragestellungen zur Mechatronik: mechatronische Produkte, Serienfertigung mechatronischer Produkte, Ressourceneffizienz, Nutzerfreundlichkeit und Akzeptanz, Entwicklungsmethoden und -werkzeuge sowie innovative Konzepte