CAD-Produktmodell – Quelle der Produktbewertung nach Zeit und Kosten

Aus der Einleitung: "Produktentwicklung und Fertigungsplanung innovativer komplexer technischer Produkte sind heute ohne massiven Rechnereinsatz gar nicht mehr möglich: Produkteigenschaften wie Funktion, Fertigung, Montage, Bedienbarkeit, dynamisches Verhalten, Reaktion auf Störgrößen, Ästhetik, Instandhaltung bis Recycling sollten möglichst früh im Entwicklungsprozess durch virtuelle Prototypen technischer Produkte und Verfahren beschrieben und abgesichert werden (Höhne 2009).

Modell zur Integrationsplanung variantenreicher Baukastenprodukte in einem Montagesystemverbund

Produzierende Unternehmen befinden sich in einem herausfordernden Umfeld. Um die Ansprüche der Kunden bestmöglich zu erfüllen, werden zahlreiche Produktvarian-ten entwickelt. Diese stellen für die Montageplanung eine Herausforderung dar. Durch den Einsatz von Baukästen können die Auswirkungen von Variantensteigerun-gen teilweise reduziert werden, jedoch bringt die dadurch entstehende starke Vernet-zung der Produkte eine Komplexitätssteigerung mit sich. Weiter erhöht wird die Kom-plexität, wenn ein Produktionsnetzwerk mit mehreren Montagesystemen geplant wer-den soll. Es gibt Softwaresysteme und wissenschaftliche Ansätze, die diese Komplexität in Mo-dellen abzubilden. Jedoch waren diese nicht in der Lage die gesamte Vernetzung von Produkt, Prozess und Ressource modellieren und deren Verknüpfungen effizient zu erfassen. Daher wurde in dieser Arbeit ein Modell entwickelt, welches alle relevanten Zusam-menhänge zwischen Produkt, Prozess und Ressource abbildet. Regelbasierte Ver-knüpfungen wurden verwendet, um den manuellen Pflegeaufwand zu minimieren. Weiterhin wurde eine Methodik entwickelt, die die Montageplanung unter Zuhilfen-ahme des Modells deutlich vereinfacht. Die Funktionsfähigkeit des Modells konnte mithilfe eines vereinfachten, theoretischen Anwendungsfalls nachgewiesen werden. Abschließend wurde das Modell anhand ei-nes praktischen Anwendungsfalls getestet und validiert.Producing companies are facing a challenging environment. To satisfy the demands of their customers they develop many product variants. Those are a challenge for the assembly planning departments. The usage of modular products partly reduces the effects of this variant increase, but the interdependence that is created with this leads to an increased complexity. The complexity is risen further if the assembly planning is to be done for a network of as-sembly systems. There are software systems and scientific approaches do implement a model for this complexity. However none of those were able to fully and efficiently include all the dependencies of product, process and resource. In this thesis a model was developed, that included all interrelations between product, process and resource. Rule-based links were used to keep manual maintenance effort to a minimum. Furthermore a method was developed, which simplifies assembly plan-ning by using the developed model. The functionality of the model was shown in a simplified, theoretical use-case. Subse-quent the model was tested and validated in a practical, real-life use case

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

Interdisziplinäre Absicherung der Produktionsplanung in der Automobilindustrie

Die Automobilindustrie ist einer der bedeutendsten Industriezweige in Deutschland, die sich ständig im Spannungsfeld aus Qualität, Produktivität und Kosten bewegt. Der globale Wettbewerb führt zu kürzeren Innovations- sowie Produktzyklen – die Kundenanforderungen zu einer umfangreichen Individualisierbarkeit der Produkte. Die Produktkomplexität eines Automobils ist heutzutage enorm. Eine Komplexität, welche die Produktentwicklung, die Produktionsplanung sowie die Produktion ständig vor neue Herausforderungen stellt und in einem Streben nach Perfektion und kontinuierlicher Verbesserung mündet. Es ist beeindruckend zu durchleben, wie bei einem Produktionsanlauf alle Prozesse integriert werden und bei einer Serienfertigung ca. alle 90 Sekunden ein gefertigtes Fahrzeug vom Band läuft. Um einen effizienten Produktionsanlauf zu gewährleisten, wird dieser im Vorfeld abgesichert. In Bezug auf manuelle Montage¬umfänge findet dies in der sogenannten Produktionsvorbereitung statt, welche unter Beteiligung verschiedener Planungsbereiche interdisziplinär erfolgt. Die Produktionsvorbereitung ist der Serienentwicklung und Serienvorbereitung zugeordnet. In dieser Phase werden gemäß dem aktuellen Planungsstand physische Prototypen des Produktes stationsweise, mit den dazugehörigen Arbeitsinhalten, aufgebaut. Neben der Verifikation des eigentlichen Produktes dient diese Phase dazu, einen effizienten Produktionsanlauf sicherzustellen. Die Absicherung von Produkt und Produktion ist in der Automobilindustrie sehr gut etabliert und wird frühzeitig angewandt. Neben physischen Absicherungen werden vermehrt virtuelle Absicherungen durch den Einsatz von IT-Systemen und Simulationen eingesetzt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Phase der Produktionsvorbereitung und der damit verbundenen Absicherung des Produktionsanlaufs im Hinblick auf manuelle Montageumfänge in der Automobilindustrie. Im Fokus steht hierbei eine virtuelle Absicherung der Produktionsvorbereitung und die Unterstützung der Kollaboration und Dokumentation der interdisziplinären Produktionsvorbereitung.The automotive industry is one of the most important branches of industry in Germany, which is constantly operating in the area of conflict between quality, productivity and costs. Global competition leads to shorter innovation and product cycles – customer requirements lead to increasing individualization of products. The product complexity of a car is immense at present. A complexity that constantly raises new challenges for product development, production planning and manufacturing and results in a constant striving for perfection and continuous improvement. It is very impressive to see how all processes are integrated during a production start-up and how a manufactured vehicle rolls off the assembly line every 90 seconds in series production. In order to ensure an efficient production ramp-up, this is validated in advance. With regard to manual assembly scopes, this takes place in the so-called production preparation phase, which is an interdisciplinary process involving various planning departments. Production preparation is assigned to series development and series preparation. In this phase, physical prototypes of the product are built station by station according to the current planning state, with the corresponding work contents. In addition to the validation of the product, this phase is used to ensure an efficient production ramp-up. The validation of product and manufacturing is very well established in the automotive industry and is applied at an early stage. In addition to physical validation, virtual validation is increasingly used through the application of IT systems and simulations. This thesis deals with the phase of production preparation and the associated validation of the production ramp-up with focus on manual assembly in the automotive industry. The focus is on a virtual validation of the production preparation and the support of collaboration and documentation of the interdisciplinary production preparation

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

Activity-based shop floor management – A concept to enhance flexibility

Volatile markets, an increasing shortage of skilled workers and individual customer requirements as well as the growing desire for a fulfilling work-life balance among employees are influencing the production environment. Flexibility and adaptability are possible key factors to enable companies to meet these challenges. A concept for an activity-based shop floor management has been developed to make work organization more flexible in the area of production. In this concept, first of all activity packages are defined and evaluated, for example with regard to their requirements. Furthermore, it is necessary to define competence levels into which the employees are clustered according to their abilities. Thus, a competence-oriented matching of activity packages and employees is possible. The employee can choose tasks from the pre-grouped activity packages. The result is a generally valid concept for flexible staff deployment planning, which is evaluated in the automotive industry. This concept allows a change from role-based to activity-based task assignment with gamified incentive system, whereby specialists can be deployed more efficiently according to their qualifications