CAD-Methodik zur Produktivitätssteigerung in der Prozesskette Konstruktion-Fertigung

Danksagung Für die wissenschaftliche und methodische Unterstützung während meiner gesamten Zeit als wissenschaftliche Mitarbeiter und Doktorand am Lehrstuhl für Rechnereinsatz in der Konstruktion gilt mein Dank meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Math. Peter Köhler sowie allen Lehrstuhlkollegen, vor allem jedoch Dr.‐Ing. Alexander Martha, Thivakar Manoharan M. Sc., Phil Hungenberg M. Sc. und René Andrae M. Sc. Unstrittig ist, dass der Konstrukteur für die anforderungsgerechte Produktauslegung und Produkt-gestaltung verantwortlich ist und damit maßgeblich die Qualität und die Herstellkosten beeinflusst. Die Kompliziertheit und Komplexität der Konstruktionslösungen verhindert häufig eine angemessene Sichtweise auf die Herstellkosten bzw. auf Alternativen zur Herstellung eines Produktes. Die Kosten entstehen zumeist erst, wenn das Produkt durch die Fertigungsabteilung realisiert wird. Um dieser großen Kostenverantwortung der Konstruktion besser gerecht werden zu können, wird im Rahmen der Dissertation die technische Produktivität in der Prozesskette Konstruktion-Fertigung, welche sich über die Begriffe Effektivität und Effizienz ausdrücken lässt, betrachtet. Es werden Antworten auf die Fragen formuliert: Was kann getan werden, um die Produktivitätssteigerung in der heutigen Prozesskette Konstruktion-Fertigung zu erreichen? Bei der Beantwortung dieser Frage werden CAD-Methoden vorgestellt, welche die Einbeziehung des Fertigungswissens in ein möglichst frühes Stadium des Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses ermöglichen. Anhand von ausgewählten Problemfeldern für Bohr-, Dreh- und Fräsprozesse werden Lösungen zum zerspanungsorientierten Geometrieaufbau und der Fertigbarkeitsanalyse der 3D-CAD-Modelle aufgezeigt. Durch die Implementierung der Methoden und die Entwicklung einer spe-ziellen, zerspanungsorientierten Umgebung im 3D-CAD-System wird dem Konstrukteur die Möglichkeit gegeben, den Produktmodellierungsprozess an Konstruktionsrichtlinien und projektspezifischen fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Randbedingungen zu orientieren. Durch den Einsatz spezieller Methoden der wissensbasierten Konstruktion (KBE) und angepasster Web-Techniken (Webservice) werden die in einem fertigungsorientierten Form-Feature gebündelten, geometrischen Informationen um weitere technologische Parameter, wie Werkzeuge, Werkzeugparameter, Verfahrwege und notwendige Fertigungsvorgänge (wie z. B. Schruppen und Schlichten) ergänzt. Für komplexere Geometrieausprägungen werden flächenbasierte Modellierungsmethoden zur Gestaltung räumlicher und fertigungskonformer Werkzeugbewegungshüllen bereitgestellt. Diese insgesamt höherwertigen, fertigungsorientierten Features stellen die Basis für die konstruktionsbegleitende Kostenabschätzung und die CAD-CAM-Kopplung dar. Dabei werden die fertigungsrelevanten Daten und Informationen in der CAM-Umgebung extrahiert, sodass für jeden Fertigungsschritt die dafür benötigten Fertigungsoperationen auf einfache Weise abgeleitet werden können. Somit ergibt sich letztlich eine durchgängige Prozesskette zwischen der Konstruktion und Fertigung, welche auch die Qualität von CAD-CAM-Kopplungen erhöhen kann.It is indisputable that a design engineer is responsible for the requirement-driven functional and geometrical design of new products and that through this responsibility, has a significant impact on the associated quality and manufacturing costs. The complexity of the design solutions often prohibits an adequate assessment of the production costs and can make it difficult to consider alternative manufacturing methods. The manufacturing costs normally emerge only once the product is phased into production. In order to allow the design engineer to better fulfill this responsibility for product costs, this dissertation considers the technical productivity (expressed with the terms effectivity and efficiency) of the process chain between the design engineering and production departments. There are answers to the questions formulated: What can be done to achieve an improvement in the current process-chain between the design engineering and production departments? In answering this question, CAD methods will be introduced which allow the inclusion of production knowledge into the earliest possible stages of the design and development process. Considering selected problem fields in the drilling, turning and milling processes, solutions for creating geometry through machining methods and for analyzing the producibility of 3D CAD models will be presented. Through the implementation of the methods and the development of a special machining-focused environment in the 3D CAD system, the design engineer will be given the ability to align the product modeling process with design guidelines and project-specific manufacturing and economic constraints. By using special methods of knowledge-based design engineering (KBE) and adapted web technologies (Webservice), the geometric information which is bundled in a production-focused form feature will be supplemented with additional technological parameters, such as tools, tool parameters, tool paths and necessary manufacturing operations (e.g. roughing and finishing). For more complex geometrical features, surface-based modeling methods for the design of three-dimensional and production compliant tool-movement envelopes will be provided. These increased-value, production-oriented features are the basis for the cost-estimation in the design phase and for the coupling of the CAD and CAM environments. As a result, the manufacturing-relevant data and information will be extracted by the CAM environment so that the production operations for each step can be determined in a simple manner. This approach results in a complete chain between the design engineering and production departments and can improve the quality of the CAD-CAM information exchange

Steuerung und Sensordatenintegration für flexible Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern

Veränderte Marktbedingungen zwingen bundesdeutsche Unternehmen zu einer zunehmenden Rationalisierung und Automatisierung der Fertigung, um im internationalen Wettbewerb trotz hoher Lohnkosten bestehen zu können. Neue organisatorische Strukturen und technische Innovationen sollen die rationelle Produktion kleiner Losgrößen mit hoher Variantenvielfalt und Qualität gewährleisten. Produktionsanlagen, die diesen Anforderungen genügen, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit der eingesetzten Fertigungsgeräte aus. Das Flexibilitäts- und Leistungspotential von Industrierobotern ermöglicht es, sich wechselnden Fertigungsbedingungen anzupassen und gleichzeitig die geforderten Qualitätsparameter einzuhalten. Trotz dieser Potentiale sind hierbei Defizite bei der Manipulation von biegeschlaffen Teilen, der Ausführung komplexer Fügeoperationen und der Einhaltung definierter Beziehungen Werkstück-Werkzeug zu verzeichnen. Der Einsatz von mehreren kooperierend Robotern erlaubt bei einer zunehmenden Prozeß- und Produktkomplexität die Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung und somit eine wesentliche Steigerung der Flexibilität der Fertigung. Neben den Leistungsmerkmalen der Industrieroboter bestimmen vor allem die eingesetzten Peripherieeinrichtungen, Handhabungskomponenten und Sensoren die Fähigkeiten der Fertigungs- und Montagesysteme. Deren Möglichkeiten der Programmierung und Integrationsfähigkeit in ein übergreifendes Steuerungssystem sind maßgebend für die Akzeptanz durch den Anwender. Eine durchgängige informationstechnische Verknüpfung aller Komponenten in einer flexiblen Fertigungszelle und eine damit verbundene Informationstransparenz sind die Voraussetzung für eine effiziente Steuerung des Fertigungsablaufes. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Realisierung eines Konzeptes zur Steuerung von Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern, basierend auf der Nutzung der Leistungspotentiale aller Komponenten der Zelle und der Integration von Sensorinformationen zur Steuerung der Fertigungsvorgänge. Der Entwurf neuer funktionaler Eigenschaften der Roboter und der Sensoren sowie deren steuerungstechnische Einbindung in ein homogenes System der Steuerung einer Fertigungszelle standen dabei im Vordergrund. Ausgangspunkt bildet die Analyse der Fähigkeiten, der Formen der Kooperation und der Struktur der Steuerung von mehreren zusammen agierenden Robotern. Darauf aufbauend, werden die Nutzenpotentiale des Einsatzes von kooperierenden Industrierobotern in der automatisierten Fertigung aufgezeigt. Besonders die Gesichtspunkte einer höheren Flexibilität, eines erweiterten Bewegungsvermögens und einer möglichen Kosteneinsparung werden dabei herausgestellt. Ausgehend von bestehenden Defiziten derzeitiger Steuerungssysteme von Industrierobotern wurden die Schwerpunkte der Entwicklung des Steuerungssystems für kooperierende Roboter und der Integration von Sensoren abgeleitet und umgesetzt. Vor dem Hintergrund des steigenden Softwareaufwandes für komplexe Steuerungssysteme wurde ein Zellensteuerungssystem unter Verwendung von Methoden des Software Engineering konzipiert. Speziell für die Belange der Steuerung von Zellen mit Industrierobotern wurde ein Funktionsumfang zur Programmierung und Ausführung des Fertigungsablaufes, der Bedienung und Steuerung der Komponenten und der Erfassung von Maschinen- und Betriebsdaten realisiert. Eine anwendungsnahe Spezifikation der zur Ausführung eines Auftrages notwendigen Abläufe wird durch eine grafisch interaktive Programmierung und dessen Realisierung auf einem Zellenrechner ermöglicht. Die Überlegungen zum Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten münden in ein Konzept zur kooperierenden Bewegungsführung von Robotern. Ausgehend von grundlegenden Bewegungsformen wurde die hierauf beruhenden Bahnplanungsmethoden zur Erzeugung unabhängiger und kooperierender Bahnen entwickelt. Das Verfahren eines virtuellen Masters erlaubt hierbei die Beschreibung von komplexen räumlichen Bewegungsbahnen. In diesem Zusammenhang galt es, die Frage nach der Erkennung und Abwendung möglicher Kollisionen in komplexen Anordnungen mehrerer Roboter zu analysieren. Durch den Einsatz einer vereinfachten Geometriemodellierung konnte eine Lösung zur On-line-Kollisionserkennung für zwei Industrieroboter aufgezeigt werden. Die entworfenen Verfahren zur Bewegungsplanung bedürfen erweiterter Fähigkeiten der eingesetzten Robotersteuerungen. Auf der Basis eines hybriden und modularen Rechnersystems wurde ein Steuerungskonzept entwickelt, welches den Funktionsumfang der Bewegungsvorbereitung, der koordinierten Bahninterpolation und der Überwachung der Bewegung realisiert. Im Hinblick auf den Einsatz von kooperierenden Robotern wurden auf der Grundlage normierter Programmiertechniken für Industrieroboter geeignete Sprachelemente und Funktionalitäten für die Programmerstellung entworfen. Die Möglichkeiten einer Flexibilisierung und Leistungssteigerung von Fertigungssystemen mit Industrierobotern durch den Einsatz von Sensoren wurden an Hand sensorgeregelter Bewegungen transparent gemacht. Betrachtungen zum Nutzenpotential und den noch bestehenden Defiziten einer Sensorintegration sind vorangestellt worden. Aus den Untersuchungen zu verschiedenen Regelungsstrategien hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens konnten die hieraus resultierenden Eigenschaften für den Einsatz im Prozeß abgeleitet werden. Um die Rückführung der Sensorinformationen in den Bewegungsablauf zu gewährleisten, erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Sensor- und Positionsführung. Durch die Anordnung von mehreren Basissensoren und der Nutzung intelligenter und konfigurierbarer Auswertesysteme konnten Profilsensoren für den Einsatz während der Bearbeitung und Montage entwickelt werden. Für die Erfassung der Lage und Anwesenheit von Werkstücken in einer Fertigungszelle wurde ein flexibler Lasersensor entworfen und realisiert, der die Steuerung des Zellenablaufes und die Einhaltung von Qualitätsparametern ermöglicht. Die markanten Flexibilitätsdefizite von Greifern gegenüber Industrierobotern wurden durch den Aufbau eines flexiblen Mehrfingergreifers überwunden. Durch eine objektbezogene Beschreibung der auszuführenden Greifoperationen wird eine Steuerung des Greifers unter gleichzeitiger Integration einer Kraftsensorik erreicht. Mit den dargestellten Arbeiten konnte ein Beitrag zu dem Gesamtanspruch der Steigerung der Flexibilität der Fertigung und der Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung von Werkstücken durch den Einsatz von kooperierenden Robotern und der Integration von Sensoren geleistet werden. Es wurde der Nachweis erbracht, daß auch unter den Bedingungen der automatisierten Fertigung der Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten möglich ist.Changed market conditions are forcing German companies to increasingly rationalize and automate manufacturing in order to survive in international competition despite high labor costs. New organizational structures and technical innovations are intended to ensure the rational production of small lot sizes with a wide variety and quality. Production systems that meet these requirements are characterized by the high performance of the manufacturing equipment used. The flexibility and performance potential of industrial robots makes it possible to adapt to changing production conditions and at the same time to adhere to the required quality parameters. Despite these potentials, there are deficits in the manipulation of limp parts, the execution of complex joining operations and compliance with defined workpiece-tool relationships. The use of several cooperating robots, with increasing process and product complexity, allows the design of new forms of manipulation and processing and thus a significant increase in the flexibility of production. In addition to the performance features of the industrial robots, the peripheral devices, handling components and sensors used determine the capabilities of the manufacturing and assembly systems. Their programming options and ability to integrate into a comprehensive control system are decisive for user acceptance. A consistent information technology connection of all components in a flexible production cell and the associated information transparency are the prerequisites for an efficient control of the production process. The aim of the present work was the development and implementation of a concept for the control of manufacturing cells with cooperating robots, based on the use of the performance potential of all components of the cell and the integration of sensor information to control the manufacturing processes. The focus was on the design of new functional properties of the robots and sensors as well as their control integration in a homogeneous system for controlling a production cell. The starting point is the analysis of the skills, the forms of cooperation and the structure of the control of several robots working together. Building on this, the potential benefits of using cooperating industrial robots in automated production are shown. In particular, the aspects of greater flexibility, expanded mobility and possible cost savings are emphasized. Based on existing deficits in current control systems for industrial robots, the focus of the development of the control system for cooperating robots and the integration of sensors was derived and implemented. Against the background of the increasing software expenditure for complex control systems, a cell control system was designed using software engineering methods. A range of functions for programming and executing the production process, operating and controlling the components and recording machine and operating data has been implemented specifically for the control of cells with industrial robots. An application-specific specification of the processes required to execute an order is made possible by graphically interactive programming and its implementation on a cell computer. The considerations for the use of several flexible handling devices result in a concept for the cooperative motion control of robots. Based on basic forms of movement, the path planning methods based on this were developed to create independent and cooperating paths. The process of a virtual master allows the description of complex spatial trajectories. In this context, it was necessary to analyze the question of the detection and prevention of possible collisions in complex arrangements of several robots. Through the use of simplified geometry modeling, a solution for online collision detection for two industrial robots was shown. The designed motion planning processes require expanded capabilities of the robot controls used. On the basis of a hybrid and modular computer system, a control concept was developed which realizes the functional scope of the motion preparation, the coordinated path interpolation and the monitoring of the motion. With regard to the use of cooperating robots, suitable language elements and functionalities for program creation were designed on the basis of standardized programming techniques for industrial robots. The possibilities of making production systems with industrial robots more flexible and increasing their performance through the use of sensors were made transparent using sensor-controlled movements. Considerations of the potential benefits and the remaining deficits of sensor integration have been given in advance. The resulting properties for use in the process could be derived from the studies of various control strategies with regard to their dynamic behavior. In order to ensure that the sensor information is fed back into the motion sequence, a concept for sensor and position control was developed. By arranging several basic sensors and using intelligent and configurable evaluation systems, profile sensors could be developed for use during machining and assembly. For the detection of the position and presence of workpieces in a production cell, a flexible laser sensor was designed and implemented, which enables control of the cell sequence and compliance with quality parameters. The striking flexibility deficits of grippers compared to industrial robots were overcome by building a flexible multi-finger gripper. A control of the gripper with simultaneous integration of a force sensor system is achieved by an object-related description of the gripping operations to be carried out. With the works shown, a contribution could be made to the overall claim of increasing the flexibility of production and the design of new forms of manipulation and processing of workpieces through the use of cooperating robots and the integration of sensors. Proof has been furnished that it is possible to use several flexible handling devices even under the conditions of automated production

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

Programmieren in der Werkstatt: Perspektiven für Facharbeit mit CNC-Maschinen

Inhaltsverzeichnis: Helmuth Rose: Was heißt facharbeitergerecht? Offene Fragen in der Diskussion um qualifizierte Facharbeit an CNC-Werkzeugmaschinen (3-10); Fritz Böhle, Helmuth Rose: Erfahrungsgeleitete Arbeit bei Werkstattprogrammierung - Perspektiven für Programmierverfahren und Steuerungstechniken (11-96); Thomas Hoffmann, Hans Martin: CNC-Steuerungen im Vergleich - Eigenschaften von CNC-Steuerungen zur Dreh- und Fräsbearbeitung (97-154); Christoph Nuber, Rainer Schultz-Wild: Facharbeitereinsatz und Verbreitung von Werkstattprogrammierung - neue Durchsetzungschancen eines vieldiskutierten Konzepts? (155-184); Johannes Dünnwald: Prozeßtransparenz und -regulation - bislang vernachlässigte Aspekte zur Beherrschung von NC-Technologien (185-198)

Prozesse und Systeme zur Bestückung räumlicher elektronischer Baugruppen (3D-MID)

Die kontinuierliche Verbesserung bestehender Produktionsabläufe kann die langfristige Sicherung von Marktpositionen in dem durch zunehmenden Wettbewerb und anhaltenden Preisverfall charakterisierten Umfeld der Elektronikproduktion allein nicht gewährleisten. Ergänzend müssen die Rationalisierungspotentiale durch Einsatz neuer Technologien ausgeschöpft werden. Die mit wachsendem Interesse verfolgte Technologie der räumlichen elektronischen Baugruppen (3D- MID) kann für ein wirtschaftlich bedeutendes Anwendungsspektrum durch die Integration mechanischer und elektronischer Funktionen einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Verbesserung der Wettbewerbssituation leisten. Das prognostizierte starke Marktwachstum der räumlichen Schaltungsträger wird zur Zeit noch durch fehlende Lösungen zum wirtschaftlichen Aufbau dreidimensionaler elektronischer Baugruppen geprägt. Ziel dieser Dissertation ist es daher, Prozesse und Systeme zur Bestückung räumlicher elektronischer Baugruppen zu entwickeln, um die Voraussetzung für die vollständige Nutzung der beachtlichen Rationalisierungspotentiale dieser Technologie zu schaffen. Aus aktuellen Marktprognosen zur weiteren Entwicklung der räumlichen Baugruppen und einer systematischen Analyse der erforderlichen Funktionen wurden die Zielgrößen für die Montagesysteme und die prozeßrelevanten Eigenschaften der Fügepartner definiert. Darauf aufbauend wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Prozeßführung des Pastenauftrags und der Bestückung unter den neuen Randbedingungen durchgeführt und dokumentiert. Die Bestückung räumlicher Baugruppen erfordert im allgemeinen die Handhabung der Fügepartner in sechs Freiheitsgraden, wobei die aus der Flachbaugruppenfertigung bekannten hohen Anforderungen an Mengenleistung und Präzision berücksichtigt werden müssen. In einer systematischen Analyse möglicher Kinematiken wurde die Verteilung der erforderlichen Freiheitsgrade auf getrennte Handhabungssysteme für Bauelemente und Schaltungsträger als diejenige Möglichkeit bestimmt, die unter Beachtung aller Randbedingungen die beste Erfüllung der konträren Ziele gewährleistet. Die anschließende Optimierung dieses Grundkonzepts führte zu einer Lösung, die eine dreiachsige Manipulation der Schaltungsträger im Arbeitsraum ermöglicht und die Fügebewegung der oberflächenmontierbaren Bauelemente mit zwei, voneinander unabhängigen, Bestückungswerkzeugen realisiert. In umfangreichen experimentellen Analysen wurden die Einsatzpotentiale marktverfügbarer Bestückungs- und Robotersysteme bestimmt. Dabei wurde die Prognose der kinematischen Analyse bestätigt, daß sich hierdurch nur suboptimale Lösungen, mit jeweils spezifischen Stärken, realisieren lassen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden Ansätze zur modularen Erweiterung von Hard- und Software existierender Bestückungsautomaten aufgezeigt und experimentell verifiziert. Das realisierte System bietet eine kostengünstige Möglichkeit, räumliche Baugruppen mittlerer geometrischer Komplexität zu bestücken. Um die noch bestehenden Grenzen zu erweitern, wurde mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden ein Bestückungssystem für räumliche Baugruppen nach dem oben genannten Konzept entwickelt. Mit der prototypisch realisierten Versuchszelle lassen sich Baugruppen mit bis zu 150 mm Wandhöhe bei beliebig geneigten Prozeßflächen auch bei begrenzter Länge der Fügenormalen mit hoher Mengenleistung und Präzision bestücken. Dazu werden die Prozeßflächen der Schaltungsträger mit einer aus zwei kardanisch gelagerten Rahmen bestehenden Handhabungseinrichtung in die Horizontale geschwenkt und über eine integrierte Hubachse auf die optimale Bestückungshöhe positioniert. Zur weitgehenden Elimination der prozeßbedingten Nebenzeiten für Aufnahme, Zentrierung und Test der elektronischen Bauelemente arbeiten die beiden unabhängigen Bestückungswerkzeuge alternierend. Dabei ist der eine Bestückungskopf als vierachsiges Präzisionswerkzeug ausgelegt, um die Möglichkeit zur präzisen Bestückung auch hochpoliger Bauelemente bereitzustellen. Der andere verfügt über zusätzliche Freiheitsgrade, um auch Schaltungsträger mit begrenzter Länge der Fügenormalen bestücken zu können. Die Bestückung wird von einer Steuerung mit drei Prozessoren und integrierter Kollisionsvermeidung koordiniert und kann komfortabel über eine CAD/CAM Verfahrenskette mit standardisierten Schnittstellen programmiert werden. Die entwickelte Kinematik wurde, unter Beachtung der prozeßspezifischen Randbedingungen, auch an den Einsatz in einem System zum sequentiellen Auftrag von Verbindungsmedien in räumliche Baugruppen angepaßt und deren Einsatzmöglichkeit in einer Versuchszelle experimentell nachgewiesen. Damit ist die Grundlage für weiterführende Arbeiten zur Optimierung der Verbindungstechnik in räumlichen Baugruppen geschaffen. Die komplexen Interdependenzen der prozeßbezogenen Kenngrößen erfordern eine ganzheitliche Optimierung der Gestaltung räumlicher Baugruppen. Mit der Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien unter den besonderen Aspekten der Prozeßschritte Pastenauftrag und Bestücken wurde zum Abschluß dieser Arbeit ein Beitrag für einen integrierten Ansatz zur systematischen Erarbeitung der funktionsund kostenoptimalen Gestaltung räumlicher Baugruppen geleistet, der in einer weiterführenden Arbeit entwickelt wird.The continuous improvement of existing production processes cannot guarantee the long-term securing of market positions in the environment of electronic production, which is characterized by increasing competition and a continuing drop in prices. In addition, the rationalization potential must be exploited through the use of new technologies. The technology of spatial electronic assemblies (3D-MID), which is being followed with increasing interest, can make a significant contribution to the sustainable improvement of the competitive situation for an economically significant range of applications by integrating mechanical and electronic functions. The forecasted strong market growth of the spatial circuit carriers is currently characterized by the lack of solutions for the economical construction of three-dimensional electronic assemblies. The aim of this thesis is therefore to develop processes and systems for the assembly of spatial electronic assemblies in order to create the prerequisites for the full exploitation of the considerable rationalization potential of this technology. The target values for the assembly systems and the process-relevant properties of the joining partners were defined from current market forecasts for the further development of the spatial assemblies and a systematic analysis of the required functions. Building on this, extensive experimental investigations into the process management of the paste application and the assembly under the new boundary conditions were carried out and documented. The assembly of spatial assemblies generally requires the joining partners to be handled in six degrees of freedom, whereby the high demands on volume output and precision known from the manufacture of flat assemblies must be taken into account. In a systematic analysis of possible kinematics, the distribution of the required degrees of freedom on separate handling systems for components and circuit carriers was determined as the option that ensures the best fulfillment of the conflicting goals, taking all boundary conditions into account. The subsequent optimization of this basic concept led to a solution that enables a three-axis manipulation of the circuit carriers in the work area and realizes the joining movement of the surface-mountable components with two, independent, assembly tools. Extensive experimental analyzes were carried out to determine the application potential of available assembly and robot systems. The forecast of the kinematic analysis was confirmed that only suboptimal solutions, each with specific strengths, can be realized. Based on these findings, approaches for modular expansion of hardware and software of existing automatic placement machines were shown and experimentally verified. The implemented system offers a cost-effective way to assemble spatial assemblies of medium geometric complexity. In order to expand the still existing limits, an assembly system for spatial assemblies based on the concept mentioned above was developed using engineering methods. The prototype test cell can be used to assemble modules with a wall height of up to 150 mm with any inclined process area, even with limited length of the joining standards, with high volume output and precision. For this purpose, the process surfaces of the circuit carriers are pivoted into the horizontal using a handling device consisting of two gimbal-mounted frames and positioned at the optimum assembly height via an integrated lifting axis. The two independent assembly tools work alternately to largely eliminate the process-related idle times for picking up, centering and testing the electronic components. One of the assembly heads is designed as a four-axis precision tool to provide the option of precisely assembling even multi-pole components. The other has additional degrees of freedom in order to also be able to equip circuit carriers with a limited length of the joining standards. The assembly is coordinated by a controller with three processors and integrated collision avoidance and can be conveniently programmed using a CAD / CAM process chain with standardized interfaces. The kinematics developed was adapted to use in a system for the sequential application of connecting media in spatial assemblies, taking into account the process-specific boundary conditions, and their possible application in an experimental cell was demonstrated experimentally. This creates the basis for further work on optimizing the connection technology in spatial assemblies. The complex interdependencies of the process-related parameters require a holistic optimization of the design of spatial assemblies. With the development of design guidelines under the special aspects of the process steps of paste application and assembly, a contribution was made to the conclusion of this work for an integrated approach to the systematic development of the functionally and cost-optimal design of spatial assemblies, which will be developed in a further work

Ein neues Konzept für das bedarfsgerechte Informations- und Wissensmanagement in Unternehmenskooperationen der Multimaterial-Mikrosystemtechnik

In der Arbeit wird ein Konzept zur Kooperation mittelständischer Unternehmen der Mikrosystemtechnik vorgestellt, das neben der zeitlichen Entwicklung der Kooperationsintensität auch ein zeitabhängiges, die Kooperations-Kernprozesse unterstützendes Informations- und Wissensmanagement adressiert. Die Arbeit identifiziert drei Entwicklungsphasen, insbesondere unter dem Aspekt der verteilten Produktentwicklung. Für die Kooperationsprozesse werden bedarfsgerechte Softwarewerkzeuge vorgestellt

Entwicklungsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf von Mikrokomponenten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Konstruktionsumgebung für den rechnerunterstützten Entwurf mikromechanischer Komponenten auf der Grundlage des naßchemischen, anisotropen Tiefenätzens von monokristallinem Silizium entwickelt. Die Inhalte spannen einen Bogen vom Stand der Konstruktionsmethodik mikrotechnischer Systeme über die Konzeption und Implementierung einer neuen Entwurfssystematik bis hin zu deren Einsatz im Entwurf einer komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur. Das Konzept der Umgebung trägt der Tatsache Rechnung, daß bislang kaum standardisierte mikrotechnische Bauteile am Markt verfügbar sind und sich daher primär die Aufgabe einer Neukonstruktion und Charakterisierung seiner Funktionskomponenten stellt. Die Komplexität und Heterogenität mikrotechnischer Bauelemente verhinderte bislang die einheitliche und überschaubare Integration einer rechnerunterstützten Entwicklung mikrotechnischer Komponenten und Systeme. Dem Funktionskonzept des mikrotechnischen Bauteils steht zudem vielfach ein restriktiver Einfluß der Fertigungstechnologie auf den Gestaltungsraum gegenüber. Die derzeit praktizierte, analytische Entwurfsmethodik, ausgehend vom Layout einer zweidimensionalen Maske auf die dreidimensionale (3D) Mikrostruktur zu schließen, ist daher schwierig und fehlerträchtig. Im Fall des anisotropen Ätzens gilt dieses insbesondere für komplexe Strukturen, deren Form nicht direkt aus dem Si-Kristall abgeleitet werden kann. In der Entwurfspraxis führt dies häufig zu einer Einengung des theoretisch nutzbaren Gestaltungsraums. Vor diesem Hintergrund realisiert die Konstruktionsumgebung folgende Zielsetzungen: - anwendergerechte Abbildung und Steuerung des Entwurfsablaufs anisotrop geätzter Mikrostrukturen und Dekomposition der Entwurfsaufgabe im Rahmen eines einheitlichen Integrationskonzepts der vorhandenen Entwurfswerkzeuge sowie Unterstützung einer kooperativen Aufgabenbearbeitung der Entwurfsaufgabe auf der Basis eines Workflow-Managementsystems. Das workflowbasierte Organisationskonzept der Umgebung unterstützt die einheitliche Integration weiterer domänenspezifischer Konstruktionsabläufe. - Verbesserung der Gestaltungsmethodik mikromechanischer Funktionskomponenten und Erweiterung des technologischen Anwendungsspektrums der anisotropen Ätztechnik durch die teilweise Umkehrung des klassischen Entwurfs-Grundformalismus. Grundlage ist die Entwicklung eines neuenWerkzeugs zur automatisierten Synthese lithographischer Maskenlayouts aus der 3DKomponentenbeschreibung (Layoutsynthese) auf der Basis genetischer Algorithmen. Die Layoutsynthese nutzt hierzu einen in die Konstruktionsumgebung integrierten Ätzsimulator. Das Programmsystem ist langfristig auf die Angliederung weiterer, lithographieorientierter Prozeßsimulationen ausgelegt. - Implementierung eines durchgängigen Informationsflusses im Entwurfsprozeß, ausgehend von der funktionalen Konzeption bis hin zur strukturellen Verifikation des Bauteils. Die Realisierung erfolgt im wesentlichen durch die Entwicklung einer Transformation der Ätzsimulationsergebnisse in ein Geometriemodell der Finite-Elemente-Methode auf der Grundlage rekursiver Octree- Datenstrukturen. Der Ansatz schließt die Lücke in der von der Entwurfssystematik unterstützten Wechselbeziehung einer zugleich technologie- und strukturorientierten Gestaltentwicklung mikromechanischer Funktionselemente. Zur Demonstration der Effektivität der Konstruktionsumgebung wird anhand des Entwurfs eines aus Sicht der Prozeßtechnik komplexen mikromechanischen Funktionsstruktur der Nutzen der Entwurfsmethodik und seiner Implementierung im Rahmen der vorliegenden Konstruktionsumgebung nachgewiesen. Die simulatorischen und technologischen Ergebnisse des Beispiels verdeutlichen insbesondere die erweiterten Gestaltungsmöglichkeiten anisotrop geätzter Mikrostrukturen

Variantenmanagement in der Modellbildung und Simulation unter Verwendung des SES/MB Frameworks

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung von allgemeinen Methoden zum Variantenmanagement in der Modellbildung und Simulation bis auf die Ebene der Simulationsexperimente und zur automatisierten Ausführung von Simulationsexperimenten. Der Lösungsvorschlag basiert auf der modular-hierarchischen Modellbildung und dem System Entity Structure/Model Base Framework. Das Variantenmanagement umfasst die Phasen Variantenanalyse, -formalisierung, -implementierung und –generierung. Weiterhin wird ein Konzeptrahmen zum automatisierten Experimentieren erarbeitet.This thesis contributes to the development of general methods for variant management in modelling and simulation up to the simulation experiments’ level and their automated execution. The proposed solution is developed based on the modular-hierarchical modeling approach and the System Entity Structure/Model Base Framework. The variant management comprises the phases variant analysis, variant formalization, variant implementation and variant generation. Moreover, a framework for automated experimentation is proposed