Modellierung, Simulation und Steuerung flexibler Fertigungssysteme

Die diesem Beitrag zugrundeliegenden Arbeiten haben das Ziel, Methoden zur Beschreibung und Simulation von diskreten ereignisorientierten dynamischen Prozessen (DEDP) am Beispiel Flexibler Fertigungssysteme (FFS) zu entwickeln und zu erproben, sowie eine Optimierung des Fertigungsablaufs im Sinne einer Regelung vorzunehmen. Dazu wird eine hierarchische Systemstruktur aufgebaut, in der die Methode der Petrinetze (PN), ergänzt durch wissensbasierte Komponenten, zu einem effizienten integrierten Gesamtsystem führen. Konkret wird eine aus einem Verbund von sechs Bearbeitungsmaschinen bestehende Fertigungsanlage betrachtet, die durch zeitbewertete Petrinetze in zwei Abstraktionsebenen modelliert wird. Die einzelnen Bearbeitungsmaschinen der oberen Modellierungsebene liegen als PN-Module vor und werden auf der unteren Ebene jeweils als detailliertes, ebenfalls modulares PN-Maschinenmodell dargestellt, wobei hier als repräsentative technische Grundlage für den PN-Modellentwurf die Fertigungszelle MD 5 der Firma Gildemeister gewählt wurde. Diese beiden Abstraktionen bilden zusammen das dynamische ereignisdiskrete ProzeßmodeIl (DEDP-Modell) "Petrinetz", das in dem klassischen Ebenenmodell der Fertigungssteuerung nach Bild 1 der Maschinenebene entspricht. Die über der Maschinenebene liegende Steuerungsebene, sowie die darüber liegende PPS-Ebene (PPS: Produktionsplanung und -Steuerung) werden in dem äquivalenten Ebenenmodell - wie es hier Gegenstand der Betrachtung ist - zusammen als DEDP-Ebene "Planung und Steuerung" verstanden (Bild 1). Dabei erfolgt die Steuerung des Fertigungsablaufs in der realisierten PN-Modellstruktur des FFS über einen wissensbasierten Ansatz auf Basis der XPS-Entwicklungsumgebung "Goldworks" unter Einbeziehung deterministischer und heuristischer Optimierungsstrategien. Simulationsuntersuchungen des Fertigungsablaufs gestatten vertieften Einblick in das Systemverhalten und ermöglichen einen Vergleich der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Strategien zur Fertigungssteuerung

Entwicklung eines wissensbasierten Systems zur wirtschaftlichen und ökologischen Bewertung der Minimalmengenschmierung bei der Planung flexibler Fertigungssysteme

Mit steigender Relevanz ökologischer Nachhaltigkeit erfahren ressourceneffiziente Produkte und Prozesse eine stetig steigende Nachfrage. Der Bereich der Metallbearbeitung bietet zahlreiche Ansätze zur Hebung von Effizienzpotenzialen. In diesem Kontext gewinnt die bereits seit Mitte der Neunzigerjahre erforschte Minimalmengenschmierung zunehmend an Bedeutung. Manager und Fabrikplaner stehen der vergleichsweise neuen Technologie allerdings skeptisch gegenüber – zu unberechenbar sind die fallspezifische Umsetzbarkeit sowie ihre ökologischen und monetären Vorteile angesichts der derzeitigen Faktenlage. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Problemstellung aufgegriffen. Am Beispiel der spanenden Fertigung in der Automobilindustrie wurde eine Methode entwickelt, um den Einsatz der Minimalmengenschmierung ökologisch und wirtschaftlich zu bewerten und seine Umsetzbarkeit zu beurteilen

Strukturen und Werkzeuge für eine durch das Anlagenpersonal modifizierbare und ergänzbare Petrinetzanlagensteuerung

Die Zielsetzung dieser Arbeit ist ein System, das den Rückgriff auf den Systementwickler für den Nutzer einer Fertigungsanlage auch bei Produktänderungen, Maschinenveränderungen und neu einzufügender automatischer Fehlerhandhabung möglichst weitgehend überflüssig macht. Das System soll auf die in der Praxis vorkommenden Fertigungsstrukturen anwendbar sein. Dazu gehören Fertigungsanjagen mit bzw. ohne Routing-Flexibilität, mit über beschränkte Puffer oder unmittelbar zwischen Maschinen realisiertem Werkstücktransport, mit mehreren Auftragstypen bzw. Produkt-Varianten, mit Montage- bzw. Demontageaktivitäten sowie mit fehlerbehafteten Abläufen. Aus der Anforderung der Umsetzung einfacher Spezifikationen in Petrinetze folgt die Zielsetzung der Abbildung des Wissens eines Petrinetzexperten in die Form eines (wissensbasierten) Programmes. Die grundsätzliche Realisierbarkeit eines solchen Programmes erscheint deshalb plausibel, weil ein Petrinetzexperte bei der Generierung eines Petrinetzes aus Spezifikationen der Fertigungsfachleute nach bestimmten Generierungsregeln vorgeht. Die Schwierigkeit ist, daß die von einem Petrinetzfachmann „benutzten“ Regeln und sonstigen Modelle zunächst nur implizit als Expertenwissen vorhanden sind. Eine Umsetzung in ein Programm erfordert die Ermittlung der Regeln in expliziter Form und eine Modellierung des nicht-regelbasierten deskriptiven Wissens sowie eine Strukturierung dieses Wissens sowie der Petrinetzmodellierung. D.h. zunächst muß gefragt werden, wie wir als Petrinetzexperten aus einer Spezifikation eines Facharbeiters oder Betriebsingenieurs ein Petrinetz generieren. Die Ergebnisse der hierzu durchgeführten Untersuchungen und das daraus entwickelte und implementierte Programmsystem sind Gegenstand von Kapitel 2, ebenso wie ein exemplarischer Fertigungsprozeß, eine Softwareduplizierzelle (Testzelle), die zur Verifizierung der Ansätze und zur Illustration der Einzelschritte in dieser Arbeit dient. Das in Kapitel 2 dargestellte Programmsystem generiert übersichtliche Petrinetze basierend auf einer Aufspaltung in eine vom Systemingenieur zu implementierende Anlagenbeschreibung und eine vom Facharbeiter vorgebbare Anlagennutzung. Es werden die auf der Ebene der Anlagenbeschreibung und der Ebene der Petrinetz-Anlagensteuerung notwendigen Informationen und geeigneten Basis-Strukturen erläutert. Darüberhinaus wird zur verbesserten Strukturierung und Steigerung der Übersichtlichkeit der Petrinetz-Anlagensteuerung in Kapitel 3 ein neu entwickeltes Verfahren zur automatischen Bildung hierarchischer Petrinetze erläutert. Scheduling-Algorithmen und Verklemmungsbehebungsverfahren für die generierten Petrinetze werden anschließend in Kapitel 4 beschrieben. Hier werden lokale Suchverfahren erläutert und mit einigen heuristischen Prioritätsregeln verglichen, die optimierte Schaltfolgen zur Überführung eines Petrinetzes von einer Anfangs- in eine Zielmarkierung ermitteln. Das in dieser Arbeit gewählte Optimierungskriterium ist der Makespan. Als Basis dienen Petrinetzmodelle, die für das Scheduling durch das Petrinetzgenerierungssystem ebenfalls automatisch erzeugt werden und sich von den Petrinetzen zur Steuerung im wesentlichen dadurch unterscheiden, daß die den Fertigungs- und Transportoperationen zugeordneten Ausführungszeiten im Petrinetz modelliert und somit die Rückmeldungen der unterlagerten Ebenen an die Petrinetzsteuerung (z.B. „Operation fertig“) durch die Zeitbewertungen ersetzt werden. Kapitel 5 faßt die Arbeit zusammen und bewertet die Ergebnisse

Bildung eines vernetzten Logistik- und Simulationszentrums

Das Forschungsvorhaben "Bildung eines vernetzten Logistik- und Simulationszentrums" (DFG-gefördertes Innovationskolleg) wurde an der TU Chemnitz von 1996-2000 erfolgreich bearbeitet. Erklärtes Ziel war der Aufbau eines Kompetenz- und Dienstleistungszentrums für Logistik und Simulation zur Realisierung eines an den Erfordernissen von KMU ausgerichteten, ganzheitlich integrierten und um die Einbeziehung von Humanpotentialen erweiterten Planungs-, Produktions- und Steuerungsansatzes. In den Teilprojekten: - Integriertes vernetztes Datenmanagement (Prof. Förster) - Simulationsgestützte integrierte Fabrikplanung (Prof. Wirth) - Simulationsgestützte integrierte Steuerung des Fabrikbetriebes (Prof. Petermann, Prof. Stanek) - Humanpotentialintegrierte Fabrikplanung und -steuerung (Prof. Enderlein) - Integration von Simulationssystemen zur Fabrikplanung und -steuerung (Prof. Köchel) wurden die Zielsetzungen 1. Aufbau und prototypische Realisierung eines Planungs-, Steuerungs- und Simulationssoftwarepools als Kern des Kompetenzzentrums 2. Auskopplung und Integration von Softwaresystemen und -komponenten zu Low-cost-Lösungen für typische Planungs- und Betreiberaufgaben bearbeitet und erfolgreich realisiert

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

Analyse und Optimierung von Montagesystemen in der Elektronikproduktion

Im Rahmen dieser Dissertation werden ausgehend von Bauelemente- und Schaltungsträgertechnologien der Maschinenaufbau, die Steuerung und vor allem die Störeinflüsse auf die Maschinenfähigkeit von Bestückungssystemen in einem ganzheitlichen Ansatz systematisch untersucht. Die dabei gewonnenen Ergebnisse leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung und Sicherung der Maschinenleistung von Bestückungssystemen unter Berücksichtigung technologischer Randbedingungen, um eine wirtschaftlichere Verarbeitung innovativer Bauelementformen zu ermöglichen.In the context of this dissertation, the machine structure, the control and, above all, the interferences with the machine capability of assembly systems are systematically examined in a holistic approach based on component and circuit carrier technologies. The results obtained contribute to the further development and safeguarding of the machine performance of assembly systems, taking technological boundary conditions into account, in order to enable more economical processing of innovative component shapes