Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik W1332

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1 Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik W1332
Vorlesung Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik W1332 llllllllllllllllllll Fakultät für Wirtschaftswissenschaften W. Dangelmaier

2 Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik - Inhalt
Einführung: Worum geht es hier? System Modell Modellierung von Gegenständen Strukturmodelle (Gebildestruktur) Verhaltensmodelle (Prozessstruktur) Produktion Digitale Fabrik Planung von Produktionssystemen Wirtschaftlichkeitsrechnung Prüfungen

3 7. Produktion Produktion
Umwandlungsprozess (Transformation), durch den Güter oder Dienstleistungen (Output) aus Einsatzgütern (Input) entstehen. Fertigung umfasst alle technischen Maßnahmen zur Herstellung von Erzeugnissen. Sie ist ein diskontinuierlicher Prozess. Man unterteilt Teilefertigung und Montage. Fertigungssystem / Produktionssystem technisch selbstständige Allokation von Potentialfaktoren zur Produktion. Sie besteht aus Arbeitssystemen. Arbeitssystem Kleinste Einheit einer Kombination aus Potentialfaktoren; mind. eine Klasse von Transformationen. Fertigungsprozess Zeitliche Folge von Einzelprozessen, die eine Umwandlung bzw. Umformung realer Gegebenheiten (Stoff, Energie, Information), oder eine Veränderung ihrer Koordinaten (Transport, Lagerung) bewirken.

4 7. Produktion Hilfstechniken Fördertechnik Messtechnik
Fertigungstechnik … befasst sich mit der Herstellung geometrisch bestimmter fester Körper aus verschiedenartigen Grundstoffen durch schrittweise Veränderung der Form oder Stoffeigenschaften. Urformen (Giessen, Sintern, Galvanoformung) Fertigen eines festen Körpers aus formlosen Stoff durch Schaffen von Zusammenhalt. Umformen (Stauchen, Ziehen) Erzeugen eines Teils durch Ändern der Form. Masse und Zusammenhalt werden erhalten.

5 7. Produktion Trennen (Drehen, Bohren, Fräsen) Aufhebung oder Verminderung des örtlichen Zusammenhaltes. Beschichten (Galvanisieren) Aufbringen einer haftenden Schicht aus formlosen Stoff. Stoffeigenschaft ändern (Härten, Nitrieren) Fertigen durch Umlagern, Aussondern oder Einbringen von Stoffteilen. Fügen (Kleben, Schweißen, Schrauben) Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken

6 7. Produktion Produkt vom Betrieb angebotene Leistung (Güter / Dienstleistung), die geeignet ist, konkrete Bedürfnisse eines Kunden nutzbringend zu befriedigen Erzeugnis in sich geschlossener, aus Gruppen und / oder Teilen bestehender, funktionsfähiger Gegenstand als Endergebnis der Fertigung Dienstleistung immaterielle Leistung eines Unternehmens

7 7. Produktion Werkstoffe Rohstoffe, Hilfsstoffe, usw.
Betriebsmittel Maschinen, Werkzeuge, Gebäude, Grundstücke, usw. Arbeitskräfte Betriebsleitung, Organisation, Planung, objektbezogene Arbeit Elementarfaktoren = Betriebsmittel + Werkstoffe Potentialfaktoren = Betriebsmittel + Arbeitskräfte (Gebrauchsfaktoren) Rohstoff Ausgangsmaterial, aus dem ein Teil entsteht. Teil nicht zerlegbare Gegenstände Gruppe in sich geschlossene, aus 2 oder mehr Teilen und / oder Gruppen (niederer Ordnung) bestehende Gegenstände Material Sammelbegriff für Rohstoffe, Teile, Gruppen, Werkstoffe, usw., die zur Fertigung erforderlich sind

8 objekt- bezogene Arbeit
7. Produktion Menschliche Arbeit Betriebsmittel Werkstoffe Geschäfts- und Betriebs-leitung Planung Organi-sation objekt- bezogene Arbeit Maschinen, Werkzeuge, Gebäude, Grundstücke u. a. Betriebs-stoffe Roh-, Hilfsstoffe u. a. Dispositive Faktoren Elementarfaktoren originärer Faktor derivative Faktoren Gebrauchsfaktoren Verbrauchsfaktoren Produktionsfaktoren

9 7. Produktion Fertigung von Fahrrädern
Gegeben: Rahmenfertigung, Gabelfertigung, Räderfertigung, Lackiererei, Montage, Zukauf aller Anbauteile Aufgabe: Nennen Sie: Produktionsfaktoren Materialien Produktion Fertigungsprozess Arbeitssysteme Fertigungstechniken Hilfstechniken Produkte Dienstleistungen

10 7. Produktion Produktionsaufgaben
Entwicklung & Konstruktion verantwortlich für sämtliche Aufgaben im Bereich der Produktentwicklung Arbeits- & Fertigungsplanung alle einmalig auftretenden Planungsmaßnahmen der Produktion bzw. Fertigung Qualitätswesen Sicherstellung der Qualitätsanforderungen an das eigene Produkt Produktionsplanung & -steuerung Planung, Steuerung und Überwachung der Produktionsabläufe und / oder eines Produktionsprogramms (Computerunterstützte) Fertigung

11 7. Produktion Beispiel Konstruktion
Planen (Außensicht è Verhalten) Festlegen des Entwicklungsauftrages Klären der Aufgabenstellung, Anforderungsliste Konzipieren (Zerlege Problem è Struktur) Suche nach Lösungsprinzipien Kombination zu einem Baustein Bewertung und Auswahl Entwerfen (Objektzusammenhang è Funktion) Maßstäblicher Entwurf, Optimierung Ausarbeiten (Details) Gestalten Einzelteile, Ausarbeiten Zeichnungen, Stückliste, Prototyp

12 7. Produktion Technische Unterstützung: CAD (Computer Aided Design)
Rechnerunterstützte Entwicklung und Konstruktion von Bauteilen und Baugruppen, unter Einschluss technischer Berechnungen & Bewegungssimulation von Objekten Aufgaben: Erarbeitung Gestaltung und Funktion eines Produktes Bereitstellen der notwendigen Unterlagen für Fertigung und Montage äußere Beschreibung / Objektbeschreibung / Strukturmodell / Verhaltensmodell Quelle: Wikimedia Commons

13 7. Produktion Technische Unterstützung: CAE (Computer Aided Engineering) Alle Rechnerunterstützten Ingenieursaufgaben während der Entwicklung eines Produktes Aufgaben: Berechnung und Auslegung eines Elementes, Bauteils oder der gesamten Maschine Simulation und Überprüfung des zugehörigen physikalischen Vorgangs  innere Struktur / Funktionsmodell Anwendungen: Statische und dynamische Festigkeitsberechnungen, Strukturanalyse Simulation kinematischer Systeme Prozess- und Verfahrensmodelle zur Simulation des Fertigungsprozesses Quellen: &

14 7. Produktion Arbeitsplanung
… Endziel der Arbeitsplanung ist die Ausarbeitung eines Arbeitsplanes, der die Umwandlung eines Werkstücks vom Rohzustand in den Endzustand vollständig beschreibt. Er beschreibt ebenfalls alle benötigten Arbeitsvorgänge, und ordnet jeweils die benötigten Produktionsfaktoren zu, gibt Vorgabezeiten und Lohngruppen an… Fertigungsplanung Alle einmalig zu treffenden Maßnahmen bezüglich der Gestaltung eines Fertigungssystems und dessen Fertigungsprozesse Aufgaben der Arbeitsplanung Arbeitsablaufplanung Arbeitsstättenplanung Arbeitsmittelplanung Arbeitszeitplanung Bedarfsplanung je Einheit Arbeitsfristenplanung Arbeitskostenplanung

15 7. Produktion Beispiel Arbeitsablaufplanung: Ermittlung der Losgröße
Die Losgrößenoptimierung (Fertigungs- und/oder Transportlose) betrachtet auf der Basis eines gegebenen Güterflusses aus einem Lager den Fluss in das Lager gemeinsam mit der Bestandshöhe im Lager. Die Andlersche Losgrößenformel Q = Q gesuchte Bestellmenge JB Jahresbedarf kp konstant angenommener Stückpreis kl Lagerhaltungskostenfaktor in Prozent des Stückpreises, bezogen auf den durchschnittlichen Lagerbestand kb Kosten pro Bestellung

16 7. Produktion basiert auf einer Vielzahl von Voraussetzungen:
Der Jahresbedarf ist deterministisch; er tritt in konstanten Raten auf. Die Beschaffung erfolgt dann, wenn der Lagerbestand die Größe Null erreicht hat. Die Beschaffungszeit ist Null. Fehlmengen treten nicht auf. Die Bestellmenge ist unbegrenzt, aber einmal als optimal bestimmt, ist sie als konstant anzusehen. Der Lagerhaltungskostenfaktor ist konstant. Die fixen und variablen Beschaffungskosten und der Stückpreis sind konstant. Damit setzt die Andler-Formel den Beschaffungsfall voraus. Die Erweiterungen für die Fertigung berücksichtigen Fertigungs- und Verbrauchsgeschwindigkeiten und den Sachverhalt, dass auf einer Maschine mehrere Teile hergestellt werden müssen.

17 7. Produktion Gegeben sind: JB = 20 000 ME kp = 12,00 GE/ME
kb = 24,00 GE/Bestellung kl = 20 % X0 =

18 7. Produktion Qualität ist kein Zustand, der nur bei der Übergabe an den Kunden gültig ist, sondern über dessen gesamte Lebensdauer. Deshalb ist das Qualitätswesen von der Entwicklung bis zum Austausch mit den Kunden einzubinden. Qualitätswesen Aufgabe ist es, die Qualitätsanforderungen an die eigenen Produkte sicherzustellen. Unterteilung in drei Bereiche Planung Auswahl, Klassifizierung und Gewichtung der Qualitätsmerkmale, Festlegung erreichbarer und zulässiger Werte im Hinblick auf zweckgebundene Erfordernisse Lenkung Überprüfung, Aufbau und Weiterentwicklung des Qualitätssicherungssystems, Auswertung Messdaten sowie Korrekturen im Produktionsprozess Prüfung Aufstellen Prüfpläne und Durchführen der Prüfungen, Feststellen, ob Einheiten Anforderungen genügen

19 7. Produktion Konstruktion, Arbeitsplanung und Qualitätswesen betrachten jeweils nur einen Zeitraum und die Stückzahl „1“, aber keine Termine und Mengen. Deren Festlegung unter Berücksichtigung der Zielgrößen ist Aufgabe der Produktionsplanung und Produktionssteuerung Folgende 5 Teilaufgaben werden unterschieden: Produktionsprogrammplanung Festlegung des Programms an Erzeugnisse nach Art, Menge, Termin unter Berücksichtigung der Kapazitäten Mengenplanung Mengen- und termingerechte Materialbereitstellung für die Fertigung Termin- und Kapazitätsplanung Alle Funktionen, mit deren Hilfe eine termin- und kapazitätsgerechte Einplanung des Fertigungsprogramms durchgeführt werden kann Auftragsveranlassung Alle Maßnahmen zur planungsgerechten Einsteuerung der Werkstattaufträge, bei Fremdbezug auch die Bestellaufträge an Zulieferer Auftragsüberwachung Überwachung der sich in Bearbeitung befindlichen Aufträge hinsichtlich des Fortschritts, sowie Sicherung der Aufgabendurchführung

20 7. Produktion Ausgangsdaten für ein Produktionsproblem Maschinenart
Bohrmaschinen Drehmaschinen Deckungsbeitrag B1 B2 B3 D1 D2 D3 D4 Max. Kapazität 360 1085 713 1941 1160 2325 2217 Erzeugnis E1 Mindest-menge 173 Fertigungs-prozess I 7 21 II 12 20 III 15 18 Erzeugnis E2 49 IV 4 5 3 66 V 2 9 65 VI 10 62 VII 47 VIII 45

21 7. Produktion Ausgangsdaten für ein Produktionsproblem (Fortsetzung)
Erzeugnis E3 Mindest-menge 220 Fertigungs-prozess IX 2 7 85 X 3 8 101 XI 4 119 Erzeugnis E4 100 XII 5 77 XIII 88 Erzeugnis E5 73 Fertigungs- Prozess XIV 93

22 7. Produktion Gesucht sind die Stückzahlen x1, ..., x14 für jeden Produktionsprozess I, ..., XIV. Dazu ist die lineare Zielfunktion 21 x x x x x x x x x x x x x x14 -> max.! unter den Randbedingungen B1: 4 x4 + 2 x9 + 3 x12  360 B2: 2 x5 + 2 x6 + 3 x x13  1085 B3: 3 x7 + 3 x8 + 4 x x14  713 D1: 7 x1 + 5 x4 + 7 x9 + 8 x x11  1941 D2: 12 x2 + 9 x5 + 9 x7 + 3 x12  1160 D3: 15 x x x8 + 4 x x14 2325 D4: 3 x4 + 7 x9 + 8 x x x x13  2217 E1: x1 + x2 + x3  173 E2: x4 + x5 + x6 + x7 + x8  49 E3: x9 + x10 + x11  220 E4: x12 + x13  100 E5: x14  73 zu lösen.

23 7. Produktion Computerunterstützte Fertigungssysteme
… bestehen aus Werkzeug- und Handhabungsmaschinen, bei denen Computer Wege- und Schaltinformationen übertragen und über Anweisungen entsprechende Bewegungs- und Schaltfunktionen auslösen… … Die Steuerung erfolgt über das NC-Programm, einen Arbeitsplan und Anweisungsübertrager… … Zur Steuerung werden Wegeinformationen, technologische Informationen Korrekturwerte und Informationen über Maschinenfunktionen benötigt… CAM (Computer Aided Manufacturing) … beinhaltet die EDV-Unterstützung zur technischen Steuerung und Überwachung der Betriebsmittel im Fertigungs- und Montageprozess

24 7. Produktion NC-Programme NC-Programme beschreiben den Ablauf der Bearbeitung einer Maschine, also die exakte Ausführung eines Arbeitsvorgangs. Die geometrischen Maße der Werkzeuge werden zu Koordinaten der Werkzeugwege in Beziehung gesetzt. Ein NC-Programm ist nach Sätzen aufgebaut, die nach und nach von der Maschine abgebaut werden. Programme unterscheiden Befehle zu Wegeinformationen (G-Funktionen) und Befehle für Hilfs- und Schaltinformationen (M-Funktionen).

25 7. Produktion NC-Programme G- und M-Funktionen:

26 7. Produktion Beispiel NC-Programm
Prog. Nr. … Blatt ... von … Zeichnungs-Nr. ……… Benennung: ………………. N G X Y Z I J K F S T D M Bemerkung 1 900 80 2 200 500 4 3 Schaftfr .  20 -10 98 -18 5 116 6 -36 7 120 8 -40 9 10 70 11 12 185 55 13 85 14 215 15 16 170 45 17 95 18 230 42 19 157

27 7. Produktion Beispiel NC-Programm
Prog. Nr. … Blatt ... von … Zeichnungs-Nr. ……… Benennung: ………………. N G X Y Z I J K F S T D M Bemerkung 20 1 200 98 21 243 42 22 245 40 23 100 24 155 25 26 5 27 30

28 7. Produktion NC-Programme Beispiel: Das Ergebnis

29 7. Produktion NC-Betrieb (Numerical Control)
Eine NC-Maschine arbeitet ein über einen Datenträger eingegebenes NC-Programm satzweise und beliebig oft ab. CNC-Betrieb (Computerized Numerical Control) Eine CNC-Maschine verwendet einen Mikrocomputer, der mehrere Programme speichern kann, die beliebig abgerufen werden können. Außerdem Zusatzfunktionen wie Diagnose der Maschine, Programmerstellung und Korrektur direkt an der Maschine. DNC-Betrieb (Direct Numerical Control) Beim DNC-Betrieb werden mehrere NC- oder CNC-Maschinen zur Bearbeitung einer Teile zusammen gefasst. Die NC-Programme werden zentral verwaltet und über den DNC-Rechner zur Auftragsbearbeitung zugeteilt.

30 7. Produktion Bearbeitungszentrum
Ein Bearbeitungszentrum ist eine mehrachsige NC-gesteuerte Maschine, die mehrere Fertigungsverfahren ausführen kann. Fertigungsplatz Ein Fertigungsplatz besteht aus der Bearbeitungseinrichtung, einem Eingangs- und Ausgangsspeicher, sowie einer Fördereinrichtung

31 7. Produktion Flexible Fertigungszelle
… ist eine gesteuerte Maschine, die durch entsprechende Zusatzeinrichtungen in die Lage versetzt wurde, eine begrenzte Zeit bedienerlos zu arbeiten. Zusatzeinrichtungen Werkstückspeicher und Werkstückwechseleinrichtung Werkzeugüberwachung Bearbeitungskontrolle Qualitätskontrolle

32 7. Produktion Flexibles Fertigungssystem
… umfasst eine Reihe von Fertigungseinrichtungen, die über ein gemeinsames Steuerungs- und Fördersystem so miteinander verknüpft sind, das einerseits eine automatische Fertigung stattfinden kann, andererseits unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben durchgeführt werden können… Kennzeichen: Zusammenfassung mehrerer, unabhängiger NC-Maschinen Komplettbearbeitung Automatisches Fördern zwischen Stationen

33 7. Produktion Flexibles Fertigungssystem Hochregallager
Drehbare Spannplätze Fahrerloses Fördersystem Bearbeitungszentren Entgratroboter Waschmaschine Messmaschine Paletten-Speicherplätze Werkzeuglager Leitstand mit Leitrechner

34 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Fertigungsaufgabe: Eine Fertigungsaufgabe besteht in der zu überwindenden Differenz zwischen dem gegebenen Anfangszustand des Rohstoffs bzw. Rohteils und der gedanklich vorweggenommenen, geometrisch definierten Gestalt des Fertigteils. Fertigungssystem (Def. I): Ein Fertigungssystem ist eine Menge von technischen Einrichtungen und zugleich die Menge der zwischen diesen technischen Einrichtungen bestehenden Relationen, die insgesamt eine Fertigungsaufgabe bzw. einen Bereich miteinander verwandter Fertigungsaufgaben zu bewältigen in der Lage sind.

35 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Funktion eines Fertigungssystems: Die Funktion eines Fertigungssystems besteht darin, einen Material- und ein Informationsfluss mit Hilfe des Energieflusses derart zu transformieren, dass der Informationsfluss dem Materialfluss aufgeprägt wird. Die Funktion des Fertigungssystems lässt sich folgendermaßen formulieren: ∆ 𝑉 𝑎 , 𝐼 𝑎 ∆𝑡 =𝑇 ∆ 𝑉 𝑒 ∆𝑡 , ∆ 𝐸 𝑒 ∆𝑡 , ∆ 𝐼 𝑒 ∆𝑡 Materialfluss Energiefluss Informationsfluss 1 2 3 1 = Materialinput, ∆ 𝑉 𝑒 ∆𝑡 2 = Energieinput, ∆ 𝐸 𝑒 ∆𝑡 3 = Informationsinput, ∆ 𝐼 𝑒 ∆𝑡 (technologische und Gestaltinformation) 4 = Material mit aufgeprägter Gestaltinformation, ∆ 𝑉 𝑎 ; 𝐼 𝑎 ∆𝑡 Fertigungssystem 4

36 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Fertigungssystem (Def. II): Ein Fertigungssystem ist eine Menge von technischen Einrichtungen und zugleich die Menge der zwischen diesen technischen Einrichtungen bestehenden Relationen, die als Ganze eine Fertigungsaufgabe bzw. einen Bereich von Fertigungsaufgaben zu bewältigen in der Lage ist, indem Material- und Informationsflüsse mit Hilfe von Energieflüssen derart transformiert werden, dass dem Material Information aufgeprägt wird. Fertigungssystem (Def. III): Flexibilität ist eine Systemeigenschaft, die einem Fertigungssystem dann zukommt, wenn es eine variable Struktur aufweist; eine variable Struktur liegt vor, wenn „Einzweck“- und „Mehrzweck“-Subsysteme unterschiedlichen Funktionsbereichs beliebig gegeneinander ausgetauscht werden können, so dass sich das Fertigungssystem sowohl durch Auswahl eines Satzes von Funktionswerten aus einem in der Struktur bereits angelegten Funktionsbereich – „a posteriori“ – als auch durch Veränderung der Struktur – „a priori“ – für ein breites Spektrum von Fertigungsaufgaben programmieren lässt.

37 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Subfunktionen der Subsysteme Wir gehen von zwei Annahmen aus: Es gibt ein Subsystem, in dem Material, Energie und Information unmittelbar miteinander verknüpft werden und dessen Output das gestaltete Material ist. Die Material-, Energie- und Informationsinputs des Fertigungssystems sind nicht so beschaffen, dass sie dem unter Punkt 1 genannten Subsystem unmittelbar und unverändert als Inputs zugeführt werden könnten. Zunächst ist also das Subsystem zu charakterisieren, das die eigentliche Bearbeitung des Materials übernimmt. Dann kann sukzessive abgeleitet werden, welche weiteren Subsysteme erforderlich sind, um Material, Energie und Information nach Art, Ort, Lage, Größe, Zeit etc. so zu beeinflussen, dass sie am bearbeitenden Subsystem im erforderlichen Zustand zur Verfügung stehen. Dabei nehmen wir für jede der aufscheinenden Subfunktionen jeweils nur ein Subsystem an.

38 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Arbeitssystem: Das Subsystem, in dem Material-, Energie- und Informationsflüsse unmittelbar zusammenlaufen, wird als Arbeitssystem bezeichnet. Im Arbeitssystem wir dem Material unter Einsatz von Energie Information aufgeprägt. Somit lässt sich die Subfunktion des Arbeitssystems im Prinzip verbal genauso beschreiben wie die Funktion des Fertigungssystems insgesamt. x11 x12 x13 x11 = Material vom Werkstückhandhabungssystem x12 = Bewegungsenergie vom Antriebssystem x13 = Gestaltinformation vom Bewegungssystem y11 = gestaltetes Material an Mess- und Prüfsystem Arbeitssystem 𝑔 1 = 𝑇 1 𝑥 1 1 y11

39 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Material muss dem Arbeitssystem zeit-, orts- und lagegerecht zugeführt werden, während diese strengen Bedingungen für den Materialinput des Fertigungssystems nicht unumgänglich gegeben sein müssen. Das Arbeitssystem verlangt für die Überwindung der Bearbeitungswiderstände in der Regel Bewegungsenergie definierter Kraft und Geschwindigkeit bzw. definierten Drehmomentes und definierter Drehzahl, während der Energieinput des Fertigungssystems im allgemeinen elektrische Energie aus einer zentralen Energieversorgung zur Verfügung stellen wird. Schließlich müssen dem Arbeitssystem die Gestaltinformationen als Positionen, Weglängen und Längenproportionen eingegeben werden, die ein unmittelbares „Abbild“ der erwünschten Gestaltkonturen am zu gestaltenden Werkstück sind. Damit ist die Subfunktion des Arbeitssystems 𝑦 1 = 𝑇 1 𝑥 1 keinesfalls mit der Funktion des Fertigungssystems insgesamt identisch. Vielmehr sind weitere Subfunktionen und die zugehörigen Subsysteme zu bestimmen, die im Zusammenwirken mit dem Arbeitssystem erst das Fertigungssystem als Ganzes ausmachen.

40 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Antriebssystem: Ein Subsystem, das einen Energiefluss entsprechend bestimmten, in der Regel technologischen Informationen so transformiert, dass am Output mechanische Energie mit definierten Kennwerten zur Verfügung steht, wird als Antriebssystem bezeichnet. Insbesondere liefert das Antriebssystem die Bewegungsenergie für das Arbeitssystem. Weitere Energie-Outputs führen zum Werkstückhandhabungs- und zum Bewegungssystem. Der Energie-Input kommt von der zentralen Energieversorgung. Die technologischen Informationen zur Steuerung des Energiefluses stammen aus einem Steuersystem. Damit lautet die Subfunktion des Antriebssystems 𝑦 2 = 𝑇 2 𝑥 2 . x21 x22 x21 = Energie von zentraler Energieversorgung (Energie-Input des Fertigungssystems) x22 = technologische Information vom Steuersystem y21 = Bewegungsenergie an Werkstückhandhabungssystem y22 = Bewegungsenergie an Arbeitssystem y23 = Bewegungsenergie an Bewegungssystem Antriebssystem 𝑦 2 = 𝑇 2 𝑥 2 2 y21 y22 y23

41 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Bewegungssystem: Ein Subsystem, das codierte Gestaltinformationen mit Hilfe eines Energieflusses in Positionen, Weglängen und Wegrelationen transformiert, wird als Bewegungssystem bezeichnet. Die Gestaltinformationen stammen aus dem Steuersystem, während der vom Antriebssystem kommende Energiefluss die erforderliche Bewegungsenergie liefert. Die im Bewegungssystem dargestellten Positionen, Wege und Geschwindigkeiten werden ans Arbeitssystem weitergegeben; gleichzeitig werden Informationen über die dargestellten Positionen und Wege ans Steuersystem zurückgemeldet. Die Subfunktion des Bewegungssystems lautet somit 𝑦 3 = 𝑇 3 𝑥 3 . x31 x32 x31 = Bewegungsenergie aus Antriebssystem x32 = Gestaltinformation aus Steuersystem y31 = Gestaltinformation an Arbeitssystem y32 = Positionsrückmeldung an Steuersystem Bewegungssystem 𝑦 3 = 𝑇 3 𝑥 3 3 y31 y32

42 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Steuerungssystem: Ein Subsystem, das die Arbeitsinformationen, die dem Fertigungssystem eingegeben werden, so transformiert und auf die anderen Subsysteme verteilt, dass durch deren Zusammenwirken die gewünschte Gesamtfunktion des Fertigungssystems zustande kommt, wird als Steuersystem bezeichnet. Inputs des Steuersystems sind eine Hilfsenergie-Zufuhr aus der zentralen Energieversorgung, der Informationsinput des Fertigungssystems, der als Output eines vom Fertigungssystem getrennten Programmierungssystems betrachtet werden kann, sowie informationelle Rückkopplungen vom Bewegungs- und vom Mess- und Prüfsystem. Die Outputs liefern die aufbereiteten Informationen an das Werkstückhandhabungs-, das Antriebs- und das Bewegungssystem. Die Subfunktion des Steuersystems lautet: 𝑦 4 = 𝑇 4 𝑥 4 .

43 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
x41 = Hilfsenergie aus zentraler Energieversorgung (Energie-Input des Fertigungssystems) x42 = technologische und Gestaltinformation aus Programmiersystem (Informationsinput des Fertigungssystems) x43 = rückgekoppelte Information aus Mess- und Prüfsystem x44 = Positionsrückmeldung vom Bewegungssystem y41 = Positions- und Lageinformation an Werkstückhandhabungssystem y42 = technologische Information an Antriebssystem y43 = Gestaltinformation an Bewegungssystem x41 x42 x43 x44 Steuersystem 𝑦 4 = 𝑇 4 𝑥 4 4 y41 y42 y43

44 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Werkstückhandhabungssystem: Ein Subsystem, das den Materialfluss innerhalb des Fertigungssystems unter Einsatz von Hilfsenergie entsprechend bestimmten Positions- und Lageinformationen beeinflusst, wird als Werkstückhandhabungssystem bezeichnet. Der Materialinput des Subsystems ist gleich dem Materialinput des Fertigungssystems. Material wird an das Arbeitssystem übergeben, nach der Bearbeitung über das Mess- und Prüfsystem wieder zum Werkstückhandhabungssystem zurückgegeben und von dort aus dem Fertigungssystem hinausgeleitet. Die Bewegungsenergie für die Materialbewegung kommt vom Antriebssystem, die Positions- und Lageinformationen stammen aus dem Steuersystem. Als Funktion des Werkstückhandhabungssystems erhalten wir: 𝑦 5 = 𝑇 5 𝑥 5 .

45 Werkstückhand-habungssystem
7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem x51 = Rohmaterial aus Umgebung (Material-Input des Fertigungssystems) x52 = Positions- und Lageinformation vom Steuersystem x53 = Bewegungsenergie vom Antriebssystem x54 = gestaltetes Material vom Meß- und Prüfsystem y51 = gestaltetes Material an Umgebung (Material- und Informations-Output des Fertigungssystems) y52 = Rohmaterial an Arbeitssytem x51 x52 x53 x54 Werkstückhand-habungssystem 𝑦 5 = 𝑇 5 𝑥 5 5 y51 y52 Das Werkstückhandhabungssystem ist ein Beispiel dafür, wie nützlich es ist, ein Subsystem im Hinblick auf seine Subfunktionen in Subsysteme vom Rang R-2 aufzulösen. Man stößt dann auf die Subfunktionen der Werkstückhandhabung, z. B. das Speichern, das Zuteilen, das Ein- und Ausgeben, das Positionieren etc.

46 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Mess- und Prüfsystem: Ein Subsystem, das Informationen, die einer materiellen oder energetischen Gegebenheit aufgeprägt sind, wiedergewinnt und weiterleitet, wird als Mess- und Prüfsystem bezeichnet. Mess- und Prüfsysteme sind in einem Fertigungssystem überall dort erforderlich, wo physikalische Größen überwacht bzw. geregelt werden sollen, so insbesondere auch beim Bewegungssystem und bei Einführung der sog. „adaptive control“, am Arbeitssystem. Die Funktion dieses Subsystems lautet: 𝑦 6 = 𝑇 6 𝑥 6 . x61 x61 = gestaltetes Material vom Arbeitssystem y61 = gestaltetes Material an Werkstückhandhabungssystem y62 = Mess- und Prüfinformation an Steuersystem Mess- und Prüfsystem 𝑦 6 = 𝑇 6 𝑥 6 6 y61 y62

47 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Weitere Subsysteme Funktionsüberwachungssysteme Hilfssysteme Wartungssysteme Umbausysteme (Werkzeugwechsel)

48 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Funktionale Verknüpfung der Subsysteme Das abgeleitete Strukturmodell stellt die Minimalstruktur eines Fertigungssystems dar. Erstens kommen in einem realen Fertigungssystem Subsysteme mehrfach vor, und zum anderen sind außer den dargestellten noch weitere Kopplungen denkbar. Dabei kommen vor allem informationelle Rückkopplungen vom Antriebs-, vom Arbeits- und vom Werkstückhandhabungssystem zum Steuersystem in Betracht.

49 7. Produktion x y 1 2 3 4 5 6 K16 K21 K23 K25 K31 K34 K42 K43 K45 K51
K16 K21 K23 K25 K31 K34 K42 K43 K45 K51 K64 K65 4 2 3 5 6 1 x = Inputseite der Subsysteme y = Outputseite der Subsysteme Krs = Kopplungsmatrix 1..6 = Numerierung der Subsysteme gemäß Abb. Materialfluss Energiefluss Informationsfluss

50 7. Produktion Fertigungssystem, bestehend aus vier Kosystemen
SI(R) SII(R) SIII(R) SIV(R) S(R) Materialfluss Energiefluss Informationsfluss

51 7. Produktion – Flexibles Fertigungssystem
Die Kosysteme werden hier zentral mit Energie und Information versorgt; der Materialoutput des einen Kosystems ist der Materialinput des folgenden. Der Betrag an Gestaltinformation, die dem Material aufgeprägt ist, wächst von Kosystem zu Kosystem, um seinen Sollwert am Output des letzten Kosystems zu erhalten. Zusätzlich wird sich eine informationelle Verknüpfung der Kosysteme als zweckmäßig erweisen, derart, dass die Funktionsläufe der einzelnen Kosysteme erfolgsabhängig miteinander koordiniert werden können. Dies ist so zu verwirklichen, dass ein informationeller Output des einen Kosystems dem Informationellen Input des folgenden zugeführt wird; es ist aber auch vorstellbar, dass Teile der Steuersysteme der einzelnen Kosysteme zu einem zentralen Steuersystem zusammengefasst werden.

52 7. Produktion Prinzipielle SICOMP-Ablaufstruktur

53 7. Produktion SICOMP-Daten zur Vereinbarung einer Station

54 7. Produktion SICOMP-Daten zur Vereinbarung einer Station (Fortsetzung)

55 7. Produktion SICOMP-Daten zur Vereinbarung eines Liegeplatzes

56 7. Produktion SICOMP-Daten zur Vereinbarung eines Liegeplatzes (Fortsetzung)

57 7. Produktion SICOMP-Daten zur Spezifikation einer Station

58 7. Produktion SICOMP-Daten zur Spezifikation einer Station (Fortsetzung)

59 7. Produktion SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs

60 7. Produktion SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung)

61 7. Produktion SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung)

62 7. Produktion SICOMP-Daten zur Spezifikation eines Werkzeugs (Fortsetzung)

63 7. Produktion Fragen Was ist ein Arbeitssystem?
Was ist ein Produktionsfaktor? Was sind Produktionsfaktoren? Was ist die Aufgabe von Entwicklung + Konstruktion? Was ist der Unterschied zwischen CAD und CAE? Sind CAX-Systeme intelligent/kreativ? Wie könnte ein CAP-System für Blechteile Mit einer Fräsmaschine hergestellte Hebel aussehen? Wie ist ein Arbeitsplan aufgebaut? Ist die Andler-Losgröße eine sinnvolle Zahl? Überlegen Sie, welche Voraussetzungen getroffen wurden „Qualität ist die Beschreibung aller Attribute, die für den Käufer eines Produkts relevant sind“. Stimmen Sie dem zu? Das Beispiel zur Produktionsprogrammplanung geht von gegebenen Kapazitäten aus. Hat das Unternehmen in die richtigen Maschinen investiert?

64 7. Produktion Welchen Weg legt der Fräser zur Herstellung eines Kreises im Beispiel NC-Programm zurück? Was ist CAM? Was ist CNC-Betrieb? Eine flexible Fertigungszelle kommt völlig ohne einen Menschen aus. Richtig?

65 7. Produktion Frage 1 Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktion einer Drehmaschine. Was sind die wichtigsten Elemente und Eigenschaften eines Flexiblen Fertigungssystems? Geben Sie für ein Flexibles Fertigungssystem anhand von Beispielen an, welche Inputfaktoren dort eingesetzt werden.

66 7. Produktion Frage 2 Fertigen Sie den unten dargestellten Aktive Pickup aus einem Block Aluminium der Abmessung [mm]: 82,5 x 17,5 x 22,0 mit Hilfe einer Fräsmaschine. Erstellen Sie ein entsprechendes NC-Programm. Sie können einen Fräser mit einem Durchmesser von 2,5 und einen mit einem Durchmesser von 12 verwenden. Verwenden Sie ein rechtshändiges Koordinatensystem und legen Sie den Ursprung in die untere linke Ecke des Ausgangsblocks. Beim Umdrehen des Blockes zur Bearbeitung des unteren Teils bleibt der Ursprung im Bezug zur Fräsmaschine unverändert. Der Fräser befindet sich in Position (x,y,z), wenn sich der Mittelpunkt der Stirnfläche in Position (x,y,z) befindet. Ignorieren Sie die Unteransicht in der Hinsicht, dass Ihr Werkstück nicht „ausgehöhlt“ werden muss. Zu Beginn befindet sich der Fräser an Position (0,0,100) Verwenden Sie folgende Befehle:

67 7. Produktion Verwenden Sie folgende Befehle: Befehl X Y Z Radius
Werkzeug G(eradeninter-polation) X-Koordinate des Ziels Y-Koordinate des Ziels Z-Koordinate des Ziels K(reisinterpolation im Uhrzeigersinn) Kreisradius W(erkzeug-wechsel) Durchmesser des Fräsers U(mdrehen des Werkstücks)

68 7. Produktion

69 7. Produktion Frage 3: Produktion
Zur technischen Unterstützung werden in Entwicklung und Konstruktion CAD- und CAE-Systeme eingesetzt. Welche Aussagen sind richtig? CAD heißt „Computer Aided Desaster“ CAE verwenden nur Verkaufsmitarbeiter zur Produktvorführung. CAE ersetzt CAD. CAD ist für große, CAE für kleine Unternehmen. CAE unterstützt alle rechnerunterstützten Ingenieursaufgaben während der Entwicklung eines Produkts.

70 7. Produktion Frage 4: Produktion Welche Aussagen sind richtig?
Endziel der Arbeitsplanung ist ein Video des Arbeitsablaufs. Endziel der Arbeitsplanung ist die Ausarbeitung von Arbeitsplänen. Aufgaben der Arbeitsplanung sind Arbeitszeitplanung und Arbeitsmittelplanung, aber nicht Arbeitsfristen- und Arbeitskostenplanung. Vorgabezeiten und Lohngruppen gehören nicht in den Arbeitsplan. Der Arbeitsplan wird vor allem verwendet, um die Bestellmengen zu berechnen.

71 7. Produktion Frage 5: Produktion
Die Losgrößenplanung macht keine Voraussetzungen. Die Losgrößenrechnung geht von konstanten Bedarfsraten aus. Die Beschaffungszeit wird proportional zur Bestandsreichweite festgelegt. Ein konstanter Sicherheitsbestand wird automatisch mit eingerechnet. Die Bestellmenge liegt innerhalb gegebener Grenzen fest. Was ist richtig?

72 7. Produktion Frage 6: Produktion Zur Produktionsplanung und -steuerung liegt die folgende Tabelle vor: Maschinenart Drehmaschine Schleifmaschine D1 D2 S1 S2 S3 Max. Kapazität 1400 2300 1800 3000 1100 Fertigungs- prozess Deckungs- beitrag Erzeugnis E1 Mindestmenge: 211 I 6 2 14 II 11 53 III 3 21 Erzeugnis E2 344 IV 4 13 19 V 1 5 30 VI 8 24 VII 15 16 71 Erzeugnis E3 181 VIII 7 10 108 IX X 23 42

73 7. Produktion Zielfunktion 14 x x x x x x x x8 + 7 x x10 -> Max! Zielfunktion > Max! Randbedingungen D1: 6 x1 + 3 x3 + 4 x4 + x5 + 4 x8 + 2 x9  1400 D2: 11 x2 + 2 x5 + 3 x6 + 7 x8 + 5 x10  S1: 13 x x x x10  1800 S2: 2 x1 + 3 x2 + 5 x5 + 8 x x7 + 3 x8 + x9  3000 S3: 2 x3 + 3 x6 + 6 x x8  1100 Randbedingungen D1: 6 x1 + 3 x3 + 4 x4 + x5 + 4 x8 + 2 x9  1400 D2: 11 x2 + 2 x5 + 3 x6 + 7 x8 + 5 x10  E1: x1 + x2 + x3  211 E2: x4 + x5 + x6 + x7  344 E3: x8 + x9 + x10  181 Kennzeichnen Sie die richtigen Lösungen!

74 7. Produktion Frage 7: Produktion Für das folgend angegebene Fertigungssystem ist die Adjazenzmatrix anzugeben: 4 2 3 6 1 5 Materialfluss Energiefluss Informationsfluss

75 7. Produktion Welche der beiden folgenden Tabellen ist richtig?
x y 1 2 3 4 5 6 K16 K21 K23 K25 K31 K34 K42 K43 K45 K51 K64 K65 x y 1 2 3 4 5 6 K16 K21 K23 K25 K34 K41 K42 K45 K51 K53 K64 K65 x = Inputseite der Subsysteme y = Outputseite der Subsysteme Krs = Kopplungsmatrix 1..6 = Numerierung der Subsysteme gemäß Abb. x = Inputseite der Subsysteme y = Outputseite der Subsysteme Krs = Kopplungsmatrix 1..6 = Numerierung der Subsysteme gemäß Abb.

76 7. Produktion Frage 8: Produktion Eine CNC-Maschine verwendet einen Mikrocomputer, der mehrere Programme speichern kann, die beliebig abgerufen werden können. Außerdem Zusatzfunktionen wie Diagnose der Maschine, Programmerstellung und Korrektur direkt an der Maschine. NC-Programme beschreiben den Ablauf der Bearbeitung einer Maschine, also die exakte Ausführung eines Arbeitsvorgangs. Die geometrischen Maße der Werkzeuge werden zu Koordinaten der Werkzeugwege in Beziehung gesetzt. Ein NC-Programm ist nach Sätzen aufgebaut. Diese werden nacheinander von der Maschine abgearbeitet und können beliebig oft wiederholt werden. CAM (Computer Aided Manufacturing) beinhaltet die EDV-Unterstützung zur technischen Steuerung und Überwachung der Betriebsmittel im Fertigungs- und Montageprozess CAM (Computer Aided Market) beinhaltet die EDV-Unterstützung zur technischen Steuerung der Vertriebsmitarbeiter.

77 7. Produktion Frage 9: Produktionsorientierte Modelle
Was macht ein 2½D-Modell aus? Wie wird in einem CSG-Modell untenstehende Geometrie A erzeugt? c) Beschreiben Sie die im folgenden NC-Programm erstellte Struktur möglichst vollständig. Geometrie A

78 7. Produktion Schreiben Sie ein NC-Programm, um folgendes Werkstück zu fertigen: Benutzen Sie folgende Befehle: Eilgang G00 (Endposition x, Endposition y, Endposition z) Gerade G01 (Endposition x, Endposition y, Endposition z) Kreisbogen im Uhrzeigersinn G02 (Endposition x, Endposition y, Endposition z) a e f c d b g h i Vorderansicht Draufsicht Fräser x y z a = 100 mm (Breite Werkstück) b = 80 mm (Tiefe Werkstück) c = 80 mm (Höhe Werkstück) d = 20 mm (Größte Breite Aussparung) e = 10 mm (Tiefe Aussparung) f = 20 mm (Radius) g = 10 mm (Tiefe Radius) h = Langloch: Start bei (70,30,60), Ende bei (40,60,60). Langloch ist so breit wie der Durchmesser des Werkzeugs (20) i = 20 (Tiefe Langloch) (0,0,0) beim schwarzen Punkt Startpunkt Fräser (blauer Punkt) (-20,0,80) Skizze nicht maßstäblich! Verdeckte Kanten sind gestrichelt!

79 7. Produktion e. Modellieren Sie einen Desktop‐PC bestehend aus: Mainboard, Speicher, CPU, CPU‐Kühler, Grafikkarte (optional), SATA‐Controller‐Karte, HDD‐Raid (einer der Raid‐Level 0,1,5,10) mit 2‐8 Festplatten, Gehäuse, Gehäuselüftern (mindestens 2), Netzteil, Blue‐Ray Laufwerk, TFT, Tastatur und Maus mit EXPRESS. Wählen Sie eine modulare Modellierung nach Funktionsebenen. Sehen Sie für jedes Bauteil / Baugruppe ein Feld für Artikelbezeichnung und Hersteller vor. f. Modellieren Sie die unten dargestellte Bremsscheibe als CSG mit Volumenkörpern. Beschreiben Sie bitte die verwendeten Körper und die booleschen Operationen und die Position der Körper relativ zu einander während der Operationen. Bitte verwenden Sie eine Tabellenform zur Darstellung Ihrer Lösung.

80 7. Produktion g. Beschreiben Sie den Unterschied zwischen 2D, 2.5D und 3D-Modellierung. Nennen Sie alle Eigenschaften, die für eine Instanz von Entity Fahrrad abgespeichert werden können. ENTITY StdProdukt Atrikelbezeichnung: STRING; Hersteller: STRING; END_ENTITY ENTITY Kunde Name: STRING; Vorname: STRING; ENTITY StdFahrrad Gewicht: INTEGER; Kommission: OPTINAL Kunde; ENTITY Fahrrad SUBTYPE OF (StdFahrrad) Farbe: STRING;

81 7. Produktion Frage 10 Die Technik ist die materielle Grundlage zur Steigerung der Arbeitsproduktivität, durch die die Menschen ihren Stoffwechsel mit der Natur rationell regeln, unter ihre gemeinschaftliche Kontrolle bringen, statt von ihm beherrscht zu werden, ihn mit dem geringsten Kraftaufwand und unter den ihrer menschlichen Natur würdigsten und adäquatesten Bedingungen vollziehen. Ihre wesentliche Bestimmung ist die als Arbeitsmittel, als Produktionsinstrument. Das haben Marx und Engels bereits 1827 geschrieben. Liegen sie damit falsch?

82 7. Produktion Frage 11 Sabisch formuliert: Ein Produkt ist einerseits das Ergebnis betrieblicher Leistungsprozesse, andererseits sind Produkte Mittel zur Befriedigung der Bedürfnisse der Kunden des Unternehmens. Heißt das: Ein Produkt ohne Markt, ohne Absatz an Kunden ist kein Produkt?

83 7. Produktion Frage 12 Vergleichen Sie die beiden Verständnisse von Produktion: Als Produktion bezeichnen wir das Erzeugen der materiellen Existenzmittel für die Menschen und der gesellschaftlichen Verhältnisse, worin die Menschen produzieren. Die Produktion vollzieht sich in bestimmten Formen und Produktionsverhältnissen; sie ist ein vor sich gehender, die materiellen Existenzbedingungen und ihre gegenseitigen Verhältnisse produzierender und reproduzierender Prozess. Voraussetzung für die Produktion sind die Arbeit des Menschen, der Arbeitsgegenstand und die Arbeitsmittel. Arbeit ist zweckmäßige Tätigkeit des Menschen, ein Prozess, in dem er die Naturstoffe verändert, um seine Bedürfnisse zu befriedigen. Arbeitsmittel sind all die Dinge, mit deren Hilfe der Mensch auf den Gegenstand seiner Arbeit einwirkt. Arbeitsgegenstand ist alles das, worauf die Arbeit des Menschen gerichtet ist. Es sind Gegenstände, die unmittelbar in der Natur vorgefunden oder die bereits bearbeitet wurden. Die Produktion ist in ihrem Wesen einerseits Aneignung der Natur durch den Menschen und Veränderung der Natur für menschliche Zwecke, andererseits das Herstellen ihrer Lebensverhältnisse. Im Zusammenwirken von Arbeit und Produktionsmitteln erzeugen die Menschen die materiellen Güter. Dieses Erzeugen der materiellen Existenz- und Lebensbedingungen ist das wesentliche Moment für die Entwicklung der Produktion.

84 7. Produktion Produktion heißt der betriebliche Umwandlungs- und Transformationsprozess T, durch den aus einer Menge von Einsatzgütern eine Menge anderer Güter oder Dienstleistungen erstellt wird; in dieser Menge bilden Produkte nach eine nichtleere Teilmenge.

85 7. Produktion Frage 13 Die Produktionstheorie hat die Aufgabe, Systeme für die Produktion zu konstruieren und eine zugehörige Theorie zu entwerfen, während die Produktionstechnik für die Erprobung der Systeme an Modellen sowie die Schaffung des nötigen Wissens um die Anwendbarkeit der Systeme in den einzelnen wissenschaftlichen Disziplinen verantwortlich zeichnet. Heißt das, dass die Produktionstheorie gar keine Modelle erzeugt/verwendet?