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

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Präsentation zum Thema: "Vorlesung Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik W1332 Fakultät für Wirtschaftswissenschaften W. Dangelmaier."—  Präsentation transkript:

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

2 Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik - Inhalt 1.Einführung: Worum geht es hier? 2.System 3.Modell 4.Modellierung von Gegenständen 5.Strukturmodelle (Gebildestruktur) 6.Verhaltensmodelle (Prozessstruktur) 7.Produktion 8.Digitale Fabrik 9.Planung von Produktionssystemen 10.Wirtschaftlichkeitsrechnung 11.Prüfungen

3 Modell... Ein Modell ist ein bewusst konstruiertes Abbild der Wirklichkeit, das auf der Grundlage einer (Gegenstands-) Struktur-, Funktions- oder Verhaltensanalogie zu einem entsprechenden Original von einem Subjekt eingesetzt bzw. genutzt wird, um eine bestimmte Aufgabe lösen zu können, deren Durchführung mittels direkter Operation am Original zunächst oder überhaupt nicht möglich bzw. unter den gegebenen Bedingungen zu aufwendig oder nicht zweckmäßig ist... Verwendungszweck  Darstellen von Ideen, Zusammenhängen  Erklären eines Tatbestandes  Gewinnen von Einsichten in das Verhalten des Systems  Vorraussagen über das Verhalten eines Systems  Optimieren von Systemstruktur, -verhalten und/oder -funktion 4. Modellierung von Gegenständen

4 2D-Darstellung Die 2D-Darstellung beruht im wesentlichen auf den geometrischen Elementen Punkt und Linie. Wie bei einer technischen Zeichnung haben einzelnen Ansichten keinen Bezug zueinander. Fehler in einer Ansicht werden in einer anderen Ansicht nicht korrigiert. 4. Modellierung von Gegenständen

5 Beispiel einer CAD-Zeichnung / 2D-Darstellung 4. Modellierung von Gegenständen

6 2½D-Darstellung Produktionsmodelle werden durch das kartesische Produkt geometrischer Elemente dargestellt. Man unterscheidet: a.Translationsmodelle eine ebene Fläche wird entlang eines auf Ihr senkrecht stehenden Translationsvektors verschoben. b.Rotationsmodelle eine ebene Fläche wird um einen Rotationsvektor mit einem Winkel α in einer bestimmten Richtung gedreht. c.Trajektionsmodelle eine ebene Fläche wird entlang einer beliebigen Raumkurve, die eine orthogonale oder nicht-orthogonale Trajektorie zu dieser Fläche ist, verschoben. 4. Modellierung von Gegenständen

7 3D-Modelle  Darstellung von Linien-, Flächen-, und Volumenmodellen  Linienmodell-Darstellung  Schneller Aufbau von geometrischen Modellen  Bei komplizierter Form unübersichtlich  Hilfe durch „Hidden Line Algorithmus“  Begrenzt anwendbar bei Schnitten durch den Körper  Flächenmodelle  Zusätzliche Abbildung von Flächen  Einteilung in Ebene, Quadrike und Freiformfläche  Direkte Zuordnung von Kanten zu Flächen  Anwendbarkeit von Schnitten durch mehrere Flächen  Keine Unterstützung von Volumeninformationen und Massenberechn. 4. Modellierung von Gegenständen

8  Volumenmodelle  Objekte besitzen ein definiertes Volumen sowie geometrische- und physikalische Eigenschaften  Häufige Verwendung von Hybridmodellen (Verbindung mehrerer Modellierungsverfahren) Constructive Solid Geometry (CSG)  Verknüpfung von geometrischen Grundvolumina durch Addition oder Subtraktion  Abbildung des CAD-Modells durch eine Baumstruktur  Leichte Überführung in andere Modelle Aufbau durch mengentheoretische Verknüpfung von Basisvolumenelementen oder durch Halbräume. A + - BC A B C Baumstruktur der Standardvolumina 4. Modellierung von Gegenständen

9 Boundary Representation (B-rep)  Das Flächenmodell als Basis  Mehrere Einzelflächen bilden einen Körper  Einfache Generierung von Überführungskörpern  Großer Speicherbedarf  Kanten sind weitere Informationselemente zur Objektbeschreibung 4. Modellierung von Gegenständen

10 Boundary Representation (B-rep)  Polyedermodelle  Volumenbegrenzung durch Tangentialflächen  Einfache algorithmische Berechnung  Allgemein analytische Modelle  Volumenbegrenzung durch mathematisch darstellbare Flächen (Ebene, Zylinder, …)  Freiformflächenmodelle  Interpolierte und approximierte Flächen aus Punktmengen Tangentialflächenmodell Allg. analytisches Modell Freiformflächenmodell 4. Modellierung von Gegenständen

11 Zerlegung der Objekte in einzelne Zellen Voxel-Zellmodell Besteht aus gleich großen Zellen Gut für die Finite-Element-Berechnung Keine direkten Fertigungsinformationen, da grobe Formabweichungen entstehen können Octree-Zellmodel Hierarchisch geordnete Zellen Zellen unterschiedlicher Größe Grundform wird in einem gewissen Bereich bis zur gewünschten Genauigkeit in immer kleinere Zellen unterteilt 4. Modellierung von Gegenständen

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13 Beispiel: Detaillieren eines Einzelteils (System: EUCLID; Quelle Matra Datavision) 4. Modellierung von Gegenständen

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19 Scheibenbremse Rad Radaufhängung 4. Modellierung von Gegenständen Anwendungsbeispiel Scheibenbremse

20 Bremsscheibe Bremskolben Halter Sattel / Gehäuse Bremsbeläge Legierter Grauguss Gusseisen mit Kugelgraphit u.U. Aluminiumguss Stahl oder Grauguß oder Kunststoffe oder Aluminium-Legierungen Metalle (Stahlwolle, Kupferpulver) Füllstoffe (Fasern) Polymere (Harze) Gleitmittel (Schmierstoffe) Gußeisen mit Kugelgraphit u.U. Aluminiumguss 4. Modellierung von Gegenständen Anwendungsbeispiel Scheibenbremse

21 Stücklisten Geometrische Grundelemente 2D/3D- Ansichten Schnitte Kennzeichnung des Schnitt- verlaufs

22 Schriftfeld alle Angaben im PDM-System verwaltet und erzeugt Bearbeiter Maßstab Zeichnungs- nummer Klassifizierung Benennung Normen Freigaben / Änderungen Strukturelle, organisatorische Information 4. Modellierung von Gegenständen – 2D-Technische Zeichnungen

23 Maßzahlen, Maßpfeile und Maßhilfslinien Oberflächengestalt prüftechnische Angaben Oberflächengestalt Schnittflächen (Schraffur) 4. Modellierung von Gegenständen – 2D-Technische Zeichnungen

24 Geradheit Geradheit einer Kante oder Achse Form- und Lagetoleranzen (Auswahl) Ebenheit Ebenheit einer Fläche Rundheit Rundheit eines Lagersitzes Parallelität Parallelität einer Kante zu einer Bezugskante Position Position einer Bohrung zu zwei Bezugskanten Lauf Rundlauf eines Wellenabsatzes oder Planlauf einer Stirnfläche 4. Modellierung von Gegenständen – 2D-Technische Zeichnungen

25 Toleranzangaben Ausbruch mit Bruchlinie Mittellinien Formelemente 4. Modellierung von Gegenständen – 2D-Technische Zeichnungen

26 Arbeitsplansegment Arbeitsabfolge Zentrieren Vorbohren Bohren Werkzeuge Zentrierbohrer Vorbohrer Spiralbohrer Werkzeugdrehzahl... Vorschub... Kühlung... Formelemente Bohrung Tasche Einstich Gewinde Formelemente 4. Modellierung von Gegenständen – 2D-Technische Zeichnungen

27 Linienmodelle Flächenmodelle Volumenmodelle 4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle

28 Vorteile  Elemente sind ausschließlich Linien und Knoten Nachteile  ungenügende Visualisierung  kein Ausblenden der verdeckten Kanten  keine Darstellung komplexer Flächen  mangelnde Schnittbildung  sehr zeitaufwendiges Arbeiten an Modellen 4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle - Linienmodell

29 Vorteile  Modelle werden aus begrenzenden Flächen aufgebaut  Flächen höherer Ordnung können mathematisch exakt dargestellt werden Nachteile  fehlende Volumeninformation  Informationen zu Gewicht, Schwerpunkt, Trägheit fehlen  komplizierte Flächen werden teilweise durch Einzelflächen approximiert Ebenen Quadriken Freiform- flächen 4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle - Flächenmodelle

30 Constructive Solid Geometry (CSG) Boundary Representation (B-rep) Zellmodelle 4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle - Volumenmodelle

31 Zellmodelle  Körperunterteilung in definierte Teilvolumina  einfacher Aufbau  Formabweichungen Voxel-Modell  gleich große Zellen, entweder disjunkt oder genau eine gemeinsame Kante, Fläche oder Eckpunkt  grobe Formabweichungen  Einsatz bei Finite-Element- Berechnungen oder Digital Mock- up Octree-Modell  hierarchisch geordneten Zellen unterschiedlicher Größe  Einsatz bei Finite-Element- Berechungen oder Simulation von Zerspanvolumina 4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle - Volumenmodelle

32 TorusPrisma Zylinder Kugel Quader + Constructive Solid Geometry (CSG)  Grundlage sind Konstruktions- primitiven  Verbindung der Körper durch Boolsche Operationen  geringer Speicherbedarf  begrenzte Auswahl an Konstruktionsobjekten  Entstehunggeschichte ist Teil des Datenmodells 4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle - Volumenmodelle

33 Translation Rotation Profilkörper Boundary Representation (B-rep)  Körperbeschreibung durch begrenzende Seitenflächen  Volumen wird durch einen auf den Flächen stehenden Vektor beschrieben  schnelle Algorithmen  erweiterbar für analytisch nicht- beschreibbare Flächen  Attributzuordnung an beliebige Elemente möglich  großer Speicherbedarf  einfache, aber umfangreiche Generierungsfunktionen 4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle - Volumenmodelle

34 4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

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44 Packaging Integration der Einzelkomponenten o funktional o geometrisch o ergonomisch Bemusterung o Montierbarkeit o Leitungsverlegung Produktionsplanung o Produktionsabläufe o Fertigungs-Layout o Betriebsmittel o Vorkostenplanung Werkzeugbau o NC-Fertigung Logistik/CKD o Lagerhaltung o CKD-Konzepte o Transportbehälter Vertrieb o Truck-Kliniken o Präsentationen o Vertriebsdokumentation o Ersatzteilwesen Qualitätssicherung o QS-Konzepte o NC-Messen Einzelteil- Konstruktion Einzelteil- Konstruktion o Integration Einzelteil in Gesamtfahrzeug Versuch/ Prototypen Versuch/ Prototypen o Physikalische Prototypen Berechnung/ Simulation Berechnung/ Simulation o Festigkeit o Strömungsdynamik o Thermisches Verhalten o Schwingungsverhalten Schnittstellen am Beispiel der Entwicklung „Scheibenbremse“ Ergebnisse Informationsmenge nicht mehr überschaubar Datenzugriff nicht transparent Suche nach den richtigen Daten erfordert erheblichen Zeitaufwand Zugriff auf falsche oder veraltete Daten führt zu Fehlern im Produkt Ergebnisse Informationsmenge nicht mehr überschaubar Datenzugriff nicht transparent Suche nach den richtigen Daten erfordert erheblichen Zeitaufwand Zugriff auf falsche oder veraltete Daten führt zu Fehlern im Produkt 4. Modellierung von Gegenständen – Produktdatenmanagement

45 10  20  50 5 Ebene 1‘‘ Ebene 2‘ Ebene 1‘ Ebene 2‘‘ 45° Ebene 2 45° Aufgabe 4.1: Gerüstknoten Gegeben sei ein Knoten aus dem Gerüstbau Konstruieren Sie diesen Knoten mit den bisher erarbeiteten Möglichkeiten

46  Finite-Element-Modelle (FE-Modelle)  Besondere Art der Zellenmodelle: Beschreibung der Verformung  Approximation von Realen Bauteilen  Netzgeneratoren erzeugen aus Geometriemodellen ein FE-Modell 4. Modellierung von Gegenständen

47 Ziele  bei komplexen Körpern keine exakten mathematischen Modelle / Lösungen  aber bei einer Unterteilung in einfache Elemente (Abstraktion) kann ein numerisches Modell erstellt und berechnet werden Vorgehensweise  Geometriedefinition  Blockeinteilung / Netzeinteilung (Preprozessor)  Lasten / Randbedingungen / Material  Berechnung  Darstellung der Ergebnisse Einsatzgebiete  Festigkeitsberechnungen / Spannungsverteilung  Verformungen  Temperaturverteilung  Strömungsfelder  Schallverteilung  Crash-Analysen  Wettermodelle Engineering: Finite-Element-Methode 4. Modellierung von Gegenständen

48 Ausgangs- form Verstärkung veränderte Anbindung Beispiel: Verformungen Beispiel: Schallverteilung 4. Modellierung von Gegenständen Berechnungen: Finite-Element-Methode

49 Gegenstände als materielle Objekte werden durch Tupel von Eigenschaften beschrieben. Liegen Eigenschaften in einem bestimmten Kontext fest, so kann eine klassifizierende Nummer zurückgegriffen werden. Beispiel für Eigenschaften: Geometrie, Farbe, Material, Beschaffenheit der Oberfläche, Leistungsfähigkeit, Fassungsvermögen, Modellierung von Gegenständen

50 Produkt/Gegenstand: Klassifikation Gegenstände, die in Ihrem Aufbau grundsätzlich bekannt sind, können einheitlich und computerlesbar beschrieben werden. Diese klassifizierende Nummer kann als eine Art Schlüssel ein Teil eindeutig beschreiben. 4. Modellierung von Gegenständen

51 Produkt/Gegenstand: EXPRESS EXPRESS ist eine von der Implementation unabhängige formale Sprache zur Spezifikation von Informationsmodellen. Die Hauptkonstrukte sind  Entities beliebig komplexe Informationseinheit eines Modells, bestehend aus Attributen und Integritätsregeln  Rules Rules sind im Gegensatz zu den lokalen Integritätsregeln globale Regeln.  Schemas das EXPRESS-Konstrukt eines Informationsmodells, das aus einer Kombination logisch zusammenhängender Entities und Regeln besteht. Außerdem existieren Hilfskonstrukte, wie Ausdrücke, Konstanten, Funktionen, Prozeduren oder Anweisungen. 4. Modellierung von Gegenständen

52 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Entities In der einfachsten Form ist ein Entity eine Menge von Attributen, die jeweils von einem bestimmten Typ sind: ENTITY person; vorname:STRING; nachname:STRING; geburtsjahr:INTEGER; heiratsjahr:OPTIONAL INTEGER; freunde:SET [1..?] of person; END_ENTITY Freunde referenziert dabei alle Personen, die die betrachtete Person als Freund betrachtet. 4. Modellierung von Gegenständen

53 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Entities Zusätzlich können Integritätsregeln formuliert werden: ENTITY person; vorname:STRING; nachname:STRING; geburtsjahr:INTEGER; heiratsjahr:OPTIONAL INTEGER; freunde:SET [1..?] of person; where heiratsjahr > geburtsjahr; END_ENTITY Die Bedingung hier sagt aus, das das Jahr der Heirat größer sein muss, als das Jahr der Geburt. 4. Modellierung von Gegenständen

54 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Entities Aus bereits deklarierten Attributen können andere abgeleitet werden: ENTITY person; vorname:STRING; nachname:STRING; geburtsjahr:INTEGER; heiratsjahr:OPTIONAL INTEGER; freunde:SET [1..?] of person; DERIVE alter:INTEGER := 2002 – geburtsjahr; where heiratsjahr > geburtsjahr; END_ENTITY Das Alter wird errechnet aus dem aktuellen Jahr minus dem Geburtsjahr. 4. Modellierung von Gegenständen

55 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Entities Für ein oder mehrere Attribute kann Eindeutigkeit gefordert werden:... UNIQUE name:vorname, nachname;... Zusätzlich können Kardinalitätsrestriktionen formuliert werden, und der Zugriff auf Entities, zu denen ein Entity in Beziehung steht, kann erleichtert werden.... INVERSE: inv_feunde: SET[1..?] of person FOR freunde Modellierung von Gegenständen

56 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Entities Mit den Entities lassen sich Hierarchien bilden, wobei jeder Subtyp alle Eigenschaften des Supertyps erbt. Mehrfachvererbung ist nicht möglich: ENTITY frau SUBTYPE OF (person) mädchenname: OPTIONAL STRING; END_ENTITY Zu jedem Entity ist immer implizit ein Konstruktor gegeben. Dieser erzeugt eine Instanz: person (Monika, Mustermann, 1960, 1985, {} ) 4. Modellierung von Gegenständen

57 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Beschreibung einer Oberfläche ENTITY coating SUBTYPE of (chemical_specification) Type_of_coating:reference_to_standard; aim_of_coating:OPTIONAL STRING; plating_material:material_property; thickness_of_layer:length_data; measuring_point:OPTIONAL LIST [1:#] OF UNIQUE point_on_surface; subsequent_processing:OPTIONAL attribute; END_ENTITY; 4. Modellierung von Gegenständen

58 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Rules Rules lassen sich mit Hilfe der logischen Ausdrücke definieren, dabei können die Operanden Attribute verschiedener Entities sein. RULE freundschafts_symmetrie FOR (person) WHERE QUERY(p<*person|QUERY(q<*person|p IN q.friends AND q IN p.friends)) =QUERY (r<*person|EXISTS(r.friends)) =QUERY (s<*person|EXISTS(s.friends)) END_RULE 4. Modellierung von Gegenständen

59 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Schemata Ein Schemata kann Entities, Funktionen und Prozeduren anderer Schemata verwenden, um damit neue solche Konstrukte zu definieren (Verweis mit REFERENCE). Sollen auch Instanzen im Schemata genutzt werden, muss per USE auf diese verwiesen werden. Insgesamt besteht ein Schemata aus der Definition der Schnittstellen, gefolgt von den Konstanten und einer beliebigen Folge von Typen, Entities, Funktionen, Prozeduren und Rules. 4. Modellierung von Gegenständen

60 Produkt/Gegenstand: EXPRESS Schemata (Beispiel) SCHEMA personen REFERENCE FROM typen (jahreszahl as jahre) ENTITY person;... END_ENTITY ENTITY frau... END_ENTITY RULE freundschafts_symmetrie FOR (person)... END_RULE END_SCHEMA 4. Modellierung von Gegenständen

61 Frage 1: Modellierung von Gegenständen Es liegen die folgenden Aussagen vor: 1.Ein 2 ½ D-Modell unterscheidet sich nur in der Textverarbeitung von einem 2 D-Modell. 2.Im Zusammenhang mit der 2 ½ D-Darstellung werden Translations-, Rotations- und Trajektionsmodelle unterschieden. 3.Vollzylinder können bei 2 ½ D nicht dargestellt werden. 4.Constructive Solid Geometry (CSG)-Modelle fügen mit Operationen der Mengenlehre (bspw. Vereinigungsmenge) Grundkörper zusammen, die mit 2 ½ D-Methoden erzeugt werden. 5.Boundary Repräsentation (B-rep) Modelle bilden die Durchschnittsmengen unendlicher Halbräume. 6.Mit 2 D-Modellen kann man nur den Text in der Stückliste verwalten.

62 4. Modellierung von Gegenständen Frage 2: Modellierung von Gegenständen Gegeben ist der folgende Körper: Wir verwenden Constructive Solid Geometry (CSG). Die gezeigte Geometrie können wir erreichen, indem wir  zwei Quader addieren  von einem Quader einen anderen abziehen  8 unendliche Halbräume über Mengendurchschnitte verknüpfen  ein Octree-Zellmodell einsetzen. Kennzeichnen Sie die richtigen Antworten!

63 4. Modellierung von Gegenständen Frage 3: Modellierung von Gegenständen Zusätzlich zur Geometrie kann man bspw. mit EXPRESS Eigenschaften beschreiben. 1.EXPRESS eignet sich nur zur Beschreibung von Menschen. 2.Mit EXPRESS kann man nur Oberflächenbeschichtungen beschreiben. 3.Eine EXPRESS-Entity fasst eine Menge von Attributen zusammen. 4.Für EXPRESS-Attribute kann Eindeutigkeit verlangt werden. Stimmt das?


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