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

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

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

4. Modellierung von Gegenständen 2½D-Darstellung Produktionsmodelle werden durch das kartesische Produkt geometrischer Elemente dargestellt. Man unterscheidet: Translationsmodelle eine ebene Fläche wird entlang eines auf Ihr senkrecht stehenden Translationsvektors verschoben. Rotationsmodelle eine ebene Fläche wird um einen Rotationsvektor mit einem Winkel α in einer bestimmten Richtung gedreht. 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 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 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 Baumstruktur der Standardvolumina C A B B C

4. Modellierung von Gegenständen 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 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 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

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

4. Modellierung von Gegenständen

4. Modellierung von Gegenständen

4. Modellierung von Gegenständen

4. Modellierung von Gegenständen

4. Modellierung von Gegenständen

4. Modellierung von Gegenständen Anwendungsbeispiel Scheibenbremse Rad Radaufhängung

4. Modellierung von Gegenständen Anwendungsbeispiel Scheibenbremse 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

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

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

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

Form- und Lagetoleranzen (Auswahl) 4. Modellierung von Gegenständen – 2D-Technische Zeichnungen 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 Toleranzangaben Ausbruch mit Bruchlinie Mittellinien Formelemente

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

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

4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle - Linienmodell 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 - Flächenmodelle Freiform- flächen Ebenen Quadriken 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

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

4. Modellierung von Gegenständen – 3D-Modelle - Volumenmodelle 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 Torus Prisma 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 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 Translation Rotation Profilkörper

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Anwendungsbeispiel

4. Modellierung von Gegenständen – Produktdatenmanagement Schnittstellen am Beispiel der Entwicklung „Scheibenbremse“ Bemusterung Bemusterung Bemusterung Packaging Packaging Packaging Produktionsplanung Produktionsplanung Produktionsplanung o Montierbarkeit Integration der o Leitungsverlegung o Produktionsabläufe Einzelkomponenten o Fertigungs -Layout o funktional o Betriebsmittel geometrisch 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 o o Vorkostenplanung o ergonomisch Einzelteil- Einzelteil- Einzelteil- Konstruktion Konstruktion Konstruktion Qualitätssicherung Qualitätssicherung Qualitätssicherung o Integration Einzelteil in Gesamtfahrzeug o QS-Konzepte o NC-Messen Berechnung/ Berechnung/ Berechnung/ Simulation Simulation Simulation Logistik/CKD Logistik/CKD Logistik/CKD o Festigkeit o Lagerhaltung o Strömungsdynamik o CKD-Konzepte o Thermisches Verhalten o Transportbehälter o Schwingungsverhalten Versuch/ Versuch/ Versuch/ Vertrieb Vertrieb Vertrieb Prototypen Prototypen Prototypen Werkzeugbau Werkzeugbau Werkzeugbau o Truck-Kliniken o Präsentationen o Physikalische o NC-Fertigung o Vertriebsdokumentation Prototypen o Ersatzteilwesen

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

4. Modellierung von Gegenständen 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 Engineering: Finite-Element-Methode 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

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

4. Modellierung von Gegenständen 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, ...

4. Modellierung von Gegenständen 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 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 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 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 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 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

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

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

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!

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