Integriertes Simulationsdaten-Management für Maschinenentwicklung und Anlagenplanung

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 101

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-02-10
Issue Year
2000
Authors
Schlögl, Wolfgang
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Meisenbach
ISBN
3-87525-137-7
Abstract

Today, simulation technology provides powerful tools that can be used in many areas of production technology. In machine development, simulation support ranges from the investigation of the mechanical and thermal behavior of individual components through the design of kinematics and dynamics to the assembly of entire machines. Simulated machines reflect the control behavior of real machines and can be used in system simulations. In the plant planning, entire production systems are then examined with regard to their efficiency and performance. The aim of the simulation is to replace the construction of complex real prototypes with computer models or to achieve results that cannot be obtained in any other way. Simulation also enables a quick change of perspective between different development variants. Digital data are required for the simulation. In machine development, 3D data of the components are required first. Boundary conditions and input data must then be set for the simulation, which are either predefined from the development task or come from upstream simulations or calculations. The further the development process progresses, the more extensive the data becomes that is needed from neighboring operational areas. In order to use a virtual machine in a simulated production system, data about the products to be manufactured and the production processes are required. All data that arises in the course of machine development must be managed by an information system that ensures the continuity of the data and access to it. Comprehensive data management and the coordinated control of the development processes are the most important basis for the efficient use of integrated simulation applications. In the context of this dissertation, a reference model was developed as the core of data management for machine-related simulation, which contains a data, a process and a resource view. This reference model thus represents an integrated product and process model in which all development subtasks can be mapped. The required data for the simulations and the application methods are contained in partial models. The simulation components of different development levels are put together using the partial models and presented in a comprehensive view. The part of the reference model that relates to the system behavior of machines was implemented in a database that contains all the relevant machine information for the process simulation. Parts of the information content are taken directly from development data via data management. Other information describing the virtual machines must be provided specifically for the purposes of system simulation. These are, for example, blocks for describing the machine logic with defined input and output parameters. The implemented system forms the interface between machine manufacturers and plant operators when using machine-related simulation components for the process simulation. The provision of these components has the advantage for plant manufacturers that reliable statements about the machine behavior in the system can be made during the offer phase. A high level of planning security can be assumed, since the development data of the machines is used directly. The advantage for customers and operators of the machines is that it can be checked before the purchase whether and to what extent requirements are met, thereby avoiding bad investments. Furthermore, the simulation-based planning ensures a quick start of production. In addition to the machine data, the modeling of production systems and processes was also considered for the practical application of the simulation components. For efficient use, tools and interfaces were created with which production structures and realistic process information can be generated using work plans and which enable the information to be transferred to the system simulation. The user benefit of the developed software modules was demonstrated on the basis of a specific task. Technical information systems such as the integrated simulation data management presented here will determine the success of companies in the future. Without such information systems, the organizational and technical tasks involved in the development of complex machines or production systems can no longer be dealt with efficiently. The introduction of such a system is initially associated with great effort. However, the investments will soon pay off due to shortened development times and higher quality products. The functionality of today's simulation systems will continue to increase, which means that several different simulation and planning tasks can be carried out with one tool. The continuation of the digital manufacturing concept leads to integrated working environments, which have the goal of consistently archiving all accumulating data for further use in hierarchical planning systems. With the use of standardized libraries and interfaces to the simulation systems, virtual machines and more generally virtual products can be built more and more efficiently. Ultimately, the provision of virtual systems for planning purposes by the machine manufacturers will not only result from the integrated, simulation-based development processes, but will also become an obligatory requirement of the users. The present work provides the basic methods and procedures.

Abstract

Die Simulationstechnik stellt heute leistungsfähige Werkzeuge zur Verfügung, die in vielen Bereichen der Produktionstechnik eingesetzt werden können. In der Maschinenentwicklung reicht die Simulationsunterstützung von der Untersuchung des mechanischen und thermischen Verhaltens einzelner Bauteile über die Auslegung von Kinematik und Dynamik bis zum Zusammenbau ganzer Maschinen. Simulierte Maschinen spiegeln das Steuerungsverhalten von realen Maschinen wider und können in Systemsimulationen eingesetzt werden. In der Anlagenplanung werden dann ganze Produktionssysteme hinsichtlich ihrer Effizienz und Leistungsfähigkeit untersucht. Ziel der Simulation ist es, den Bau von aufwendigen realen Prototypen durch Rechnermodelle zu ersetzen oder zu Ergebnissen zu kommen, die nicht auf andere Weise erlangt werden können. Simulation ermöglicht auch den schnellen Betrachtungswechsel zwischen unterschiedlichen Entwicklungsvarianten. Voraussetzung für den Simulationseinsatz sind digitale Daten. In der Maschinenentwicklung werden zunächst 3D-Daten der Bauteile benötigt. Für die Simulation sind dann Randbedingungen und Eingangsdaten zu setzen, die entweder aus der Entwicklungsaufgabe vorgegeben sind oder aus vorgelagerten Simulationen oder Berechnungen stammen. Je weiter der Entwicklungsprozess fortschreitet, desto umfangreicher werden die Daten, die aus angrenzenden betrieblichen Bereichen benötigt werden. Für den Einsatz einer virtuellen Maschine in einem simulierten Produktionssystem sind dann etwa auch Daten über die zu fertigenden Produkte und die Produktionsabläufe erforderlich. Alle Daten, die im Laufe einer Maschinenentwicklung entstehen, müssen von einem Informationssystem verwaltet werden, das die Durchgängigkeit der Daten und den Zugriff darauf sicherstellt. Ein umfassendes Datenmanagement und die abgestimmte Steuerung der Entwicklungsprozesse sind die wichtigsten Grundlagen für die effiziente Nutzung integrierter Simulationsanwendungen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde als Kern des Datenmanagements für die maschinennahe Simulation ein Referenzmodell entwickelt, das eine Daten-, eine Prozess- und eine Ressourcensicht enthält. Dieses Referenzmodell stellt somit ein integriertes Produkt- und Prozessmodell dar, in dem alle Entwicklungsteilaufgaben abgebildet werden können. Der benötigte Datenumfang für die Simulationen und die Anwendungsmethoden sind in Teilmodellen enthalten. Die Simulationskomponenten unterschiedlicher Entwicklungsebenen werden anhand der Teilmodelle zusammengefügt und in einer übergreifenden Sicht dargestellt. Der Teil des Referenzmodells, der das Systemverhalten von Maschinen betrifft, wurde in einer Datenbank realisiert, die alle relevanten Maschineninformationen für die Ablaufsimulation enthält. Teile des Informationsinhalts werden über das Datenmanagement direkt aus Entwicklungsdaten übernommen. Andere Informationen zur Beschreibung der virtuellen Maschinen müssen speziell für die Zwecke der Systemsimulation bereitgestellt werden. Dies sind beispielsweise Bausteine zur Beschreibung der Maschinenlogik mit definierte Ein- und Ausgabeparametern. Das realisierte System bildet die Schnittstelle zwischen Maschinenherstellern und Anlagenbetreibern beim Einsatz von maschinennahen Simulationskomponenten für die Ablaufsimulation. Die Bereitstellung dieser Komponenten hat für Anlagenhersteller den Vorteil, dass bereits während der Angebotsphase verlässliche Aussagen über das Maschinenverhalten im System gemacht werden können. Dabei kann von einer hohen Planungssicherheit ausgegangen werden, da direkt auf die Entwicklungsdaten der Maschinen zurückgegriffen wird. Für Kunden und Betreiber der Maschinen besteht der Vorteil darin, dass vor dem Kauf überprüft werden kann, ob und wieweit Anforderungen erfüllt sind, wodurch Fehlinvestitionen vermieden werden. Weiterhin wird durch die simulationsbasierte Planung ein schneller Produktionsanlauf sichergestellt. Für die Praxisanwendung der Simulationskomponenten wurde neben den Maschinendaten auch die Modellierung von Produktionssystemen und -abläufen betrachtet. Dabei wurden für den effizienten Einsatz Werkzeuge und Schnittstellen geschaffen, mit denen Fertigungsstrukturen sowie realistische Ablaufinformationen anhand von Arbeitsplänen generiert werden können und die eine Übertragung der Informationen an die Systemsimulation ermöglichen. Der Anwendernutzen der entwickelten Softwarebausteine wurde anhand einer konkreten Aufgabenstellung nachgewiesen. Technische Informationssysteme wie das hier vorgestellte integrierte Simulationsdaten-Management bestimmen zukünftig ganz wesentlich den Erfolg von Unternehmen. Ohne derartige Informationssysteme sind die gestellten organisatorischen und technischen Aufgaben bei der Entwicklung komplexer Maschinen oder Produktionsanlagen nicht mehr effizient zu bewältigen. Die Einführung eines solchen Systems ist zunächst mit großem Aufwand verbunden. Die Investitionen zahlen sich jedoch sehr bald durchverkürzte Entwicklungszeiten und qualitativ höherwertigere Produkte aus. Die heutigen Simulationssysteme werden in ihrer Funktionalität weiter zunehmen, wodurch mehrere unterschiedliche Simulations- und Planungsaufgaben mit einem Werkzeug durchgeführt werden können. Die Fortführung des Digital Manufacturing Gedankens führt zu integrierten Arbeitsumgebungen, die eine durchgängige Archivierung aller anfallenden Daten für die Weiterverwendung in hierarchischen Planungssystemen zum Ziel haben. Virtuelle Maschinen und ganz allgemein virtuelle Produkte werden mit dem Einsatz von standardisierten Bibliotheken und Schnittstellen zu den Simulationssystemen immer rationeller aufgebaut werden können. Letztendlich wird die Bereitstellung virtueller Anlagen für Planungszwecke durch die Maschinenhersteller nicht nur aus den integrierten, simulationsbasierten Entwicklungsprozessen resultieren, sondern auch eine obligatorische Anforderung der Anwender werden. Die vorliegende Arbeit stellt dazu die grundlegenden Methoden und Vorgehensweisen bereit.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
101
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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