2. Der Diskursbereich Produktionsprozeß - ITI - Otto-von

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Informatik
Institut für Technische und Betriebliche Informationssysteme
Arbeitsgruppe Rechnerunterstützte Ingenieursysteme
Grundlagen rechnerunterstützter Ingenieursysteme
Vorlesungsskript (Korrekturvorlage)
bearbeitet von:
Magdeburg, den 3.3.2001
Doz. Dr.-Ing. habil. G. Paul,
Dipl.-Ing. F. Kreutzmann,
Dipl.-Inf. S. Krötzsch
Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG ......................................................................................................... 4
2. DER DISKURSBEREICH PRODUKTIONSPROZEß ............................................. 4
2.1. Die Struktur des Produktionsprozesses ........................................................................................................ 4
2.1.1. Produktionsbereiche .................................................................................................................................. 5
2.1.2. Produktionsarten ....................................................................................................................................... 6
2.1.3. Produktionstechnik .................................................................................................................................... 7
2.1.4. Abläufe in Produktionsbereichen .............................................................................................................. 7
2.2. Elektronische Datenverarbeitung in der rechnerintegrierten Produktion ............................................... 7
2.2.1. Architektur der Rechnerintegration ........................................................................................................... 8
2.2.2. Verfahren des EDV- Einsatzes .................................................................................................................. 9
2.3. Neue Konzepte zur Produktionsorganisation ............................................................................................ 11
3.
STAND
DER
TECHNIK
ZUM
EINSATZ
VON
HARDUND
SOFTWAREPRODUKTEN FÜR DIE RECHNERUNTERSTÜTZTE PRODUKTION
................................................................................................................................. 13
3.1. Trendeinschätzung ....................................................................................................................................... 13
3.2. Die CAx-Techniken ...................................................................................................................................... 16
3.2.1. Rechneruntertützte Konstruktion (CAD) ................................................................................................. 17
3.2.1.1. Die Konstruktionsmethoden ............................................................................................................. 17
3.2.1.2. Anforderungen an die EDV-Systeme im KEP.................................................................................. 21
3.2.1.3. Einsatz von CAD-Systemen in der rechnerintegrierten Produktion ................................................. 23
3.2.2. Rechnergestützte Fertigungsplanung (CAP)............................................................................................ 28
3.2.2.1
Einordnung und Aufgaben der Fertigungsplanung .................................................................... 28
3.2.2.2.
Stand, Probleme und Tendenzen der rechnergestützten Realisierung ....................................... 30
3.2.3. Rechnerunterstützte Fertigung (CAM) .................................................................................................... 34
3.2.3.1. Einordnung und Aufgabenstellung ................................................................................................... 34
3.2.3.2. Rechnereinsatz im CAM-Bereich ..................................................................................................... 35
3.2.4. Rechnerunterstützte Qualitätssicherung (CAQ) ...................................................................................... 38
3.2.4.1. Qualitätssicherung- Eine Aufgabe mit zunehmender Bedeutung ..................................................... 38
3.2.4.2. Aufbau von CAQ-Systemen ............................................................................................................. 39
3.2.5. Produktionsplanung und -steuerung (PPS) .............................................................................................. 40
3.2.5.1. Aufgaben und Stellung des PPS im Unternehmen ............................................................................ 40
3.2.5.2. Die Elemente eines PPS-Systems und deren Aufgaben .................................................................... 42
3.2.5.3. Stand der Rechnerunterstützung [RuGo-91] .................................................................................... 45
3.2.6. Produktdaten- und Dokumentenverwaltungssysteme (EDM/PDM) ........................................................ 46
3.2.6.1. Aufgaben von EDM-Systemen ......................................................................................................... 47
3.2.6.2. Anforderungen an EDM-Systeme .................................................................................................... 50
3.2.6.3. Beispielsysteme ................................................................................................................................ 51
4. CIM - EIN KONZEPT FÜR DIE INTEGRATION ................................................. 54
4.1. Strategien zur Einführung von cIm ............................................................................................................ 54
4.1.1. Struktur der cIm-Aufgabe........................................................................................................................ 54
4.1.2. Spezifikation der Teilschritte .................................................................................................................. 56
4.2. cIm-Funktionsbereiche ................................................................................................................................ 59
2
4.2.1. Allgemeine Situation ............................................................................................................................... 59
4.2.2. Bewertung des Standes der Rechnerunterstützung in den Funktionsbereichen ....................................... 60
4.3. cIm-Realisierungskonzept ........................................................................................................................... 62
4.4. Das cIm-Integrationsmodell ........................................................................................................................ 64
4.4.1. cIm-Integrationsebenen ........................................................................................................................... 64
4.4.2. cIm-Integrationsschritte........................................................................................................................... 67
4.4.3. cIm-Schnittstellen .................................................................................................................................... 69
4.4.4. Soziale und arbeitspolitische Aspekte ..................................................................................................... 71
4.5. Integration am Beispiel der cIm-Informationsverwaltung ....................................................................... 72
4.5.1. cIm-Referenzinformationsmodelle .......................................................................................................... 72
4.5.2. Im-Integrationsstufen .............................................................................................................................. 75
5. BEISPIELE FÜR RECHNERUNTERSTÜTZTE INGENIEURSYSTEME ............ 83
5.1. Amherst-Karlsruhe-CIM-Modell [ReNS-94]............................................................................................. 83
5.2. Integriertes, featurebasiertes System INTEP/INFID [PKSM-95] ............................................................ 86
5.3. Entwicklungsumgebung für komponentenorientierte, technische Informationssysteme ....................... 91
5.3.1. Ausgangssituation ................................................................................................................................... 91
5.3.2 Anforderungen an Integrationskonzepte für Entwurfsumgebungen ......................................................... 95
5.3.3 Komponentenbasierten Tool-Integration .................................................................................................. 98
5.3.4 Laufzeitunterstützung der Komposition ................................................................................................. 100
5.3.5 Prototyp und Anwendungsbeispiele ....................................................................................................... 103
6. ZUSAMMENFASSUNG ...................................................................................... 106
7. LITERATURÜBERSICHT.................................................................................. 108
3
1. Einleitung
Eine effiziente Unterstützung betriebswirtschaftlicher Prozesse durch einen gezielten Computereinsatz steht im Mittelpunkt vieler Bemühungen. Es entstehen Informationssysteme, die
mehr oder weniger große Teile des Produktionsprozesses abbilden. Auffällig ist, daß diese
Informationssysteme nach wie vor Individuallösungen darstellen und meist in sich geschlossen sind. Eine Erweiterung des Diskursbereiches durch Verknüpfung mit anderen Komponenten führt zu Anpassungsproblemen, die oftmals nur über die Lösung schwieriger Schnittstellenprobleme zu beseitigen sind. Die „bessere“ Lösung besteht in der Schaffung offener Systeme, die sich an gewissen Richtlinien orientieren. Entscheidend ist, daß sich alle an der Entwicklung und Nutzung solcher Systeme beteiligten Partner auf eine gemeinsame Vorgehensweise verständigen. Das bedeutet u.a., daß sich insbesondere Ingenieure, Betriebswirtschaftler
und Informatiker gleicher Verständigungsmittel bedienen, um eine gemeinsame Analyse des
zu unterstützenden Prozesses sowie eine gemeinsame Synthese des zu entwickelnden Informationssystems anzugehen.
Dieses Anliegen wird durch die Buchreihen der Autoren
A.-W. Scheer , O. Abeln, K.-W. Jäger, D.Ruland/H. Gotthardt, B. Scholz-Reiter, U.
Schüler, U. Rembold, Gausemeier, Grabowski, Spur & Krause, Eigner u.a.
in hohem Maße gefördert.
Diese Vorlesungsreihe stützt sich demzufolge zum großen Teil auf diese Literatur.
Mit der Überschrift „Rechnerunterstützte Ingenieursysteme“ wird versucht, die Richtung der
Entwicklung der Systeme zur Unterstützung der Ingenieurtätigkeiten zu geben, da diese die
betriebswirtschaftlichen Effekte entscheidend beeinflussen. Da im Rahmen der Vorlesungsreihe insbesondere Informatiker und Wirtschaftsinformatiker als Zuhörerkreis angesprochen
werden, gibt der erste Teil zunächst einen Einblick in die Prozesse der Produktion. Daran
schließt sich eine Einschätzung des Standes der Rechnerunterstützung an. Im Mittelpunkt stehen hierbei die CAx/PPS- und EDM/PDM-Techniken. Ein dritter Schwerpunkt soll die
Grundlagen für die Nutzung einer gemeinsamen „Sprache“ zwischen Informatikern, Wirtschaftsinformatikern und Prozeßingenieuren legen. Gemeint sind die Methoden und Techniken für eine gemeinsame Informationsanalyse.
Die folgenden Ausführungen befassen sich mit den Problemfeldern des Einsatzes solcher Lösungen aufgrund des Standes der Technik und der Anforderungen, die aus der Praxis gestellt
werden. Die Fragen des Entwurfes solcher integrierter Lösungen werden in der Nachfolgeveranstaltung “Entwurf und Einsatz Technischer Informationssysteme“ besprochen.
2. Der Diskursbereich Produktionsprozeß
2.1. Die Struktur des Produktionsprozesses
Um letztendlich das Ziel einer rechnerintegrierten Produktion (früher auch unter den Begriffen
CIM [Computer Integrated Manufacturing] oder Fabrikautomatisierung zusammengefaßt) zu
erreichen, bedarf es profunder Kenntnisse über die in der Produktion ablaufenden Prozesse.
Natürlich liegen diese Informationen beim Prozeßverantwortlichen (Ingenieur, Betriebswirt)
4
vor. Um diese Informationen rechnerunterstützt zu verarbeiten, ist die partnerschaftliche Zusammenarbeit mit dem Informatiker, Wirtschaftsinformatiker oder auch Mathematiker zwingend erforderlich. Demzufolge ist es wünschenswert, daß diese Arbeit auf einem Level aufsetzt, das von einem bestimmten Durchschnitt gemeinsamer Kenntnisse ausgeht. Das heißt,
der Ingenieur oder Betriebswirt muß sich in der Welt der rechnerunterstützten Informationsverarbeitung genauso gut zurechtfinden wie der Informatiker oder Wirtschaftsinformatiker
Zusammenhänge der Produktion erkennen muß. Die Vermittlung dieser Grundinformationen
über den Produktionsprozeß ist Gegenstand dieses Unterkapitels.
Der Begriff „Produktion“ zielt auf Vorgänge und Tätigkeiten ab, die mittelbar oder unmittelbar der Herstellung von Erzeugnissen dienen [VDI-78]. Der Begriff rechnerintegrierte Produktion beschreibt die technische und organisatorische Integration von EDV-Systemen in ein
Gesamtkonzept zur durchgängigen Informationsverarbeitung über alle Funktionsbereiche der
Produktion [Ande-93]. Der Vorgang Produktion läßt sich wie folgt strukturieren :
 Organisatorische Strukturierung der Funktion einer Produktion in Produktionsbereiche,
 Charakterisierung der Auftragsabwicklung durch Produktionsarten,
 Charakterisierung der Leistungsmerkmale der Produktentwicklung und -herstellung durch
Produktionsarten,
 Charakterisierung der Abläufe in Produktionsbereichen durch
methodische Vorgehensweise,
Arbeitsmethoden und
Tätigkeitsfolgen.
2.1.1. Produktionsbereiche
Der Begriff Produktionsbereich steht stellvertretend für die Zusammenfassung der organisatorischen Bereiche eines Unternehmens, deren Aufgabe es ist, Produkte zu entwickeln und herzustellen. Die Bildung und Abgrenzung von Produktionsbereichen ist unternehmens- und
zeitabhängig. Um die innerbetrieblichen und überbetrieblichen Informationsflüsse zuordnen
zu können, empfiehlt der DIN Fachbericht 15 acht Produktionsbereiche [NCIM-87] :
 Unternehmensplanung
Die Unternehmensplanung umfaßt die langfristige, strategische Planung und Entscheidung
über Produktentwicklung, Marktorientierung, Kunden- und Zulieferorientierung sowie über
die Bereitstellung und Funktionserhaltung der Produktionsstätten und -mittel.
 Marketing und Vertrieb
Der Bereich Marketing und Vertrieb umfaßt alle Funktionen, um das Unternehmen mit dem
Markt zu verbinden. Funktionen sind
Ermittlung des Marktbedarfs,
Bestimmung der Unternehmenssituation,
Absatzplanung,
Erarbeitung und Umsetung einer Marktpolitik und Absatzförderung,
Kundenauftragsabwicklung mit Auftragsvorklärung,
Angebotserstellung,
Auftragsverwaltung, Auftragsüberwachung und
Vertriebsabwicklung mit Verwaltung des Vertriebslagers, dem Versand und dem Kundendienst.
 Entwicklung und Konstruktion
5
Funktionen dieses Bereiches sind das Konzipieren, Entwerfen und Detaillieren von technischen Produktlösungen.
 Betriebsmittelplanung
In diesen Bereich fallen
Ermittlung des Betriebsmittelbedarfs,
Planung der Betriebsmittelerstellung und
Planung und Verwaltung des Betriebsmitteleinsatzes und der Instandhaltung.
 Arbeitsplanung
In der Arbeitsplanung werden die in der Konstruktion dokumentierten technischen Lösungen
in Daten zur Durchführung der Fertigung und Montage umgesetzt. Dazu gehören:
Planungsvorbereitung,
Betriebsmittelspezifikation,
Materialplanung,
Kostenplanung,
Methodenplanung,
Arbeitsplanerstellung
Programmierung von numerisch gesteuerten Maschinen.
 Produktionsplanung und -steuerung
Dieser Bereich umfaßt die Planung und Steuerung der Produktherstellung. Funktionen sind
notwendig zur
Planung und Steuerung von Mengen, Terminen, Kapazitäten und Kosten,
Auftragsabwicklung (Auftragsüberwachung, Terminierung, Fakturierung).
 Produktionsausführung
Diesem Bereich können die Funktionen der
Werkstattsteuerung,
Materialflußsteuerung,
Vorbereitung,
Bearbeitung mit Teilfertigung,
Montage und Prüfung,
Lagerung und Transport sowie
Wartung und Instandhaltung
zugeordnet werden.

Qualitätssicherung Die Qualitätssicherung begleitet den gesamten Produktiosprozeß.
Funktionen sind:
 Qualitätssicherung,
 Qualitätsplanung,
 Qualitätsprüfung,
 Qualitätslenkung.
(Bild 2.1, [Ande-93])
2.1.2. Produktionsarten
Die Merkmale der Auftragsabwicklung bestimmen die Produktionsart. Je nach Anzahl der zu
fertigenden Produkte spricht man von
Einzel-,
6
Kleinserien- und
Serienfertigung.
Die Einzelfertigung orientiert sich direkt am individuellen Kundenauftrag, die Serienfertigung
orientiert sich am Markt (Bild 2.2, [Ande-93]).
2.1.3. Produktionstechnik
Der Begriff Produktionstechnik vereinigt das technische Leistungspotential einer Produktion.
Einflußgrößen, die die Produktionstechnik bestimmen, sind:
 Produktionsverfahren (Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten),
 Produktionshilfsmittel (Maschinen, Werkzeuge, Vorrichtungen),
 Automatisierung in der Produktion (Verfahren zur Steuerung und Regelung der Verarbeitung),
 Integration in der Produktion,
 Organisation in der Produktion (Kompetenz-und Verantwortungsbereiche),
 Qualifikationsprofile der Mitarbeiter.
2.1.4. Abläufe in Produktionsbereichen
In jedem Funktionsbereich der Produktion laufen spezielle Vorgänge ab. Eine Abstrahierung
zum Allgemeinen gelingt durch die nachfolgenden Kennzeichen:
 Methodische Vorgehensweise zur Ausführung der Funktionen:
Funktionen werden auf Abstraktion, Strukturierung und Spezifizierung untersucht. Als Ergebnis dieser Funktionsanalyse wird eine methodische Vorgehensweise abgeleitet.
 Arbeitsmethoden:
Arbeitsmethoden sind Verfahren und Hilfsmittel zur Lösungsfindung der jeweiligen Aufgabenstellung. Als Verfahren eignen sich z.B. ein Vorgehensplan, Regelwerk oder Ablaufschema.
 Tätigkeitsfolge:
Tätigkeitsfolgen sind die Sequenz von Tätigkeitsschritten, die zur Bearbeitung einer Funktion
durchlaufen werden müssen. Für die Ausführung dieser Schritte können Methoden zur Verfügung stehen. Wichtig ist auch die Herausarbeitung von gegenseitigen Abhängigkeiten. Die
Systemwissenschaft liefert eine gute Basis für die Analyse dieser Problemstellung.
2.2. Elektronische Datenverarbeitung in der rechnerintegrierten Produktion
Die Informationsverarbeitung in den Produktionsbereichen ist durch EDV-Systeme geprägt,
die bereichsspezifische oder bereichsübergreifende Tätigkeiten unterstützen. Diese Systeme
sind somit auch mit dieser Zielstellung entwickelt und implementiert worden. Demzufolge
findet man heute eine Vielfalt von EDV-Lösungen vor. Ihr Einsatzfeld drückt sich bereits in
dem typischen Namen aus:
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CAD
Computer Aided Design (Rechnergestütztes Konstruieren)
CAP
CAM
CAA
CAQ
CAR
CAI
CAE
Computer Aided Planing (Rechnergestützte Arbeitsplanung)
Computer Aided Manufacturing (Rechnergestütztes Fertigen)
Computer Aided Assembling (Rechnergest. Montageplanung)
Computer Aided Quality Assurance (Rechnergestützte Qualitätssicherung)
Computer Aided Robotics (Rechnergestützter Robotereinsatz)
Computer Aided Inspection (Rechnergestützte Instandhaltung)
Computer Aided Engineering (Rechnergestütztes Entwickeln und Planen mit
Schwerpunkt auf Berechnung)
Computer Aided Testing (Rechnergestütztes Prüfen)
Produktionsplanung und -steuerung
CAT
PPS
EDM/
PDM
WFM
SCM
CRM
Engineering Document Management/Product Data Management
Workflow Management u. a.
Supply Chain Management
Customer Relationship Management
Die Bemühungen um eine Integration der Produktionsbereiche auf der Basis der Kommunikation unterschiedlicher Hard- und Softwaresysteme werden unter dem Begriff
Computer Integrated Manufacturing (Rechnerintegrierte Produktion)
CIM
geführt, wobei heute die Bedeutung mehr bei dem Buchstaben „I“, d.h. bei der Integration
liegt. Bezieht man alle Bereiche des Unternehmens, also auch die kommerziellen Bereiche
und das Management in die Integration ein (Bild 2.3, [Ande-93]), so spricht man von
CAI
ERP
Computer Aided Industry (Rechnergestützte Informationsverarbeitung und Industrieunternehmen) oder
Enterprize Ressource Planing.
2.2.1. Architektur der Rechnerintegration
Zwischen den EDV-Systemen der Produktionsbereiche werden physische Verbindungen aufgebaut, um Daten auszutauschen. Diese Verbindungen können
Off-Line Verbindungen über digitale Datenträger z.B. Magnetband, Diskette, CD oder
On-Line Verbindungen durch die Installation von Datenleitungen als Rechnernetz sein.
Der Aufbau eines Rechnernetzes führt zwangsläufig zu einer Rechnerintegration. Stellt man
den Bezug zu den einzelnen Ebenen der Unternehmensorganisation her, so führt die Architektur auf ein Vier-Ebenen-Konzept (Bild 2.4, [Ande-93]) mit
Planungsebene,
Leitebene,
Führungsebene und
Steuerungsebene.
8
Die Aufgaben in den einzelnen Ebenen seien kurz charakterisiert:
 Planungsebene:
Umfaßt Funktionen zur methodischen Entwicklung von technischen Lösungen für Produkte
und für Arbeitsvorgänge zur Produktherstellung. Die Tätigkeit in diesem Bereich ist häufig
interaktiv im Sinne einer Optimierung gestaltet.
 Leitebene:
Übernimmt die freigegebenen Darstellungen der technischen Lösung, insbesondere
Fertigungsaufträge,
technische Zeichnungen,
Stücklisten, Arbeitspläne, NC-Steuerdaten,
steuert Aufträge in den Produktionsprozeß ein und stellt Steuerdaten den ausführen
Produktionseinrichtungen zur Verfügung.
Weitere Funktionen sind :
den
Steuerdatenverteilung,
Überwachung von Fertigungs- und Montageabläufen sowie
Überprüfen der fertigen Produkte.
 Führungsebene:
Löst die Ausführung von Aufträgen aus, überwacht die Ausführung und wertet diese aus. Eine
Fehleranalyse wird durchgeführt. Das Ergebnis der Auftragsausführung wird an die Leitebene
zurückgemeldet.
 Steuerebene:
Führt Aufträge unter Nutzung der Steuerdaten aus und meldet die Ausführung an die Führungsebene.
Voraussetzungen zur Führung eines solchen Rechnerverbundes sind
a) Aufbau lokaler Rechnernetze (LAN - Local Area Network) mit entsprechender
steuerbarer Kommunikation zwischen EDV-Systemen,
b) Aufbau eines einheitlichen Datenhaltungskonzeptes durch
zentrale Datenbank,
dezentrale Datenbanken,
verteilte Datenbanken,
c) Aufbau eines einheitlichen Archivierungskonzeptes für die komprimierte, speicherbedarfsminimierte Langzeitspeicherung der Daten,
d) Aufbau eines einheitlichen Konzeptes für die Benutzungsoberfläche zur Bedienung der
verschiedenen EDV-Systeme.
2.2.2. Verfahren des EDV- Einsatzes
Rechnersysteme im technischen Bereich werden grundsätzlich in Stapel- oder Dialogverarbeitung betrieben. Es dominiert der Dialogbetrieb. Die Stapelverarbeitung hat für die Aufgaben
Bedeutung, die in keiner unmittelbaren Zeitabhängigkeit stehen (z.B. Variantenerstellung,
Archivierung, Sicherung).
Die Weitergabe und der Austausch von Daten ist nach drei Verfahren möglich:
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1. auf analogen Datenträgern (konventionelle Lösung, z.B. Zeichnung oder Stückliste),
2. auf digitalen Datenträgern über genormte Schnittstellen (gekoppelte Lösung),
3. auf digitalen Datenträgern auf der Basis einheitlicher Datenmodelle (integrierte Lösung).
Die dritte Option unterstützt verschiedene, anwendungsabhängige Subsysteme, wobei die
Kommunikation und die Verarbeitungsprogramme anwendungsspezifisch bereitgestellt werden. Die Möglichkeit einer Integration setzt jedoch mindestens einen gemeinsamen Baustein
voraus, über welchen der Austausch von Informationen stattfindet. Dieser Baustein ist die
rechner-interne Darstellung z.B. des Produktmodells, das nach einem einheitlichem, logischen
Datenmodellschema aufgebaut ist (Bild 2.5, [Ande-93]).
Wenn Informationen bzw. Daten in der Produktion ausgetauscht werden, entstehen Datenflüsse. Zunächst kann man den Datenaustausch anhand des Bilanzkreises, in welchem er stattfindet, in
einen innerbetrieblichen und
einen überbetrieblichen Austausch
klassifizieren.
Funktional liefert die rechnerintegrierte Produktion drei Klassen von Datenmengen (Bild 2.6):
a) produktdefinierende Daten,
b) prozeßdefinierende Daten,
c) auftragsdefinierende Daten.
CAD
Produktkonzeption
FEM
Konstruktion
CAM
Musterbau
CAT
Versuch
CAD
CAM
PPS
Produktdatenverbund
(Stücklisten,
Geometrie)
Fertigungsmittelkonstruktion u. Fertigung
Materialwirtschaft
PPS
Auftragsdatenverbund
Teilefertigung
Robotik
PPS
CAQ
Montage
Qualitätssicherung
Fertigungsdatenverbund
(ArbeitsplanBetriebsmittel)
Bild 2.6: Grobklassifikation von Datenmengen für die rechnerintegrierte Produktion
nach [Ande-93]
a)
produktdefinierende Daten :
Sie enthalten alle Daten, die ein Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus beschreiben.
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b)
prozeßdefinierende Daten :
Sie umfassen alle Merkmale, die den Ablauf eines Vorganges beschreiben. Der Faktor Zeit
spielt hierbei eine wesentliche Rolle.
c)
auftragsdefinierende Daten :
Sie enthalten Merkmale, die einen Auftrag charakterisieren (Menge, Termine).
Diese drei Datenklassen sind voneinander abhängig.
2.3. Neue Konzepte zur Produktionsorganisation
Die Beschäftigung mit CIM als Weg zur automatischen Fabrik, als Weg zur Integration aller
rechnerunterstützten Funktionen in einem Unternehmen, ließ viele Fragen zur Durchführbarkeit offen, die auch generell an eine weitere Steigerung der technischen Machbarkeit als sinnvollen Weg zum Erfolg zweifeln ließen [Warn-95].Das gegenwärtige deterministische Weltbild mit bekannten oder erkennbaren Zusammenhängen zwischen Ursache und Wirkung ist
nicht ausreichend, da es nur für abgegrenzte Teilbereiche der Realität gilt. Physiker und Mathematiker akzeptieren bereits, daß es schier unmöglich ist, ein System mit vielen Elementen,
die mehrfache, häufig nichtlineare Beziehungen untereinander haben, zu erfassen und zu berechnen. Wahrscheinlichkeiten, Näherungen und Unschärfen sind probate Mittel, um Ordnung
in das Chaos zu bringen.
Ausgehend von dieser Realität ist ein Umdenken in der Unternehmensorganisation erforderlich, denn der bisherige Reifegrad der Produktion läßt bei hohem Aufwand wenig Steigerung
im Nutzen erkennen.
Neue Organisationsansätze sind (in Schlagworten):
strategische Allianzen, Reduzierung der Komplexität, Konzentration auf Kerngebiete, Senkung der Fertigungstiefe, Gemeinkostenwertanalyse, Segmentierung, Bildung von Fertigungszellen, Gruppenarbeit, Lean-Management.
Schlußfolgerungen nach Warnecke: Konzept der Fraktalen Fabrik als Oberbegriff für all diese
Ansätze!
Begriffserklärung für Fraktale:
Fraktale sind Organismen und Gebilde, die sich durch Selbstorganisation, Selbstoptimierung
und Dynamik auszeichnen.
Marktwirtschaft soll nun nach diesem Prinzip funktionieren. Das heißt, Selbstorganisation und
Selbstoptimierung in der Produktion innerhalb kleiner, schneller Regelkreise wird angestrebt.
11
Stellgröße
(Startinformation)
Regelstrecke
Entwurfsprozeß
Regelgrößen
(Produktdaten)
Stelleinrichtung
Partialmodell
Steuergröße
(Nachrichten)
Regler
PDV-Algorithmen
Qualitätsanforderungen
Bild 2.7: Regelkreis
Kritik zur bisherigen Organisation von Produktionsunternehmen:
Arbeitsteilung und strenge Funktionsorientierung im Unternehmen haben Dienstleistungsbewußtsein abhanden kommen lassen. Für viele Mitarbeiter sind die Beziehungen ihres Unternehmens nach außen nicht relevant.
Gebraucht wird dringend die direkte Kommunikation auf der horizontalen Leitungsebene!
Fraktale kommunizieren direkt mit Fraktalen der Zulieferer und Abnehmer. Sie können weltweit verteilt sein. Durch Selbstorganisation wählen sie ihre Methoden und Techniken. Der
einzelne Mitarbeiter wird somit mehr gefordert. Zielsetzungen, Abstimmungen und Anpassungen erfolgen über Netzwerke.
Das Bilden und Managen solcher Netzwerke zur Information und Kommunikation ist
die personelle, organisatorische und technische Herausforderung der Zukunft.
Zusammenfassung:
Das Fraktale Unternehmen ist ein offenes System, das aus selbständig agierenden und in ihrer
Zielausrichtung selbständigen Einheiten - den Fraktalen - besteht.
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3. Stand der Technik zum Einsatz von Hard- und Softwareprodukten für die rechnerunterstützte Produktion
3.1. Trendeinschätzung
Das wirtschaftliche Umfeld für den Einsatz von Computertechniken im Rahmen einer rechnerunterstützten Produktion (cIm) oder rechnerunterstützten Industrie (CAI) ist durch einen
Verdrängungswettbewerb vor allem der europäischen (insbesondere deutschen) Indutrie mit
Japan und den USA gekennzeichnet [Ober-92] (Bild 3.1).
Dabei ist ein Wandel vom Verkäufermarkt zum Käufermarkt festzustellen, der den Lebenszyklus der Produkte drastisch verkürzt und somit zu Innovationen in der Entwicklung und
Fertigung der Produkte zwingt. Das Ausnutzen von Marktnischen und ein rasches Reagieren
auf Kundenwünsche ist von strategischer Bedeutung für die Unternehmen. Unter diesen
Randbedingungen lohnt ein Blick auf das technische Umfeld für die Produktion. Hierbei ist
generell einzuschätzen, daß die rasche Entwicklung der Mikroelektronik nicht nur die Produkte, sondern auch die Produktionstechnik beeinflußt hat (Bild 3.2, [Ober-92]).
Fertigungseinrichtungen sind intelligent geworden und zeichnen sich durch Eigenschaften wie
Programmierbarkeit,
digitale Ansteuerbarkeit und
Kommunikationsfähigkeit
aus (z.B. NC-Maschinen, Roboter, rechnergesteuerte Lager- und Transportsysteme). Mittelbar
hat der Mikroprozessor aber auch die Informationsverarbeitung beeinflußt und damit leistungs-fähige Workstations, graphische Arbeitsplätze und lokale Netze ermöglicht.
In der Produktion selbst werden neue organisatorische Ansätze wie
Just-in-Time-Produktion,
Continuous-Flow-Managment,
Lean Production,
fraktale Fabrik eingeführt.
Dabei steht das Bemühen um niedrige Kapitalbindung bei gleichzeitig flexibler Fertigung im
Vordergrund. Betrachtet man diese Situation mit den Augen eines Betriebswirtes, so geht es
einfach und allein darum, den Unternehmenserfolg dadurch zu sichern, daß die Gewinne maximiert werden
13
Unternehmens-Erfolg
BETRIEBSERGEBNIS
Kosten
Erlöse
Gewinn
Bild 3.3: Unternehmenserfolg nach [Ober-92]
Diese ganzheitlich ökonomische Betrachtungsweise vermittelt jedoch weder eine Kostenstruktur noch ein Rezept für die Kostensenkung. Dies setzt eine tiefgehende Analyse voraus. Diese
Analyse setzen wir bei den in Kapitel 2 beschriebenen Produktionsbereichen an (Bild 3.4).
Marketing und
Vertrieb
Unternehmensplanung
Entwicklung u. Konstruktion
CIM - Computer Integrated Manufactoring
CIM - Computer Integrated Manufacturing
CAD - Computer Aided Design
CAE - Computer Aided Engineering
CAI - Computer Assisted Industry
CIMComputer
Integrated
Manufacturing
Produktionsplanung u. -steuerung
Arbeitsplanung
CIM Computer
Integrated
Manufactoring
CAP Computer Aided
Planing
CAA Computer Aided
Assembling
CIM - Computer Integrated Manufactoring
CAI
Computer
Assisted Industry
PPS - Produktionsplanung und -steuerung
CAP - Computer Aided Planing
Betriebsmittelplanung
CIM CAI Computer Aided
Inspection
CAD Computer Aided
Design
CAR Computer Aided
Robotics
Produktionsausführung
CIM - Computer Integrated Manufactoring
CAR - Computer Aided Robotics
CAI - Comuter Aided Inspection
CAM - Computer Aided Manufactoring
CAA - Computer Aided Assembling
Qualitätssicherung
CIM Computer
Integrated
Manufacturing
CAQ Computer Aided
Quality Assurance
CAI Computer Aided
Inspection
CAM Computer Aided
Manufacturing
CAT Computer Aided
Testing
Bild 3.4: Organisatorische Struktur von Produktionsbereichen nach [Ande-93]
Zunächst untersuchen wir den Abschnitt des Produktionslebenszyklus, der der Vorbereitung
des Produktes dient. Hierzu gehören
Produktplanung,
Konstruktion,
Arbeitsplanung,
Prototypbau,
Produkt- und Prozeßversuch sowie
die planenden Teile der Fertigungssteuerung.
14
„Der Erfolg und die wesentlich leistungsfähigere Produktionsvorbereitung der japanischen
Unternehmen offenbaren die Defizite in europäischen Unternehmen und erzwingen ein Umdenken in der Produktionvorbereitung. Der Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit europäischer
Unternehmen in der Zukunft wird wesentlich von deren Fähigkeit zur Leistungssteigerung in
der Produktionsvorbereitung abhängen.“ [Krau-92]
erreichbarer Nutzen bei
100 %iger Anwendung
CAD CAP
CAM
SUM
bis 1990 durchschnittlich
erreichbarer Nutzen
CAD CAP
CAM SUM
direkter Nutzen
1,3
0,9
7,4
9,6
0,66
0,36
0,25
3,5
indirekter Nutzen
(funktionsübergrei-
4,0
1,1
0,8
5,8
2,0
0,64
0,3
3,0
indirekter Nutzen
(Kapazität)
0
2,5
8,0
10,5
0
1,5
4,6
6,1
Summe des
4,0
3,6
8,8
16,4
2,0
2,2
4,9
9,1
2,5
7,4
12,6
Art des Nutzens
fend)
indirekten Nutzens
Gesamtnutzen *
5,3
4,5
16,2
26,0
2,66
Angaben in % des Gesamtnutzens
Bild 3.5: Vergleich des direkten und indirekten Nutzens [Eign-91]
Bisherige Konzepte zum Rechnereinsatz in der Produktionsvorbereitung gingen vordergründig davon aus, die in dieser Phase der Produktentstehung anfallenden (verursachten) Kosten
zu reduzieren (Bild 3.5).
Jetzige Strategien zielen darauf ab, neben einer Reduzierung der verursachten Kosten
 den Nachweis der Ertragsabhängigkeit von den Produktanlaufzeiten (Bild 3.6, [Eign-91]
2.3-1) und
 den Nachweis der Reduktion der festgelegten bzw. für die nachfolgenden Bereiche geplanten Kosten (Bild 3.7, [Eign-91] 2.3-2) zu führen. (Bild 3.8/Bild 3.9 [Eign-91]).
Auf die Produktionsvorbereitung (oder auch Produktanlauf) bezogen, heißt dies:
Reduktion der Produktanlaufzeit,
Reduktion der verursachten und festgelegten Kosten,
fertigungs-, montage- und planungsgerechte Produktstruktur sowie
Erhöhung der Produktqualität [Eign-91].
15
Optimierung
Optimierung
Produktanlauf
(Time to market)
Lieferbereitschaft
(Time to manufacture)
M
e
t
h
o
d
e
n
- Simultaneous Engineering
- Projektmanagement
- Gruppentechnik
- Optimierung Hilfsbetriebe
(BMB/WZB, Musterbau)
- Ablauforganisation
- Nummernsystem
- Klassifizierung
- Dokumentenverarbeitung
- Freigabe -/Änderungswesen
- Produktstrukturen
- Fertigungs-/montage-/
planungsgerechte
Produktstruktur
- "Make or buy" - Konzept
- Planungsmethoden
(BOA, OPT, JIT, FZ)
- Materialflußlogistik
- Fertigungs-/Montagetechnik
S
y
s
t
e
m
e
- CAD
- CAE
- CAM (BMB, WZB)
- PMS
- PPS (BMB, WZB)
- TIS/EDB
- CAM
- PPS
- WST
- BDE
- CAQ
Legende:
BMB = Betriebsmittelbau
WZB = Werkzeugbau
BOA = Belastungsorientierte Auftragsfreigabe
JIT = Just in time
FZ = Fortschrittszahlen-Konzept
Bild 3.8: Generelle Zielsetzung von CIM nach [Eign-91]
Weiterhin sollte die Leistungsfähigkeit der Produktionsvorbereitung mit folgenden Kriterien
meßbar oder bewertbar sein :
Produktionsvorbereitungszeit,
Produktqualität,
Produktkosten,
Kosten der Produktionsvorbereitung.
3.2. Die CAx-Techniken
Die „Computer Aided“-Techniken sollen insbesondere den Ingenieur in seiner vielseitigen
Arbeit unterstützen. Gemäß den bereits aufgeführten Produktionsbereichen haben alle Systeme eine spezielle Stoßrichtung in ihrer Anwendung. Die Systeme unterstützen demzufolge
mehr oder weniger
 die konstruktiven Ingenieurmethoden im Entwicklungs- und Konstruktionsprozeß
(CAE,CAD),
 planerischen Ingenieurmethoden in der Betriebsmittel- und Arbeitsplanung (CAP,PPS),
 die operativen Ingenieurmethoden der Steuerung des Fertigungsprozesses (CAM, PPS,
WOP, BDE, CAQ) sowie
16
 die systemintegrierenden Ingenieurmethoden über das gesamte Unternehmen (CIM, CAI)
[Abel-90]).
Selbstverständlich besteht zwischen all diesen Systemen eine mehr oder weniger intensive
Kopplung (Bild 3.10, [Sche-90b]).
Nachfolgend werden die einzelnen Systeme besprochen.
3.2.1. Rechneruntertützte Konstruktion (CAD)
3.2.1.1. Die Konstruktionsmethoden
Bevor eine Rechnerunterstützung greifen kann, müssen die Methodik des zu unterstützenden
Prozesses und damit auch die daraus abgeleiteten Anforderungen an einen Rechnereinsatz klar
sein. Zunächst besteht erst einmal Übereinstimmung darin, daß „der Entwicklungs- und Konstruktionsprozeß ein interaktiver, stets über mehrere Phasen detaillierender Lösungsfindungsund Dokumentationsprozeß“ [Abel-90] ist.
Besonders in den Schritten der Lösungsfindung erbringt das Konstruieren intellektuelle Leistungen.
Konstruieren:
Ein vorwiegend schöpferischer Vorgang, der auf Wissen und Erfahrung aufbaut, um vorausdenkend eine optimale Lösung zu schaffen.
Ergebnis:
Ein funktioneller und struktureller Aufbau des zu schöpfenden Systems einschließlich der
Erstellung fertigungsreifer Unterlagen.
Die Vorgehensweise des Konstruierens kann systematisiert werden. Die einzelnen Teilschritte
werden als Phasen des Systems bezeichnet. Analog zum Softwareentwicklungsprozeß entsteht
ein Problemlösungszyklus, der die Phasen
Problemanalyse,
Problemformulierung,
Systemanalyse und Synthese und
Bewertung und Entscheidung beinhaltet.
Diese Phasen werden interaktiv durchlaufen. Die ganze Problematik findet sich in den VDIRichtlinien 2221-2223 wieder. Konkret auf den Konstruktionsprozeß bezogen spricht man
von den Phasen
Planen,
Konzipieren,
Entwerfen und
Ausarbeiten (Bild 3.11)
17
Konstruktionsauftrag
Planungsphase
Konzeptphase
Klärung und Präzisierung
der Aufgabe
Anforderungsliste
Ermittlung der notwendigen
Funktionen und Strukturen
Funktionsstruktur
Aufstellung von Lösungsprinzipien
und deren Bewertung
Prinziplösungen
Gliederung in
realisierbare Strukturen
Lösungsstrukturen
Gestaltung der einzelnen
Strukturen
Vorentwürfe
Gestaltung des Gesamtprodukts
Gesamtentwürfe
Ausarbeitung der Fertigungsund Dokumentationsunterlagen
Fertigungsdaten
Entwurfsphase
Ausarbeitungsphase
Fertigungsauftrag
Bild 3.11: Phasen und Ergebnisse des Konstruktionsprozesses [Abel-90]
Hierbei wird durchgehend von dem Zusammenhang Funktion, Wirkprinzip und Gestaltung
ausgegangen (Bild 3.12, [Ruge-89]).
Merkmale der Phasen:
 Planung
Aufgabenstellung analysieren und präzisieren, um eine Anforderungsliste zu dokumentieren.
Mittels Wertanalyse werden sowohl die Ziele, Kosten, Abläufe und Auswirkungen auf den
Entwicklungsprozeß, aber auch auf den Gesamtauftrag untersucht (siehe Bild 3.7).
 Konzipierung
Unabhängig von den einzelnen Lösungsmitteln (Verfahren, Techniken) sind die Funktionen
und Strukturen der Gesamtaufgabe zu definieren und zu analysieren. Lösungsprinzipien werden herausgearbeitet.
 Entwurf
Teillösungen werden entsprechend den gefundenen Strukturen maßgerecht gestaltet und durch
Versuche oder Berechnungen optimiert. Ergebnis ist ein Gesamtentwurf.
 Ausarbeitung
Konstruktionsunterlagen wie Zeichnungen und Stücklisten werden erstellt.
Bild 3.13 vermittelt einen Eindruck über die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Phasen des Entstehungsprozesses. Es versteht sich allzugut, daß dieser notwendige Rückgriff auf
Informationen möglichst eine effektive Rechnerunterstützung voraussetzt. Wie jeder andere
Prozeß durchläuft auch der Konstruktionsprozeß eine Entwicklung, die im wesentlichen von
den verfügbaren Lösungsmitteln abhängt. Der Vergleich der Konstruktionsphasen nach den
VDI-Richtlinien 2210 und 2222 in Bild 3.14 zeigt das Ergebnis.
18
techn. Lösungskonzept
Phasen der
konventionellen
Konstruktion
Phasen der
rechnerunterstützten
Konstruktion
Planen
Funktionsfindung
Prinziperarbeitung
Funktionsstruktur
Prinzipstruktur
maßstäblicher
Entwurf
Fertigungsunterlagen
Entwerfen
Ausarbeiten
Gestaltung
Detaillierung
Entwurf
Fertigungsunterlagen
Bild 3.14: Gegenüberstellung der Konstruktionsphasen nach [Ande-93]
Setzt man nun schon einmal den Rechnereinsatz zur Unterstützung des Konstruktionsentwicklungsprozesses (KEP) voraus, so lassen sich für die Entwicklung und den Einsatz von CADSystemen drei bestimmende Eigenschaften ableiten.
1. Die Produktentwicklung und -konstruktion erfolgt sukzessive von der abstrakten Funktionsbeschreibung eines Produktes, immer konkreter werdend bis hin zur vollständigen Dokumentation der technischen Produktlösung.
2. Nach jeder Konstruktionsphase erfolgt die Darstellung und Dokumentation der Entwicklungs- und Konstruktionsergebnisse. Diese stellen wiederum die Eingangsinformationsmenge dar, auf der die nachfolgende Konstruktionsphase aufsetzt. Dies bedeutet, die Ergebnisse der vorangegangenen Konstruktionsphase sind implizit oder explizit in den Darstellungen der Produktlösung nachfolgender Konstruktionsphasen enthalten.
In jeder Konstruktionsphase werden Informationsquellen genutzt, die zur Herleitung der Entwicklung der technischen Produktlösung notwendig sind sowie die Randbedingungen zu deren konstruktiver Ausführung darstellen. Im Konstruktionsprozeß werden verschiedene Arbeitsmethoden zur Erstellung eines Produktes angewendet:
die Generierungsmethode,
die Regenerierungsmethode,
die Variantenmethode.
Generierungsmethode: Die Technische Lösung wird vollständig neu konzipiert und ausgearbeitet. Es ist noch kein Vorbild vorhanden. Beispiel: Neukonstruktion (15%)
Regenerierungsmethode: Geht von einer bereits existierender, bekannter Lösung aus. Vorhandene Lösungen werden wiederverwendet und gegebenenfalls an Randbedingungen angepaßt. Beispiel: Prinzipkonstruktion (55%), Anpassungskonstruktion (5%)
Variantenmethode: Setzt Funktionsstruktur, Lösungsprinzip, festgelegte Anordnung von
Elementen oder Abläufen voraus. Variationen sind im Rahmen von dimensionierenden Parametern erlaubt. Beispiel: Variantenkonstruktion (25%) (Bild 3.15)
19
KONSTRUKTIONSARTEN
KONSTRUKTIONSPHASEN
FunktionsPrinzipGestaltung
findung
erarbeitung
Gruppenbegriffe
Detaillierung
ANFORDERUNGEN
AN DIE
RECHNERUNTERSTÜTZUNG
Neukonstruktion
Funktionen zur Unterstützung
der Konstruktionsmethoden
in den Konstruktionsphasen
Anpassungskonstruktion
- Verschlüsselung von techn.
Problemlösungen
- Suchen von ähnlichen Lösungen
- Finden ähnlicher oder sich
wiederholender Lösungen
- Funktionen zur Änderung von
Lösungen
Variantenkonstruktion
Abbilden von Varianten.
logiken
Bild 3.15: Zuordnung von Konstruktionsarten zu Konstruktionsphasen nach [Ande-93]
Dieser beschriebene KEP ist durch Tätigkeitsfolgen gekennzeichnet, die sich aus dem iterativen Entscheidungsprozeß ableiten. Aufgabenanalyse, Informationsfindung und Synthese stellen diese Folge dar. Durch notwendige Korrekturen wird die Iteration erforderlich. Die Sequenz der Tätigkeitsschritte lautet: Informieren, Lösung finden, Lösung darstellen, Ergebnis
bewerten, Entscheiden (Bild 3.16).
Problem
n
Tätigkeitsschritte
im Problemlösungsprozeß
Arbeitsinhalte
Unterstützung durch
Rechnersysteme
Konfrontieren
- Klären d. Aufgabe
- Bestimmung des
Wesenskerns der
Aufgabe
- Abstrahieren der
Aufgabe
Lösung
finden
Lösung
darstellen
- Informationsbeschaffung durch
- intuitive und
- diskursive Methoden
- Informationsverarbeitung
durch
- Variation und
- Kombination
Expertensysteme
Formale, analoge
bildliche Lösungsdarstellung unterschiedlicher
Konkretisierungsstufen
Lösung
bewerten
Entscheiden
- Berechnung
- Simulation
- technischwirtschaftliche
Bewertung
Problem
n+1
CAD-Systeme
Berechnungs- und
Simulationsprogramme
Bild 3.16: Tätigkeitsschritte im Konstruktionsprozeß nach [Ande-93]
Neben dem technischen Wissen sind noch weitere Einflußgrößen im Konstruktionsprozeß zu
berücksichtigen. Diese haben ihren Ursprung in
Gesetzen, Richtlinien, Normen, Empfehlungen,
Empfinden der Öffentlichkeit, Umweltbewußtsein,
Kundenanforderungen.
Zur Unterstützung des KEP haben sich für die einzelnen Phasen des Entwicklungsprozesses
auch einzelne Klassen von EDV-Systemen herausgebildet, die meistens keine gemeinsame
Modellbasis haben. Der Informationsaustausch muß über geeignete Schnittstellen erfolgen.
20
(Expertensysteme, CAD-Systeme, EDM-Systeme, Simulationsmethoden, Dokumentationsprobleme)
3.2.1.2. Anforderungen an die EDV-Systeme im KEP
Die Anforderungen sind phasenabhängig und werden die Funktionen und verfügbaren Methoden
Funktionsfindung,
Prinziperarbeitung,
Gestaltung (Entwurf) und
Detaillierung (Ausarbeitung)
unterstützen.
Vieles hängt u.a. auch davon ab, inwieweit die Informationsquellen und -senken als weiterverarbeitbare Datenbestände formalisierbar sind.
 Funktionsfindungsphase benötigt
Methoden zur Herleitung und Darstellung von Funktionsstrukturen (Dazu eignen sich Lösungskataloge und grafische Darstellungsverfahren.),
Ordnungssysteme zur Merkmalsbeschreibung von Teilfunktionen und Funktionen, um darüber den Zugriff zu sichern (Merkmalsleisten),
Regeln zur Bewertung der Funktionen als Algorithmen oder deskriptive Regelwerke von Expertensystemen (Bild 3.17).
Methoden
Funktion - Funktionswiederholfindung
- Funktionsanalyse bzw.
Gliederung
- Funktionsdarstellung
- Funktionsbewertung
Datenbestände
- Ordnungssystem (Zugriffsmerkmale)
- Lösungskataloge (Funktionsstrukturen)
- Funktionselemente und strukt.
- Modellierungsregeln
- 2D-Darstellungsgraphik
mit
funktionaler Bedeutung
- Feste Bewertungsregeln
(Algorythmen
oder
KI+Inferenzmaschine)
EDV-Systeme
- Datenbanken
- Merkmalsverarbeitungsysteme
- Bibliotheken
- Graphische Darstellungssysteme
- Entscheidungstabellensysteme
- Expertensysteme
Bild 3.17: Methoden, Datenbestände und Rechnerunterstützung in der Funktionsfindungsphase nach [Ande-93]
 Prinzipbearbeitungsphase benötigt
Methoden zur Zuordnung physikalischer Wirkprinzipien zu Funktionen oder Teilfunktionen
(z.B. Wiederholprinzipfindung, Prinzipzuordnung),
mathematische Ersatzmodelle zur Auslegung, Überprüfung und Variation (Bild 3.18).
21
Prinzip
Methoden
Wiederholprinzipfindung
- Prinzipzuordnung
- Prinzipkombination
- Mathematische Ersatzmodelle zur Kombination
und
zur Bewertung bilden
- Auslegungs- und Bewertungsverfahren
- Prinzipsimulation
( z.B. Kinematik)
- Kostenschätzung
Datenbestände
- Ordnungssystem
- Prinzipelemente und strukt.
- Modellierungsregeln
(Kombinationsregeln,
Substitutionsregeln)
2D/3DDarstellungsgraphik
mit Prinzipzusammenhang
- Regeln zur Bildung mathem.
Ersatzmodelle
- Topologie (grober Geometrie u.
von Wirkflächen)
- Kostenfaktoren
EDV-Systeme
- Datenbanken
Merkmalsverarbeitungssyst.
- Bibliotheken
- Graph. Darstellungssysteme
- Entscheidungstabellensysteme
- Expertensysteme
Berechnungssysteme/Auslegungssysteme
- Simulationssysteme
Bild 3.18: Methoden, Datenbestände und Rechnerunterstützung in der Prinziperarbeitungsphase nach [Ande-93]
 Gestaltungsphase benötigt
Methoden zum Entwurf der technischen Produktlösung (Dazu können Lösungskataloge und
zum Entwurf der geometrischen Gestaltung CAD-Systeme eingesetzt werden.),
Bewertung des Entwurfes durch Nachrechnung (FEM, Simulation) (Bild 3.19).
Gestalt
Methoden
Wiederholteilfindung
(topologische kompl. Einzelteile)
Geometrisch/topologische
Modellierung
- Normteilverwendung
- Variantenkonstruktion
- Zeichnungserstellung
- Auslegungs- und Bewertungsverfahren
(FEM,...)
- Simulation
- Technologiedefinition
grob
- Kostenoptimierung
Datenbestände
- Ordnungssysteme
- Geometrisch/topologische
Gestaltelemente u. Strukturen
- Modellierungsregeln
- Normgerechte 2D/3DDarstellungsgraphik (Bemaßung,
Isometrie, Texte, ...)
- Technologische Modelle
(Toleranzen,
Formelemente
mit techn. Bedeutung)
- Parametrische Modelle
anwendungspez. Modelle
(meist
gestaltsapproximierend
+ Octree, FEM, ...)
- Normteilkataloge
22
EDV-Systeme
- Datenbanken
Merkmalsverarbeitungssysteme
- Bibliotheken
- CAD-Systeme
- CAE-Systeme (z.B.
FEM)
- Entscheidungstabellensysteme
- Expertensysteme
- Kalkulationsdaten
Bild 3.19: Methoden, Datenbestände und Rechnerunterstützung in der Gestaltungsphase nach
[Ande-93]
 Detaillierungsphase benötigt
Methoden zur Erstellung der Ausführungsunterlagen,
dazu werden Regelwerke, Tabellenwerte, Kataloge und Vorlagen (Zeichnungen) genutzt,
CAD-Systeme und Merkmalverarbeitungssysteme kommen zum Einsatz. Analyse- und Simulationsmethoden stehen ergänzend zur Verfügung (Bild 3.20).
Detaillierung
Methoden
- Wiederholteilfindung
(Details)
- Detaillierung (Optimierung
von Gestaltungszonen)
- Detaillbemaßung
- Technologiedefinition
fein
(Oberflächeneigenschaften)
- Stücklistenerstellung
- Auslegungs- u. Bewertungsverfahren (incl. Kosten)
- Kostenoptimierung
Datenbestände
- Ordnungssysteme
- Datenmodelle entsprechend
obiger Phasen
- Detaillierungsregeln (fertiggungs-, montage-, korrosionsgerecht, ...)
- Detaillierungspezifische
Modellinhalte (Einzelheiten,
assoziative Schaffur)
- Tabellen (Stücklisten)
- Kalkulationsdaten
EDV-Systeme
- Datenbanken
Merkmalsverarbeitungssysteme
- Bibliotheken
- CAD-Systeme
- Entscheidungstabellensysteme
- Analyse- und Simualtionssysteme
Bild 3.20: Methoden, Datenbestände und Rechnerunterstützung in der Detaillierungsphase
nach [Ande-93]
3.2.1.3. Einsatz von CAD-Systemen in der rechnerintegrierten Produktion
CAD-Systeme werden in verschiedenen Bereichen der rechnerintegrierten Produktion eingesetzt (siehe Bild 3.2). Ihren Einsatzschwerpunkt finden sie jedoch vor allem im Konstruktionsbereich. Dies soll jedoch ausdrücklich auch den Betriebsmittelkonstruktionsbereich mit
einschließen (Entwurf von Werkzeugen, Spannvorrichtungen u.a.). Geprägt sind CADSysteme dadurch, daß sie
Bauteile geometrisch und zeichnerisch beschreiben können,
diese rechnerintern darstellen und verarbeiten können.
Durch eine grafisch interaktive Gestaltung können mit Hilfe von CAD-Systemen Bauteilgeometrien sukzessiv aufgebaut werden.
CAD-Systeme können in einer Vielzahl unterschiedlicher Branchen eingesetzt werden (Bild
3.21).
23
47
45
40
35
30
25
17
20
13
8
5
Elektronik
Elektrotechnik
Architektur
0
4
Karthographie
7
4
Anlagenbau
10
Sonstige
15
mechanische
Konstruktion
Branchenanteil CAD-Arbeitsplätze in %
50
Bild 3.21: Aufteilung der Gesamtanzahl aller CAD-Systeme auf unterschiedliche
Branchen nach [Abel-95]
Zur Beurteilung von CAD-Systemen können sowohl hardware- als auch softwarespezifische
Merkmale herangezogen werden.
Zu den Hardwaremerkmale gehören:
Konfiguration des Arbeitsplatzes - grafischer Bildschirm, Eingabegeräte, alphanum.
Bildschirm, ...
spezielle Funktionsprozessoren - Grafikprozessor
Erweiterbarkeit des Hardwaresystems - Speichererweiterung
weitere techn.-wiss. Anwendungen - Sprachen auf dem Rechner
Kopplung zu anderen Rechnersystemen - Netz
Basispreis
Zu den Softwaremerkmalen gehören:
Einsatzgebiet - z.B. mechan. Konstruktion
weitere Einsatzgebiete - z.B. Anlagenbau
Dialogführung - Bildschirm, Funktionstasten
Beschreibung/Modell - 2D/3D-Modell
analytische Elemente - Kurven, Flächen, Volumina
nichtanalytische Elemente - Kurven, Flächen (z.B. Splines)
Übergangselemente - Radius, Fase, Überstand
Verknüpfungsoperationen - für Kurven, Flächen, Volumina
invariante Benutzerelemente - z.B. Makros
automatischer Schnittgenerator - z.B. beliebig im Volumenmodell
Schraffur - z.B. offene Konturen
Bemaßung - DIN, ISO, ANSI
verdeckte Kanten
Gruppierung von Einzelbildern - z.B. Ebenentechnik
Abspeicherung nichtgrafischer Attribute
24
parametrisierte Variantenkonstruktion
grafische Programmiersprache - mit Schnittstellen zur Datenbank, externe Programme aufrufbar
technische Berechnungen - z.B. FEM
Stücklistenerstellung
Arbeitsplanung
NC-Teilprogrammierung
Kopplung an PPS-Systeme
Kopplung zu anderen Softwaresystemen - IGES, STEP, VDAFS
sonstige Leistungen
Tendenzen in der CAD-Entwicklung (Auswahl):
3D-Systeme, Feature-Technik, parametrisches Konstruieren, Entwürfe in 3D bis hin zu fotorealistischen Darstellungen, Erweiterungsmöglichkeiten mittels Programmiersprachen,
Aufbau von Bibliotheken, Einbindung von EDM-Funktionalität, neue Systemarchitekturen
(CAD-Referenzmodell, Bild 3.21a), konfigurierbare Systeme, Erweiterung durch wissensbasierte Systeme, ...
Beispiele:
AutoCAD (Autodesk München), BRAVO (Applicon Rüsselsheim), CADAM/CATIA
(IBM Stuttgart), EUCLID (Matra Datavision München), EUKLID (FIDES Zürich bzw.
Strässle Stuttgard), ICEM (Control Data Frankfurt), KONSYS (Strässle Stuttgart), ME 30
(HP Ratingen), MEDUSA (Computervision Wiesbaden), PRO/ENGINEER (Parametric
München), Solid Designer (HP Ratingen), ...
Ein Merkmal soll einmal hervorgehoben werden - das geometrische Modell.
In Abhängigkeit von den Parametern Dimension und mathematische Beschreibungsart können
Geometrieelement-Klassen gebildet werden (Bild 3.22 , [Ande-93] 2-15):
Punkt,
Linie,
Fläche,
Volumen.
Darüberhinaus können geometrische Modelle nach der Dimension in
2D-Modelle,
2½D-Modelle,
3D-Modelle,
und nach den Abbildungsmerkmalen in
generative Modelle und
akkumulative Modelle
eingeteilt werden (Bild 3.23 - Bild 3.32).
Modellierungsarten:
1.
Drahtmodell/Gittermodell/Kantenmodell
Eigenschaften: Körperkanten werden durch Punkte und Linien abgebildet. Dies ist 2- und 3dimensional möglich.
25
Vorteile:
 einfache und leicht beschreibbare Geometrietypen,
 in der Vorgehensweise nahe konventioneller Konstruktionsweise,
 anfallende Datenmengen und Speicherplatzbedarf gering,
 kurze Antwortzeiten.
Grenzen:



Teile mit Freiformflächen nur bedingt beschreibbar,
„naturgetreue“ Darstellung des Teils nicht möglich,
als Basis für Weiterverarbeitung (z.B. NC-Bearbeitung) nur bedingt oder gar nicht verwendbar.
Geometrietypen:




Punkt (mehrere Erzeugungsarten möglich),
Linie (Bild 3.33 , [Jäge-90] 2.3-1,2.3-2),
Kreis, Kegelschnitte (Ellipse, Parabel, Hyperbel) (Bild 3.34 , [Jäge-90]),
Freiformkurven (Gestalt wird durch definierende Punkte vorgegeben, Bezier-Kurven,
B-Splines, NURBS (Non Uniform Rational B-Splines)),


Polygonkurve (als Konturzug),
2D- Primitiva („regions“) (Bild 3.35 , [Jäge-90])
Eine Region ist als parametrisches Primitivum (Kreis, Ellipse, Poligon einschl. Rechteck)
durch Eingabe entsprechender Kennwerte oder direkt durch Umwandlung der als geschlossene Kontur vorliegenden Polygonkurve zu erstellen. Boolsche Operationen (Addition,
Subtraktion, Schnittmengenbildung) sind anwendbar.
Darstellung:
 als Kanten (ausblenden verdeckter Kanten nur bedingt möglich),
 Schnitte liefern nur Punktmengen.
2.
Flächenmodell
Eigenschaften: Die Modellkanten und die Gestalt der eingeschlossenen Oberflächen werden
definiert.
Vorteile:
 eindeutige Beschreibung der Konstruktion,
 Berechnungen sind anschließbar,
 naturgetreue Darstellung am Bildschirm möglich,
 Durchgängigkeit zur weiteren Verarbeitung (CAP, NC).
Nachteile gegenüber Drahtmodell:
 Aufwand zur vollständigen Modellierung höher,
 größere Datenmengen, längere Antwortzeiten bei flächenspezifischen Operationen,
 zusätzliche Schritte zur Erzeugung einer Werkstattzeichnung erforderlich.
Geometrietypen:

Regelfläche (surface ruled)
Zwei beliebig im Raum liegende Begrenzungselemente werden geradlinig verbunden.

ebene Fläche (surface plane)
Die ebene Fläche wird durch drei im Raum liegende Punkte definiert.
26

Zylinderfläche (surface cylinder)
Leitelement dieses Flächentyps ist ein Kreis oder ein Teil eines Kreises, sodann vektorielle
Verschiebung vom Anfangs- zum Endpunkt.

Drehfläche (surface of revolution)
Eine beliebige Kontur wird um eine Linie im Raum gedreht.

Spline-, B-Spline- oder Bezier- Fläche
Die entstehende Fläche läuft durch die vorgegebenen Splines oder Punkte.

sonstige Freiformflächen
Beispiel: Ausrundungsfläche (surface fillet), Hautfläche (skin surface)

Offsetfläche
Eine Parallelfläche wird mit konstantem Abstand zur Erstfläche erzeugt (Definition der
Wandstärke eines Profils) (Bild 3.36-3.37, [Jäge-90] 2.3-8 - 2.3-14).
Darstellung:



Flächen durch Linien visualisiert,
automatisches Schattieren und
automatisches Ausblenden verdeckter Kanten.
3.
Volumenmodell
Eigenschaften: Die Modellierung durch Volumina läßt die Definition von Körpern zu. Volumenmodelle werden in der Regel aus einer Reihe von Primitivkörpern kombiniert.
Vorteile:
 einfache Modellierung mit Hilfe von Primitivkörpern,
 höchster Informationsgehalt aller Modellierungsarten sowie
 automatische Ableitung von Draht-/Flächenmodellen.
Nachteile:
 Modellierung erfordert Umdenken zur konventionellen Konstruktion,
 Konstruktion mit komplexen Flächen nur eingeschränkt möglich,
 hoher Berechnungsaufwand für Modellierung, hohe Rechnerleistung.
Geometrietypen:

Parametrische Primitiva
Block
(box)
Keil
(wedge)
Kugel
(sphere)
Zylinder (cylinder)
Kegel
(cone)
 prozedurale Primitiva
Es wird auf bereits existierende Geometrien zurückgegriffen (Region, Poligonkurven).
Extrusionskörper
Drehkörper
Torus
Rohr
(solid of extrusion)
(solid of revolution)
(tube)
27
Hautkörper
Boolsche Verknüpfungen:
(skin solid) (Bild 3.38 , [Jäge-90] 2.3-15/16)
Im Volumenmodell sind die Verknüpfungen Vereinigung, Differenz und Schnittmenge erlaubt. Primitive werden zu einem neuen Gebilde zusammengefaßt (Bild 3.39, [Jäge-90]
2.3-17/18).
Eine weitere Möglichkeit eines räumlichen Modellierverfahrens ist die Zellzerlegung, d.h. der
Körper wird in eine endliche Zahl von Raumzellen aufgeteilt (z.B. Octree-Methode: Zerlegen
des Körpers in 8 gleiche Teile. Angewendet wird dieses Modellierverfahren z.B. bei FEM.
Eigenschaften:
 beliebig genaue Approximation,
 hoher Rechenaufwand,
 einfache Mengenoperationen.
Zur rechnerinternen Darstellung von Volumenmodellen benutzt man die Boundary Representation-Methode (B-Rep.), wobei der Körper durch seine Begrenzungsflächen beschrieben
wird. Diese Methode gestattet eine schnelle Visualisierung (Bild 3.39a).
Als Alternative steht als Datenstruktur ein binärer Baum zur Verfügung (Bild 3.39b), der in
seinen Knoten Boolsche Operationen oder Transformationen enthält (Constructive Solid Geometry, CSG).
Eine Verknüpfung beider Ansätze in einem Hybridmodell vereinigt die Vorteile beider Ansätze.
3.2.2. Rechnergestützte Fertigungsplanung (CAP)
3.2.2.1 Einordnung und Aufgaben der Fertigungsplanung
Die Phase zwischen Konstruktion und Fertigung während des Produktentstehungsprozesses
wird durch die Arbeitsvorbereitung ausgefüllt. Die Arbeitsvorbereitung gliedert sich schwerpunktmäßig in



die Fertigungsplanung (Arbeitsplanung),
die Fertigungssteuerung (Arbeitssteuerung) und
die Arbeitsüberwachung (Bild 3.40).
28
Arbeitsvorbereitung
Ist die Gesamtheit aller Maßnahmen
mit dem Ziel, ein Optimum aus Aufwand
und Arbeitsergebnis zu erreichen.
Arbeitsplanung
Arbeitssteuerung
Arbeitsüberwachung
Sie umfaßt alle einmalig auftretenden Planungsmaßnahmen und
sichert durch systematische Überlegungen und Festlegungen die
Vorraussetzungen zum rationellen
u. wirtschaftlichen Arbeitsablauf.
Sie umfaßt alle Steuerungs- und
Regelungsmaßnahmen, die zur
Durchsetzung des durch die
Arbeitsplanung festgelegten
sachlichen und zeitlichen
Arbeitsablaufes dienen.
Sie umfaßt alle Soll-Ist-Vergleiche
mit dem Ziel, auftretende Mängel,
Fehler und Schwachstellen festzu
stellen, und ihre Regelung bzw.
Behebung den zuständigen Verantwortlichen zu melden.
Bild 3.40: Beschreibung und Gliederung der Arbeitsvorbereitung [Rötz-91]
Wird die Fertigungsplanung rechnerunterstützt durchgeführt, spricht man von Computer
Aided Planning (CAP).
Innerhalb der Fertigungsplanung wird dabei untersucht, „aus welchem Material, nach welchem Verfahren, mit welchen Fertigungsmitteln und in welchem Zeitraum ein Teil hergestellt
werden kann“.
Als Hilfsmittel werden dazu die in der Konstruktion erstellten Zeichnungen und Stücklisten
sowie die in der Fertigung zur Verfügung stehenden Fertigungsmittel, die Fertigungsmethoden
und -verfahren verwendet. Somit ist die Fertigungsplanung eine wichtige Schnittstelle zwischen Konstruktion und Produktion (Bild 3.41).
Der Prozeß der Arbeitsplanung kann in Abhängigkeit verschiedener charakteristischer Merkmale wie folgt klassifiziert werden:
a) nach der Fertigung in
 Arbeitsplanung für konventionelle Bearbeitung sowie
 Arbeitsplanung für NC-, CNC-Bearbeitung (Bild 3.42, [Jäge-90]),
b) nach der Entwurfsmethode in
 Anpassungsplanung (Wiederholplanung, Regenerierungsprinzip),
 Ähnlichkeitsplanung (Variantenprinzip),
 Neuplanung (Generierungsprinzip).

29
Produktionsbereiche
Konstruktion
... umfaßt alle einmalig auftretenden Planungsmaßnahmen,
welcheunter ständiger Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit
die fertigungsgerechte Herstellung eines Erzeugnisses sichern.
Beispiele:
- Erstellung der Fertigungsstückliste
- Materialplanung
- Planung der Arbeitsvorgänge
- Fertigungsmittelplanung
Arbeitsvorbereitung
- Vorgabezeitermittlung
- NC-Programmierung
- Kostenplanung
- Methoden u. Investitionsplanung
Arbeitsplanung
Arbeitssteuerung
... umfaßt alle Maßnahmen, die für eine der Arbeitsplanung entsprechende Auftragsabwicklung erforderlich sind
Fertigung
Montage
Beispiele:
- Bedarfsermittlung für Baugruppen
und Einzelteile
- Nettobedarfsermittlung
- Einsteuertermine für Eigenfertigung
- Materialdisposition
- Maschinenbelegung
- Terminfeinplanung
- Kapazitätsabgleich
Bild 3.41: Definition und Aufgabenbeispiele zur Arbeitsvorbereitung nach [Ever-89]
3.2.2.2.
Stand, Probleme und Tendenzen der rechnergestützten Realisierung
Der Stand der Rechnerunterstützung ist noch „entwicklungsbedürftig“. Ein Grund für diese
Entwicklungslücke besteht in der bisher nicht paßfähigen Kommunikation zwischen Konstruktion (Weitergabe von geometrischen und technologischen Informationen) und Arbeitsplanung [Züst-90].
Bisher in der Praxis eingesetzte Systeme kann man entsprechend der Methodik zur Arbeitsplanung in
Verwaltungssysteme (Wiederholplanung, Variantenplanung) und
Generierungssysteme (Neuplanung)
einteilen.
Verwaltungssysteme
Sie sind meistens Komponenten eines PPS-Systems. Ein Klassifizierungsmerkmal dient zur
Suche nach ähnlichen Arbeitsplänen. Eine Aktualisierung ist möglich. Da keine Mechanismen
zur Arbeitsplangenerierung vorhanden sind, erfüllen sie nicht die Anforderungen an ein CAPSystem (Bild 3.42a).
Variantenverfahren: Das Variantenverfahren verwendet die Klassifikation und Codierung von
Teilen als Ausgangsbasis für den Arbeitsplanungsprozeß. Wenn ein Plan für die Fertigung
eines neuen Produktes erstellt werden muß, wird ein vorhandener Standardplan für ein ähnliches Produkt abgerufen und hinsichtlich der neuen Produktdaten modifiziert. Bei diesem Plan
kann es sich um ein nichtparametrisiertes Modell eines Teils handeln, in das der Benutzer nur
noch die Parameter des zu beschreibenden Teils einfügen muß. Dieses Verfahren bietet sich
an, wenn zwischen einzelnen Produkten große Ähnlichkeiten bestehen [ReNS-94].
30
Datei mit der Zusammenstellung der Teilefamilie
Teileklassifizierungs-Code
Auftrag
Suche nach
Teilefamilie
TeileklassifizierungsCode
Standardarbeitsplan
Abrufen von
StandardArbeitsplänen
Arbeitsgangplanungsdatei
Abrufen bzw.
Editieren des Bearbeitungsplans
Arbeitsplan
Verarbeitung
von
Arbeitselementen
Arbeitsplan
Arbeitsplanformatierung
Bild 3.42a: Variantenverfahren: CAPP-System [ReNS-94]
Generierungssysteme
Der Fertigungsplaner gibt in das System auftrags- und werkstückspezifische Daten und je
nach Automatisierungsgrad fertigungstechnische sowie technologische Daten ein. Der Rechner ermittelt nach einer Planungskopie die arbeitsplanspezifischen Daten. Je nach Planungslogik handelt es sich um
konventionell programmierte Systeme,
technologieorientierte Systeme,
Systeme auf der Basis von Entscheidungstabellen und
Systeme auf der Basis von Expertensystemen [Roth-91] (Bild 3.42b).
Generatives Verfahren: Demgegenüber verwendet das generative Verfahren bei der Arbeitsplanung keinen gespeicherten Standardplan. Zum Erstellen eines Plans verwendet das System
Informationen bezüglich der Teilegeometrie, Bearbeitungs- bzw. Montagedaten, Informationen über Maschinen (einschließlich Robotern) und deren Parameter sowie Regeln zur Arbeitsplanung. Zur Zeit steht noch kein generatives Arbeitsplanungssystem im eigentlichen
Sinn zur Verfügung [ReNS-94].
31
entweder
merkmalbasierte
Konstruktionsdaten
oder normales Modellierungssystem mit einem
Modul zum Heraussuchen der Merkmale
Merkmale inkl.
Positionsangabe
(Ort u.Ausrichtung)
FertigungsprozeßWissensbasis
Auswahl des
Fertigungsprozesses
RohmaterialDatenbank
Auswahl des
Rohmaterials
SpannmittelWissenbasis
Aufspannverfahren
WerkzeugWissensbasis
Auswahl der
Werkzeuge
DB mit Bearbeitungsparametern
Modul zur
Planung des
Schneidewegs
Schnittparameter
Schneideweg
NC-Maschnine
Bild 3.42b: Generatives Verfahren nach [ReNS-94]
Eine Klassifizierung nach Everstein vermittelt Bild 3.43.
In Abhängigkeit von der Komplexität der Planungsaufgabe unterscheidet man weiterhin in
einfache und
komplexe Planungsaufgaben.
Einfach sind Planungsaufgaben immer dann, wenn ihre Lösungen in allen Schritten vorbestimmt werden können und dann zu Routinearbeiten werden. Hierfür bietet sich besonders ein
EDV-Einsatz an (z.B. automatische Arbeitsplanerstellung oder NC-Programmentwicklung)
(Bild 3.44).
Bei komplexen Planungsaufgaben sind die Algorithmen nur bedingt eindeutig zu formulieren.
Rechner können Teilschritte unterstützen. Das Zusammenwirken der Prozesse der Arbeitsvorbereitung zeigt uns Bild 3.45 [Rötz-91].
Eine Zusammenfassung über die Integration der Arbeitsvorbereitung im gesamten unternehmerischen Prozeß sowie eine Übersicht der Detailaufgaben der Arbeitsvorbereitung beinhaltet
Bild 3.46 [Rötz-91].
32
Rechnereinsatz im
Planungsbereich bei:
Rechnereinsatz im
Planungsbereich bei:
Kleinserie
Große Serie
Planungssituation
Planungssituation
breites Typenspektrum
großer Datenumfang
kleines Typenspektrum
geringe Datenmengen
Vielzahl von Arbeits- u.
Zeitelementen
Überschaubare Anzahl von
Arbeits- und Zeitelementen
hoher personeller
Routine-Planungsaufwand
relativ kleiner RoutinePlanungsaufwand
kurze Veränderungsrate
geringe Veränderungsrate
Daraus läßt sich herleiten:
Daraus läßt sich herleiten:
Rechnereinsatz
lohnt sich
Rechnereinsat
von Fall zu Fall
Bild 3.44: Rechnereinsatz im Planungsbereich bei Klein- und Großserienfertigung [Rötz-91]
Der Stand der Rechnerunterstützung für die Arbeitsplanung läßt sich kurz umreißen:
1. Marktreife CAP Systeme sind isolierte Entwicklungen, die schwer in ein Unternehmenskonzept zu integrieren sind.
2. Forschungen konzentrieren sich auf Teilprobleme der Planung, wie Teilarbeitsgangfolge,
Werkzeugauswahl, Schnittwerte oder Fertigungsverfahren.
3. Hoher Implementierungs- und Einführungsaufwand ist vorhanden [Ever-89].
4. Produktionsmittel (Maschinen, Werkzeuge, Spannmittel) sind starr eingebunden.
5. Expertensysteme werden entwickelt, um eine dynamische Generierung von Arbeitsplänen
zu bewerkstelligen [BuWL-89] [EvCl-89] [MeHo-92] [Krau-92].
Als zukünftige Entwicklunglinien werden angekündigt:
1. direkte Übernahme von Produktdaten aus CAD,
2. Schaffung eines gemeinsamen Datenmodells CAD/CAP,
3. Entwicklung von Systemfunktionen und Systemstruktur (Bild 3.47).
Erfassung neuer
Einsatzbereiche
Methodenorientierte
Gestaltung der Systeme
Einsatz von KIMethoden
CAP
Entwicklungstendenzen
Arbeitsplanerstellung
Integration mit der
NC-Programmierung
EDV-gestützte Steuerung
des Auftragsdurchlaufes
33
Integration mit CAD
Einsatz von Datenbanken
CAD/CAP-Datenmodell
Bild 3.47: Entwicklungstendenzen bei rechnerunterstützten Arbeitsplanerstellungssystemen nach [EvCL-89]
Beispiele für CAP-Systeme:
 CAPP-System (Computer-Automated Process Planing)
Als Forschungsprojekt im Rahmen CAM-I von Mc Donnell Douglas Automation Comp. entwickelt, in ANSI-Fortran geschrieben, Datenbanklösung mit Abfragelogik und interaktivem
Editor, Variantenarbeitsplanungssystem.
 AUTAP (Automatisches Arbeitsplanungssystem)
Von TH Aachen entwickelt, generativ auf Entscheidungstabellen basierend, für rotationssymmetrische und Blechteile, baut auf CSG-Struktur auf, Arbeitsgangfolge, Maschinen-,
Werkzeug-, Material-, Spannvorrichtungsauswahl wird vorgenommen, NC-Programme möglich.
 INFID (Integrated Fixture Design)
Von den Instituten IFQ und ITI der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt, u.a.
ermöglicht das Modul das Komponieren von Baukastenvorrichtungen aus 3D-Normalien und
Lösungskatalogen (Bild 3.47a, [PKSM-95]).
Weitere CAP-Systeme siehe Marktübersichten oder Zusammenstellungen (Bild 3.47b, [Remb90]).
3.2.3. Rechnerunterstützte Fertigung (CAM)
3.2.3.1. Einordnung und Aufgabenstellung
Mit CAM sind alle Aktivitäten in einem Industriebetrieb angesprochen, die den Herstellungsprozeß von Gütern direkt betreffen. Dazu zählen insbesondere die Vorgänge
 Fertigen,
 Handhaben,
 Transportieren und
 Lagern.
Zweck der Fertigung: aus einfachen Ausgangsstoffen (Material, Halbzeuge, Normteile,...)
komplexere und hochwertigere Endprodukte erzeugen.
Zielrichtung des Einsatzes von Computern: Automatisierung und Rationalisierung der Fertigung bei gleichem oder höherem Qualitätsniveau der Erzeugnisse.
In der Fertigung wirken Menschen, Maschinen und Betriebsmittel im Produktionsprozeß zusammen. Gute Einsatzfelder für Computer sind die Fertigung auf Werkzeugmaschinen oder
anderen Fertigungsanlagen. Weniger ist noch die Montage geeignet.
In die Fertigung führen
 Materialströme und
 Informationsströme.
Informationsströme bestehen aus

Vorschriften zur Herstellung und Montage von Einzelteilen, Baugruppen und
Enderzeugnissen (Zeichnungen, Stücklisten, Arbeitspläne, NC- und CNCSteuerprogramme) und
34

auftragsgebundenen Informationen, die mit der Planung, Überwachung und Sicherstellung von Terminen und Fertigungskapazitäten sowie der Disposition und Bereitstellung des Ausgangsmaterials zu tun haben (überwiegend im PPS-Bereich bearbeitet).
Aufgaben im CAM-Bereich:
 termingerechtes Erfassen,
 Herantransportieren an die verschiedenen Arbeitsplätze,
 Handhaben an Arbeitsplätzen,
 Zwischenlagern,
 Bearbeiten und
 Abtransportieren.
Diese Funktionen beziehen sich nicht nur auf das Bereitstellen und Bearbeiten des Materials,
sondern auch auf das Bereitstellen von Werkzeugen, Vorrichtungen, Transporteinrichtungen,
Ver- und Entsorgungseinrichtungen.
Aus dem Fertigungsbereich heraus fließen ebenfalls Informationsströme, die über ein rechnergestütztes Rückmeldesystem (BDE-Betriebsdatenerfassung) organisiert werden. Zu den Daten
der Rückmeldung gehören:






Auftragsdaten (Fertigungssteuerung),
Maschinendaten (Nutzung),
Personaldaten (Entlohnung),
Qualitätsdaten (Ausschuß),
Prozeßdaten (Diagnose) und
Materialdaten (Bestandsführung).
3.2.3.2. Rechnereinsatz im CAM-Bereich
Der CAM-Bereich soll noch einmal grob hinsichtlich des Rechnereinsatzes in die Wirkfelder
1. Fertigungsautomatisierung und
2. computergestützte Fertigungsorganisation
unterteilt werden [Sche-90b].
zu 1.
Einsatz von Rechentechnik in der Fertigungsautomatisierung
 in Werkzeugmaschinen
NC- Maschinen
(NC - Numerical Control, Bild 3.48, [Sche-90b] B1 20a,b,c)
Das Programm wird über Lochstreifen in die Maschine eingegeben. Die Steuerung selbst
ist gut verdrahtet. Die Änderung der Steuerung ist nur schwer möglich. Die Änderung des
Programms erfolgt über einen neuen Lochstreifen.
CNC- Maschinen
(CNC - Computerized Numerical Control)
35
An der Maschine wird ein Kleinrechner (Mikroprozessor) eingesetzt, der die Aufgaben der
numerischen Steuerung übernimmt. Programmeingaben sind direkt an der Maschine möglich und somit sind leichte Änderung machbar. Die Eingabe erfolgt auch über Lochstreifen,
dann ist das Programm jedoch im Speicher verfügbar.
DNC- Systeme
(DNC - Direct Numerical Control)
Mehrere NC- und CNC-Maschinen werden mit Rechner verbunden, der die einzelnen
Steuerprogramme verwaltet und zeitgerecht an die Maschine verteilt. Eine Programmierung an diesem zentralen Rechner möglich. Der DNC-Rechner ist auch für Auswertungsund Erfassungsfunktionen nutzbar (Bild 3.49, [Jäge-90] 6.3-2).
 in Robotern
Bei der automatischen Steuerung von Handhabungsgeräten und Robotern treten ähnliche
Probleme auf wie bei der Werkzeugmaschinensteuerung. Eine Besonderheit bildet die Programmierung. Neben der Nutzung von Programmiersprachen ist die sogenannte Play-Backund Teach-In-Programmierung (On-line-Programmierung) möglich.
Play-Back-Programmierung
Der Roboter wird durch manuelles Führen seines Werkzeugträgers oder Greifers bewegt. Die ausgeführte Bewegung wird gespeichert und in ein Anwenderprogramm zur
Steuerung des Roboters umgesetzt, das anschließend beliebig oft abrufbar ist.
Teach-In-Programmierung
Eine Bewegung wird durch eine Folge von Schalter- und Tastenbetätigungen ausgeführt,
die dann ebenfalls gespeichert wird und zum Abruf bereitsteht.
Eine Off-line-Programmierung ist immer dann angeraten, wenn umfangreiche Daten aus
vorgelagerten Prozessen (z.B. Geometriedaten aus CAD) übernommen werden sollen
(Bild 3.50 , [Jäge-90] 6.4-2).
Roboter sind mit Sensortechniken ausgerüstet, um Eigenschaften von Werkstücken und
Werkzeugen zu erfassen und darauf zu reagieren. Das erfordert die Implementierung
von Logik bis hin zur Nutzung von Expertensystemen.
 in Lagersystemen
Automatische Fertigungsprozesse erfordern auch eine Automatisierung der Bereitstellung
von Werkzeugen, Werkstücken und Maschinen. Dazu werden zunehmend automatisierte
Lagersysteme eingesetzt. Ihre Aufgabe besteht darin, einzelne Lagerbehälter oder Flächen
zu verwalten und die Ein- und Auslagerungen zu steuern. Hierbei kommen dedizierte Steuersysteme zum Einsatz, die im Real-Time-Modus arbeiten (Prozeßrechnereinsatz).
 in Transportsystemen
Zur Automatisierung von Transportsystemen werden die sogenannten fahrerlosen Transportsysteme (FTS) eingesetzt. Sie werden auf Induktionsschleifen, die die Transportwege
festlegen, geführt. Zur Steuerung werden Positionsdaten der Fahrzeuge, Herkunfts- und
Zielort sowie Mengendaten benötigt.
zu 2.
Computergestützte Organisationsformen
Durch die Kombination verschiedener computergestützter Systeme in der Fertigung haben
sich neue Organisationsformen herausgebildet. Als Bindeglied dient die Tendenz zur stärkeren Integration von Funktionen.
 Bearbeitungszentren
36
Ein Bearbeitungszentrum ist eine Maschine, die über eine NC-Steuerung und einen automatischen Werkzeugwechsel verfügt, so daß die Ausführung von mehreren Arbeitsoperationen in einer Aufspannung möglich wird (z.B. Bohren, Fräsen).
Einsatz: in der Klein- und Mittelserienfertigung
 Flexible Fertigungszellen
Bestehen aus automatisierten Maschinen, einem Pufferlagersystem für Werkstücke und einer automatischen Spann- und Beladestation. Zusätzlich gibt es computergestützte Funktionen zur
Werkzeugbruchkontrolle,
Werkzeugverschleißmessung,
automatische Standzeitüberwachung der Werkzeuge u.a.m. können zur Verfügung stehen.
Einsatz: Bearbeitung ähnlicher Werkstücke über einen längeren Zeitraum.
 Flexible Fertigungssysteme
Flexible Fertigungssysteme bestehen aus:
Bearbeitungsystem,
Materialflußsystem und
Informationsflußsystem
die untereinander verbunden sind. Die gesamte Steuerung wird vom Computer übernommen (Bild 3.51, [Sche-90b] 1.21).
Einsatz: Durchführung verschiedener Fertigungsaufgaben in verschiedener Reihenfolge
ohne größere Umrüstverluste.
 Fertigungs- und Montageinseln
Kriterium: alle zu einer Fertigung in der Insel benötigten Ressourcen sind intern vorhanden
und werden durch weitgehend autonome Planungs- und Steuerungsfunktionen bedient.
 Flexible Transferstraßen
Kriterium: schnelle Umrüstbarkeit des Systems mit Anpassung an wechselnde Fertigungsaufträge.
 Betriebsdatenerfassung (BDE)
In jeder Betriebsorganisation stellt das Rückmeldesystem aus dem Betrieb besondere Anforderungen.
Früher:
Belegrückfluß dauerte Stunden oder Tage.
Schlußfolgerung: automatisierte Fertigung benötigt ständig On-line-Informationen aus
dem Betriebsgeschehen.
Jetzt:
automatisierte BDE als integrierter Bestandteil des gesamtheitlichen
EDV-Konzeptes.
Felder der BDE sind:
Auftragsdaten
Der Bearbeitungsfortgang des Auftrages wird kontrolliert.
Zeitwirtschaft
Eine Zeitkontrolle ist bis hin zum Arbeitsplatz möglich. Dadurch werden z.B. sowohl
die auftragsbezogenen Fertigungskosten als auch die Entlohnung des Bedieners berechenbar.
Materialdaten
37
Fehlteile, d.h. Teile, die zur geforderten Zeit nicht verfügbar sind, verursachen kostenbeeinflussende Störungen der Betriebsorganisation. Mit Hilfe einer modernen BDE ist
eine termin- und mengengerechte Planung der Materialien möglich (Just-In-Time). Der
aktuelle Stand ist ständig unter Kontrolle.
Maschinendatenerfassung
Die Verfügbarkeit der vorhandenen Maschinenkapazitäten ist ein wesentliches Kriterium für die Wirtschaftlichkeit. Stillstandsmeldungen können gemeldet und bewertet
werden.
Diagnose
Nimmt man sämtliche Informationen, die im Fertigungsprozeß erfaßt werden, als Datenbasis, so können darauf aufbauend nicht nur Steuerungen entwickelt werden, sondern
man kann auch aus dem „Verhalten“ der einzelnen Bestandteile des Wirkungsfeldes der
Fertigung Rückschlüsse über Verschleiß, Fehleranfälligkeit, Zuverlässigkeit usw. ziehen
und entsprechende vorbeugende Maßnahmen einleiten.
3.2.4. Rechnerunterstützte Qualitätssicherung (CAQ)
3.2.4.1. Qualitätssicherung- Eine Aufgabe mit zunehmender Bedeutung
Die Qualität der Produkte ist der Garant für den Erfolg auf den Märkten.
Der Grundsatz „Je höher die Qualität der Produkte, desto höher der Gewinn des Unternehmens“ [LuNe-86] ist statistisch gesichert.
Deshalb: Qualitätssicherung als Unternehmensgrundsatz oder -leitlinie - als Strategieziel.
Entwicklungsanforderung: Computer Aided Quality Assurance (CAQ)
Vor der Entwicklung und Einführung steht, wie bei allen Systemen, die Analyse des Wirkungsfeldes. Dieses Wirkungsfeld erstreckt sich sowohl auf die CAD- als auch auf CAMProzesse. Bereits in der Entwicklung sind die Qualitätsmerkmale zu bestimmen.
Was ist Qualität ?
Qualität liegt vor, wenn die vereinbarten Qualitätsmerkmale in ihren Werten die vorgegebenen Grenzen einhalten, d.h. wenn also die Qualitätsanforderungen erfüllt sind.
Wie werden die Qualitätsmerkmale ermittelt (3 Möglichkeiten)?
1. Zielwerte aus Konstruktion und Erprobung,
2. Zielwerte bzgl. Qualität und Zuverlässigkeit aus dem am Produkt meß- und beurteilbaren Eigenschaften,
3. Werte, die aus Erfahrungen mit vergleichbaren Produkten gewonnen wurden.
Einen Ausschnitt aus der Problemanalyse in Bezug auf die EDV-Einsatzmöglichkeiten zeigt
Bild 3.52 ([Jäge-90] 7.2-1).
Probleme bei der Umsetzung in rechnerunterstützte Arbeitsweisen bestehen wie folgt:
 Qualitätssicherung in den Betrieben heißt heute noch Überwachung der laufenden Fertigung, d.h. Tagesgeschäft,
 Prüfplanung, statistische Auswertungen, gezielte Qualitätsprogramme sind aus Kapazitätsgründen noch hintenangestellt,
38
 darüber hinaus sind die Methoden der Qualitätstechnik in der Einzel- und Kleinserienfertigung nur bedingt anwendbar.
Im Vorfeld des EDV-Einsatzes zur Qualitätssicherung ist es erforderlich, den Bezug der Probleme zur EDV zu klären.
Es bestehen drei Möglichkeiten:
1. Eine Reihe von Problemen berühren den möglichen EDV-Einsatz nicht. Hier sind rein organisatorische Lösungen zur Abhilfe zu finden. So kann z.B. das notwendige Know-how
mangels ausgebildeter Prüfer fehlen.
2. Andere Problempunkte stehen einem sinnvollen EDV-Einsatz zunächst entgegen. Für DVgestützte Fehleranalysen müssen z.B. Codes für die Fehlerursachen und -arten vorhanden
sein.
3. Viele Probleme werden durch den EDV-Einsatz positiv beeinflußt oder ganz gelöst, z.B.
die Aktualität der Qualitätsinformationen. Diese Beziehungen zwischen Problemursachen,
Auswirkungen und DV-Bezug können in einer Matrix bewertet werden (Bild 3.53, [Jäge90] 7.2-2).
Bei der Einführung von CAQ-Systemen kann man generell zwei Wege beschreiten:
 Eigenentwicklung
Setzt Prozeß- und EDV-Erfahrungen voraus. Ist relativ aufwendig. Bei Erfolg jedoch sehr
effizient, da das eigene Know-how komplett verarbeitet werden kann.
 Verwendung von Standardsystemen
Hierbei ist ein mehr oder weniger hoher Ausgangsaufwand zu betreiben.
3.2.4.2. Aufbau von CAQ-Systemen
Optimierte Qualitätssicherung erfordert ein integriertes Qualitätssicherungssystem, das
Qualitätsplanung,
Qualitätsprüfung und
Qualitätslenkung
über alle Unternehmensbereiche und über den gesamten Produktentstehungszyklus in ein einheitliches Konzept einbindet. Das Kernstück eines solchen CAQ-Systems ist ein Informations- und Steuerungssystem, das alle relevanten Qualitätsdaten eines Betriebes verwaltet. Die
Funktion eines CAQ-Systems verdeutlicht Bild 3.54 ([Jäge-90] 7.3-1).
Die funktionale Basis für ein CAQ-System ist der Prüfplan. Dieser enthält Angaben zur
- Teiledefinition (um welches Teil handelt es sich),
 Hersteller/Fertigungsstätte (von wem wird es gefertigt),
 alle qualitätsrelevanten Merkmale für dieses Teil und
 pro Merkmal:
das Prüfmittel (die Prüfmittelgattung),
die Stichprobengöße (bzw. Stichprobentabelle),
die Art der Beurteilung (qualitativ und quantitativ),
Sollwerte und Toleranzen (Bild 3.55) [Remb-90].
Der generell hohe Informationsbedarf und -austausch in der Fertigung führt zu einem Hardwarekonzept, das durch eine Dezentralisierung von Automatisierungssystemen mit spezifi-
39
schen Aufgaben gekennzeichnet ist. Diese sind in eine übergreifende Rechnerhierarchie einzubinden. Die Vorteile dieses Konzeptes sind:




hoher Systemdurchsatz,
jede Ebene arbeitet in erster Linie mit den Daten, die auf dieser Ebene wichtig sind,
keine Überlagerung mit Funktionen und Daten anderer Anwendungssysteme und Ebenen,
durch möglichst autarke Rechner hohe Betriebssicherheit (SCP-Statistische Prozeßregelung) (Bild 3.56)
Planungsebene
Zentral-Rechner
PPS
Kommerzielle DV
Leitebene
CAQ-Leitrechner
Prüfplanung
Qualitätssenkung
Prozeßebene
Prüfausführung
PrüfSystem
PC
PrüfSystem
andere
Bereiche
SPC
System
Bild 3.56: CAQ im Mehrebenen-Rechnerkonzept nach [Jäge-90]
Besonderheiten bei der Qualitätssicherung sind durch diese Randbedingungen gegeben:





Trend zur Prüfung vor Ort,
Trend zur messenden Prüfung und Verarbeitung der Meßdaten,
Trend zur automatischen Prüfung mit verstärktem Einsatz von Prüf- und Testsystemen,
wachsendes Aufkommen von Qualitätsdaten,
offene Schnittstelle zum PPS-System.
3.2.5. Produktionsplanung und -steuerung (PPS)
3.2.5.1. Aufgaben und Stellung des PPS im Unternehmen
Produktionsplanung und -Steuerungssystem - als mittleres integriertes Element in einer rechnergestützten strukturierten Fabrikorganisation oder als gleichberechtigte CIM- Komponente ?
Betrachtet man die Aufgabe eines Betriebes als ein Einheit, die einen von außerhalb herangetragenen Bedarf (einen Auftrag) anzunehmen und diesen Bedarf durch die Herstellung und
Lieferung eines Produktes zu befriedigen hat, so stellt ein PPS-System eine zentrale Einheit
nach Bild 3.57 dar, die die Kundenaufträge entgegennimmt und in Zusammenarbeit mit den
anderen CIM-Komponenten bzw. durch Steuerung für eine termingerechte Lieferung des
Produktes zu sorgen hat.
40
Unternehmensplanung
CAD
CAP
CAQ
Bedarf
Auftrag
PPS
Lieferung
CAM
Bild 3.57: Produktionsplanungs- u. steuerungssystem PPS als integriertes Element
im cIm-Konzept nach [Jäge-90]
Aufgabe des PPS
Die Produktion im Sinne der Unternehmensziele zu lenken und jederzeit den aktuellen Stand
der Produktion durchsichtig machen. Organisatorisch festgelegte Vorgehensweisen sollen
weitgehend automatisch ablaufen, Alternativen sollen zur Entscheidung angeboten werden
und gestellte Aufgaben sollen in ihrer Erfüllung verfolgt werden können.
Ausgehend von dieser Aufgabenstellung kommt dem PPS tatsächlich eine Schlüsselrolle zu.
Geht man jedoch vom heutigen Stand der Technik aus, so kann man die Aufgabenziele eines
PPS-Systems wie folgt umreißen:
Das PPS-System verwaltet Arbeitspläne und Stücklisten, Werkzeug- und Kapazitätsstammdaten. Ferner ermittelt das System Solltermine aufgrund der Kapazitäts-, Materialund Werkzeugsituation. Es überwacht Aufträge unabhängig vom Fertigungstermin. Das
heißt, PPS-Funktionen sind die auftragsbezogenen Funktionen der Arbeitsvorbereitung
(Bild 3.58, [Rötz-91] 4-5)
Der Informationsaustausch mit den anderen CIM-Komponenten erfolgt zumeist noch über
einen Datenträger und läßt die Funktion der „Integrationsdrehscheibe PPS“ noch nicht erkennen.
41
Kundenauftragsbearbeitung
Fertigungsauftragsbearbeitung
Stücklisten- und
Arbeitsplanverwaltung
Finanz- und Betriebsbuchhaltung
(interne Betriebsabrechnung)
Produktionsund Materialplanung
Fertigungssteuerung
Lohn- u. Gehaltsabrechnung
PPS-System
Termin- u. Kapazitätsplanung
(Terminierung)
Bestandsführung
und Disposition
Kalkulation
Einkauf
Bild 3.58: Anwendung des PPS-Systems für die Fertigungsindustrie nach [Rötz-91]
Produktionsplanung
Planungsmethodisch gibt es
 Sukzessivplanung
Primärbedarfsplanung (Produktionsprogrammplanung),
Materialwirtschaft (Mengenplanung),
Zeitwirtschaft (Termin- und Kapazitätsplanung),
Auftragsfreigabe (Auftragsveranlassung) oder
 Simultanplanung
Hierbei wird nicht in Zeit- und Materialwirschaft unterschieden, sondern integriert geplant.
Produktionssteuerung
 Betriebsdatenverarbeitung
überwacht die ausgelösten Fertigungsaufträge,
 Fertigungssteuerung
bestimmt kostengünstige Fertigungsfolgen für die Arbeitsgänge der freigegebenen Fertigungsaufträge. Verfahren zur Fertigungssteuerung sind Schiebekonzept, JIT-Konzept, Fortschrittzahlenkonzept, OPT-Konzept, Belastungsorientierte Freigabe.
3.2.5.2. Die Elemente eines PPS-Systems und deren Aufgaben
 Stücklistenwesen
Das zentrale Element eines Informationssystems in einem fertigenden Unternehmen ist die
Stückliste. Sie enthält die
Mengen aller Baugruppen,
Teile,
Rohstoffe sowie
weitere Stammdaten von Erzeugnissen, Baugruppen, Teilen.
42
Stücklisten durchlaufen im Produktentstehungsprozeß einen Wandel. Die Konstruktion erstellt z.B. eine Basisstückliste, die von der Arbeitsvorbereitung in eine Fertigungsstückliste
überführt wird. Stücklisten sind z.B.
Übersichts- oder Mengenstückliste (Auflistung aller Teile),
Strukturstückliste (gibt Struktur eines Erzeugnisses an),
Baukastenstückliste (Struktur einer Baugruppe nach Funktion oder Montage),
Variantenstückliste (enthält Stücklisten ähnlicher Ausführungen).
Zur Umwandlung der Basisstückliste in eine andere Form stehen Stücklistengeneratoren zur
Verfügung. Das PPS-System verwaltet diese Stücklisten.
Als Verwaltungsfunktionen stehen an:
Anlegen/Ändern,
Löschen,
Kopieren,
Drucken.
 Arbeitsplanverwaltung
Arbeitspläne werden in CAP-Systemen erstellt. Die Struktur beinhaltet im wesentlichen die
zur Fertigung notwendigen Informationen (Bild 3.59):
Werkstoffe, Werkstoffabmessungen,
Reihenfolge und Art der Arbeitsgänge,
Maschinen,
Werkzeuge und Vorrichtungen,
Kostenstelle,
Lohngruppe,
Zeitbedarf je Arbeitsgang.
Arbeitsplan
Benennung: Deckel
Werkstoff:
Zeichnungs-Nr.: 45-6159
ArbeitsplanNr.:103012
Rohteil GG 22 Auftragsmenge: 3000
Ausstellung: 15.9.89
Folge Kostenstelle
Arbeitsgang
Maschine
Werkzeug
Vorrichtung
1
Innendrehen
Drehmaschine
Vierbackenfutter 7
Innendrehmeißel
2
3
155
156
158
Lohngruppe
Stirnfläche
plandrehen
Drehmeißel
4 Löcher bohren Bohrmaschine
Bohrvorrichtung 6
Bohrer
und senken
Senker
2 Flächen fräsen Fräsmaschine Fräsvorrichtung 6
Fräser
tr
(min)
te
(min)
48
7,8
42
3,0
72
3,0
Bild 3.59: Arbeitsplan zur spanabhebenden Bearbeitung eines Produktes [Rötz-91]
43
Die Informationen zu einem Arbeitsplan werden geordnet in
Kopfdaten (AP-Nr, Teile-Nr, Z-Nr, Benennung, Plantyp, Werkstoffart, Änderungsstand-Nr.,
Meßgrößenbereich, Durchlaufzeit, Freigabekennzeichen, Arbeitsplaner bzw. Sachbearbeiter),
Arbeitsvorgangsdaten (Vorgangs-Nr, Arbeitsplatz, Vorgabezeiten, Lohngruppe, Beschreibung, Vorgangsart, Liegezeit).
Als Funktionen hat das PPS zu unterstützen:
Anzeigen, Erstellen, Verwalten von Arbeitsplänen,
Anzeigen, Erstellen, Verwalten von Arbeitsgängen,
Transaktionsübersicht über alle Arbeitsvorgänge,
Kopieren, Umnummerieren von AP, AG,
Anzeigen (Abfragen) zum Arbeitsplan, Materialverwendung Werkzeugverwendung, Arbeitsplatzverwendung.
Im Rahmen der Nutzung innerhalb der Arbeitsplanung kann auch eine Betriebsmittelverwaltung (Werkzeuge, Vorrichtungen) aufgebaut werden.
 Produktionsplanung
Aufgabe der Produktionsplanung: Vorgabe der Produktionsmenge der Enderzeugnisse für
einen bestimmten Zeitraum.
Vorgehensweise:
Online-Eingabe von Produktionsplanungsdaten, Bedarfsvorhersagen, Lieferplänen und Auftragsbeständen,
Festlegung der Variantengliederung der Endergebnisse,
Erstellung des vorläufigen und endgültigen Produktionsplanes, bezogen auf Menge und Wertausbringung
Durchführung von Online-Simulationen verschiededener Produktionspläne (Bild 3.60, [Rötz91] 4-17)
 Materialbedarfsplanung und Materialwirtschaft
Aufgabe der Materialbedarfsplanung: Festlegungen zum Material in Stoff, Menge, Termin
Kriterium: optimale (kostengünstige) Bestellungen ermitteln, Lieferbereitschaft sicherstellen
Dazu gehören:
Lagerbestandsführung,
Bedarfsrechnung mit Bedarfswertzusage,
aktuelles Bestellsystem mit Terminprüfung sowie
Anwendung geeigneter Dispositionsverfahren.
Aufgabe der Materialwirtschaft: Planung und Durchführung der Materialbeschaffung und
Bereitstellung (Bild 3.61/3.62, [Rötz-91] 4-24/4-26)
Die Materialwirtschaft bedient sich der Materialflußpläne, mit denen alle Materialbewegungen verfolgt werden können.
 Kapazitätsplanung
Aufgabe der Kapazitätsplanung: Planung der Ressourcen (Arbeitskräfte, Fertigungsressourcen) nach Termin und Arbeitsplatz- oder Arbeitsbereichsebene (Bild 3.63 , [Rötz-91] 4-30)
 Fertigungsauftragsabwicklung und Kundenauftragsbearbeitung
Fertigungsauftrag: Definiert, welche Leistung zu welchem Termin unter Einbringung welcher
Ressourcen zu tätigen ist, welche Kosten anfallen und wie Kosten zu verrechnen sind. Die
44
Fertigungsauftragsabwicklung übernimmt die Kontrolle über die Historie des Fertigungsauftrages. Funktionen auf einem Fertigungsauftrag sind:
Anlegen der Auftragsdaten (Stammdaten),
Auftragseröffnung,
Arbeitsvorgänge zuordnen,
Materialkomponenten bearbeiten,
Betriebsmittelzuweisung,
Terminierung eines Auftrages,
Auftragsfreigabe und Fertigungssteuerung (Bild 3.64).
Weitere Aufgaben der PPS
 Bestandsführung und Disposition,
 Kalkulation (Preis + Kosten) und
 Einkauf.
Resume: Bild 3.65 ([Rötz-91] 4-46)
3.2.5.3. Stand der Rechnerunterstützung [RuGo-91]
Generelle Einschätzung: sehr hoch, ab Mitte der 60-er Jahre im Einsatz, hoher Unterstützungsgrad insbesondere für die Prozesse der Planung, weniger für die Produktionssteuerung,
traditionell mainframe- und batchorientiert, Entwicklung hin zu workstation-basierten dezentralen PPS-Systemen (downsizing), im Dialog, grafische BNO, Vernetzung.
Eine Analyse der Funktionsstruktur aus einer Marktübersicht des VDI ergab dieses Spektrum.
 für die Produktionsplanung
1. Produktionsprogrammplanung
 Prognoserechnung für Erzeugnisse,
 Prognoserechnung für Teile und Gruppen,
 Grobplanung des Produktionsprogramms,
 Lieferterminbestimmung,
 Verlaufsteuerung der Konstruktion,
 Verlaufsteuerung der Arbeitsplanung.
2. Produktionsmengenplanung
 Bruttobedarfsermittlung,
 Nettobedarfsermittlung,
 Beschaffungsrechnung,
 Verbrauchsgesteuerte Bedarfsermittlung,
 Bestandsführung,
 Bestandsreservierung,
 Bestellschreibung,
 Lieferantenauswahl,
 Bestellüberwachung.
3. Termin- und Kapazitätsplanung
 Durchlaufterminierung,
 Kapazitätsbedarfsrechnung,
 Kapazitätsabstimmung,
45
 Reihenfolgeplanung,
 Kapazitätsangebotsermittlung.
 Produktionssteuerung
1. Auftragsveranlassung
 Werkstattauftragsfreigabe,
 Arbeitsbelegerstellung,
 Verfügbarkeitsprüfung,
 Arbeitsverteilanweisung,
 Materialtransportsteuerung.
2. Auftragsüberwachung
 Arbeitsfortschrittserfassung,
 Wareneingangsmeldung,
 Kapazitätsüberwachung,
 Werkstattauftragsüberwachung,
 Kundenauftragsüberwachung,
 Kundenauftragsbezug.
Neue Anforderungen an PPS-Systeme gibt es hinsichtlich Dezentralität, hierachischer Strukturierung, Flexibilität durch Einführung FFS, FMS. Die Aufgaben der steuernden PPSFunktionen (Fertigungssteuerung) und der steuernden CAM-Funktionen (Werkstattsteuerung)
müssen ineinander übergehen.
Ein Referenzbeispiel für ein rechnerunterstütztes System mit integrierter PPS-Komponente,
quasi mit Industriestandardcharakter, ist das System R/3 von SAP Walldorf.
Die großen Anwendungsbereiche dieses Systems liegen
 im Rechnungswesen,
 in der Logistik mit PPS, Vertrieb und Materialwirtschaft sowie
 in der Personalwirtschaft [SAP-96]
Client/Server-Prinzip, Dezentralisierung, skalierbare Syteme, Aufteilung in kleinere Business
Units werden in der Systemumgebung von Bull, Digital Equipment, Hewlett-Packard, IBM,
Siemens-Nixdorf und SUN auf den verschiedenen UNIX-Derivaten, Windows NT oder
Windows95 realisiert. Das System ist datenbankgestützt, der Nutzer arbeitet in der Regel an
einem leistungsstarken PC unter der Präsentationssoftware MS-Windows. Der stark vereinfachte Ablauf einer Anwendung in einer Client/Server-Konfiguration könnte wie folgt aussehen:
1. Der Benutzer arbeitet am Client (PC) und weist R/3 an, bestimmte Daten auf dem Bildschirm aufzulisten.
2. Der Client gibt die Anforderung an den Server (Workstation) weiter.
3. Der Server sucht speziell die angeforderten Daten und schickt diese zum Clienten.
4. Der Client zeigt dem Benutzer die Daten.
3.2.6. Produktdaten- und Dokumentenverwaltungssysteme (EDM/PDM)
An dieser Stelle soll einer Entwicklung Raum gegeben werden, die in jüngster Zeit viel Aufmerksamkeit gefunden hat. Es handelt sich hierbei um die rechnerunterstützten Lösungen, die
46
auf die Verwaltung von Produktstrukturen oder von Dokumenten abzielen. Unterstützt werden
vor allem die frühen Phasen der Produktentstehung (Entwicklung, Projektierung, Konstruktion, Arbeitsvorbereitung). In der Bezeichnung haben sich dabei unterschiedliche Kürzel auf
dem deutschen Markt im Vergleich zum amerikanischen herausgebildet:
Dokumentenmanagement

DM (deutsch)
EDM (amerikanisch)
Produktdatenmangement

EDM (deutsch)
PDM (amerikanisch).
Wir wollen bei der deutschen Bezeichnung EDM bleiben und schließen die Dokumentenverwaltung sogleich mit ein [Abra-96].
EDM-Systeme sollen demzufolge eine Lücke ausfüllen, die alle unter der Überschrift CIM
firmierenden Lösungen nicht oder nur in Teilen liefern konnten. Gemeint ist ein Softwareprodukt, das der Forderung nach Integration aller am Prozeß beteiligten Komponenten gerecht
werden kann. Dabei ist jedoch Vorsicht angeraten. Ein CIM-Ersatz kann EDM nicht sein (Eine eierlegende Wollmilchsau! [PaWi-96]).
3.2.6.1. Aufgaben von EDM-Systemen
Wie bereits erwähnt, sollen EDM-Systeme insbesondere die Generierung und Verwaltung von
Dokumenten in den frühen Phasen des Produktentstehungsprozesses (Konstruktion, Arbeitsvorbereitung) unterstützen. Damit lassen sich zwei grundlegende Hauptaufgaben ableiten:
1. die Bearbeitung produktbezogener Daten und
die Unterstützung von Prozeßabläufen (Bild 3.66).
EDM/PDM - Zieldefinition
Informationstechnik zum
Management von
Produktbezogenen Daten
Abläufen im Produktlebenszyklus
Feste, langfristige Abläufe
(z.B. Freigabe-, Änderungsprozesse, ...)
Variable, kurzfristige Abläufe
(z.B. Ad-hoc Dokumentenverteilung)
Metadaten / Strukturdaten
Daten-Files (Texte, CAD-Daten,
Graphik-Daten)
Konventionelle Dokumente
47
EDM/PDM - Funktionsumfang
Anwendungsbezogene Funktionen
Dokumentenenmanagement
Konfigurationsmanagement
Klassifizierung/
Sachmerkmalsleisten
Workflow und Prozeß
management
Projektmanagement
Systembezogene Funktionen
Kommunikation
Datensicherung
Datentransport
Viewing
Datengewinnung (scanning)
Archivierung
Bild 3.66: EDM/PDM - Zielfunktionen nach [Abra-96]
Im einzelnen sind das folgende Aufgaben:
 Verwaltung der Produktstruktur
Die Produktstruktur beschreibt die Zusammensetzung des Produktes aus technischer Sicht
(Bild 3.67). Diese Baumstruktur basiert im wesentlichen auf den Beziehungstypen der Aggregation, Generalisierung und Spezialisierung. Aus dieser hierarchischen Struktur sind sodann
weitere Informationseinheiten, wie z.B. Stücklisten verschiedener Orientierung ableitbar.
Darüber hinaus können auch Varianten aufgebaut werden.
Produktdaten
technische
Produktdaten
Produkt 6502
Fahrrad
1
kommerzielle
Produktdaten
Baugruppe 1541
Vorderrad
geometrische
Produktdaten
organanisatorische
Produktdaten
64
technische
Produktdaten
Einzelteil 1531
Speiche
1
Einzelteil 500
Gestell
1
Einzelteil 8510
Felge
Bild 3.67: Einteilung von Produktdaten und Beispiel einer Produktstruktur nach [Scha-96]
 Dokumentenverwaltung
Die Dokumentenverwaltung ordnet den Bestandteilen der Produktstruktur bestimmte Dokumente zu, z.B. CAD-Daten, CAP-Daten, NC-Programme, Rastergrafikfiles, FEM-Daten,
technische Dokumentation, CAQ-Daten, Stücklisten. Die Dokumente können sich auf mehre48
re Teile beziehen und können auch Beziehungen untereinander haben. Es kommt dabei nicht
darauf an, daß alle Dokumente innerhalb der Verwaltung vollständig digitalisiert gehalten
werden. Verweise auf andere Speicher, auch in konservativer Form als Papierarchive, sind
möglich und notwendig.
 Typverwaltung
Die Typverwaltung repräsentiert die Meta-Ebene des EDM-Systems, denn hier werden die
Beschreibungen der verschiedenen vom EDM-System verwalteten Daten gehalten. Es existieren Typen für Teile und Dokumente. Teile gibt es als Erzeugnisse, Baugruppen, Einzelteile,
Normteile, Kaufteile, Zulieferteile u.a. Dokumententypen sind z.B. für Zeichnungen, Arbeitspläne, Stücklisten usw. angelegt.
 Verwaltung von Sachmerkmalsleisten
In Verwaltungssystemen sind Funktionalitäten zu finden, die ein schnelles Suchen, Recherchieren oder ähnliche Aufgaben beinhalten. Es versteht sich, daß für diesen Zweck eine Klassifizierung der Objekte vorgenommen werden muß. Dazu steht im technischen Bereich die
DIN 4000 für Sachmerkmalsleisten [DIN-81] zur Verfügung.
 Versionsverwaltung
Technische Dokumente sind entsprechend ihrer Entstehungsgeschichte gemäß dem Produkthaftungsgesetz auf Jahre hinaus aufzubewahren. Natürlich unterliegen dieselben im Bearbeitungsprozeß gewissen Änderungen, die in einer Versionsverwaltung protokolliert werden.
 Benutzer- und Zugriffsverwaltung
Dies Funktion beinhaltet die notwendigen Mechanismen zur Autorisierung der Nutzer.
 Verwaltung von Entwicklungsabläufen
Im Rahmen der Entwicklung und Bearbeitung von Produktdaten existieren zahlreiche Abläufe, die unterstützt werden müssen. Solche sind z.B. Konstruktions-, Änderungs, und
Prüfabläufe. Dazu gehört auch der Auftragsdurchlauf. Die Verantwortung zur Durchführung
dieser Prozeßabläufe kann direkt in das EDM-System gelegt werden oder in ein WorkflowManagement-System eingebunden werden. Ist Letzteres der Fall, so müssen im EDM-System
unbedingt die mit der Historie der Objektbearbeitung verbundenen Statusdaten mitgeführt
werden (Bild 3.68).
WFMS
Überlappung der
Funktionalität
CAD
CAD-Daten
EDM
Verwaltung der
erzeugten Daten
49
Zeichnung
Prüfen I
Workflow
Definition
"Zeichnung Ändern"
Änderung
Beantragen
Zeichnung
Bearbeiten
Zeichnung
Freigeben
Zeichnung
Prüfen II
Workflow Instanz
"Zeichnung 77.22.13
Ändern"
Änderung
Beantragen
Zeichnung
77.22.13
Zeichnung
77.22.13
Bearbeiten
Zeichnung
77.22.13
Prüfen I
Zeichnung
77.22.13
Freigeben
Zeichnung
77.22.13
Prüfen II
Bild 3.68:Verbindung EDM/WFMS und WFM-Beispiel nach [Scha-96]
3.2.6.2. Anforderungen an EDM-Systeme
Neben der Bereitstellung der im vorhergehenden Abschnitt aufgeführten Grundfunktionalitäten ergeben sich aus informationstechnischer und Anwendersicht typische Anforderungen an
EDM-Systeme.
 Konfigurierbarkeit und Flexibilität
Der Einsatz von EDM-Systemen in Unternehmen verlangt eine Reorganisation der
betroffenen Bereiche. Da die Organisationsstruktur jedoch von vielen unternehmensspezifischen Faktoren wie Größe des Unternehmens, Produktionspalette und Fertigungsart, bisher eingesetze Soft- und Hardwareumgebung, Strukturen und Prozeßabläufe abhängen, müssen EDM-Systeme eine Anzahl grundlegender Konzepte bereitstellen, die dann nach den Einsatzbedingungen des Nutzers konfiguriert und angepaßt werden. Dabei kommen im wesentlichen 3 Vorgehensweisen in Frage:

die spezifische Kundenlösung (Ein EDM-System wird für ein individuelles Unternehmen, einen individuellen Kunden entwickelt. Sehr aufwendig, dann jedoch
sehr effizient.),
 die Anpassung von Grundsystemen (Eine Anpassung an Systeme mit ähnlicher
Funktionalität und Konfiguration erfolgt. Setzt nahezu gleiches Portfolio des
Kunden voraus.),
 der toolkitorientierte Ansatz (Bei Vorhandensein Case-Tool-artiger Entwicklungswerkzeuge gangbar.).
Die Konfigurierbarkeit baut auf einer notwendigen Modularität des Systems auf.
 Offenheit des Systems
Die Integration in zusammengesetzte Systeme hinein bzw. die direkte Kommunikationsfähigkeit mit anderen Systemen ist ein entscheidendes Merkmal verfügbarer EDM-Anwendungen.
In der Nutzung sind bidirektionale Schnittstellenkonzepte zu CAD- und PPS-Systemen sowie
die Verwendung von Standards wie CORBA und OLE in verteilter Umgebung.
 Anforderung an die Datenhaltung
50
Die erforderliche Datenbasis für EDM-Anwendungen ist sehr umfangreich und wird meistens
durch Datenbanksysteme übernommen. Damit wird den Forderungen nach Datenintegration,
Konsistenzsicherung, Datenschutz, Datensicherheit, Datenbankoperationen, Metadatenverwaltung, Transaktionsverwaltung und nach Bildung von Benutzersichten Rechnung getragen.
 Weitere Anforderungen werden an die Implementierung (Hard- und Softwareplattformen,
Unabhängigkeit vom Datenbanksystem, u.a.) und Verwendung von Standards (STEP,
CORBA, OLE) gestellt.
3.2.6.3. Beispielsysteme
Auf dem deutschen Markt sind etwa 50 Systeme nationaler und internationaler Anbieter im
Angebot. Diese sind an ca. 60000 Arbeitsplätzen zumeist in mittelgroßen Unternehmen im
Einsatz (Bild 3.69).
EDM/PDM - Integration mit externen IT-Systemen
EDM/PDM - System
Funktionsorientierte
Anwendungssysteme
- CAx-Anwendungen (M-CAD,
E-CAD, FEM, NC, CAQ)
- Büroanwendungen
(Textverarbeitung, Tabellenkalk.)
- Dokumentenverarbeitung
(Graphik, DTP)
-Normteilbibliotheken
- CASE-Anwendungen
Funktionsübergreifende
Anwendungssysteme
- Betriebswirtschaftliche
Anwendungen
- Projektmanagement
- Workflowmanagement
- Dokumenten Management
- Configurations Management
- Frameworks
Informationstechnische
Dienste
- Dateneingabe
(Scansysteme, Formulargenerat.)
- Datenausgabe
(Viewer, Plottmanagementsyst.)
- Datenarchivierung
- Kommunikation
(Komm.dienste, E-Mail, WWW)
EDM/PDM - Anbieterklassen
dedizierte EDMAnbieter
- Eigner & Partner
- HoSoft
- Metaphase
- Procad
- Sherpa
dedizierte EDMAnbieter
- Applicon
- Computergraphics
- EDS Unigraphics
- Intergraph
- Parametric Technology
- Sträßle
Hardware-/
Plattformanbieter
- Bull
- Hewlett Packard
- IBM
- Control Data
- Siemens
- SNI
Hardware-/
Plattformanbieter
- COI
- CIMAGE
- DOCware
- Formtek
- Trimko
technischorientierte
SW-Häuser
- BCT
- Cenit
- debis
- DVO
- VW-Gedas
technischorientierte
SW-Häuser
- CM-Stat
- SAP
- S.E.P.P.
- Xerox Engineering
Bild 3.69: Integration und Anbieterklassen
CADIM/EDB
Anbieter: Eigner & Partner, Karlsruhe
51
Dieses System hat in Deutschland einen Marktanteil von ca. 10%. Es ist mit umfangreicher
Funktionalität versehen und stellt mit Data View ein Entwicklungswerkzeug für Datenbankumgebungen zur Verfügung. Schnittstellen zu den wichtigsten CAD-, PPS- und Desktopanwendungen sind vorhanden. Eigner & Partner haben große Erfahrungen in der Realisierung
von EDM-Anwendungen.
PDV Produktdatenverwaltungssystem
Anbieter: B.I.M. Consulting mbH Magdeburg
Dieses System wurde unter Mitwirkung der Arbeitsgruppe „Rechnerunterstützte Ingenieursysteme“ des Institutes für Technische Informationssysteme entwickelt. Es ist eine Datenbankanwendung, die als Mittel und Methode zur Rationalisierung der Technischen Fertigungsvorbereitung angelegt ist. Es bietet alle geforderten Grundfunktionalitäten und Schnittstellen zu
verschiedenen in diesem Bereich angesiedelten Teilsystemen. Der Einsatz dieses Systems
zwingt den Anwender zu einer informationsgerechten Reorganisation der Produktionsvorbereitung (Bild 3.70, Bild 3.71, Bild 3.72).
Dokumentenmodell
Benutzer-/
Zugriffsmodell
Transaktionsmodell
Produktmodell
Versionsmodell
Produktstrukturmodell
Kommunikationsmodell
Typenmodell
Statusmodell
Bild 3.70: Architektur des Produktdatenverwaltungssystems PDV [Scha-96]
52
Aktion
Objectmatrix
N
hat
N
1
Aktionsvorschrift
N
Nutzer
1
M
Objecttyp
M
1
N
Übergang
Zustandszuordnung
M
N
Nutzergruppe
M
1
Zustand
1
1
Zustandsfolge
1
Zustandszuordnung
N
hat
N
Objekt
N
hat
Bild 3.71: Statusmodell der Produktdatenverwaltung nach [PWPJ-95]
1. Verbindung Produktdaten <--> Dokument (ISO 9001)
2. Freigabe-/Änderungswesen incl. Sicherheitsmaßnahmen (ISO (9001)
3. Konfigurationsmanagement (ISO9001/10007)
Produktionsstruktur
Gültigkeit (Zeit)
Dokumentenstruktur
4. Produktdatenmanagement (Stücklisten, Varianten, ...)
5. Dokumentenmanagement
- Integration Erzeugersystemen (CAP, CAE, CAM, DTP, ...) - Viewer
- Verteilen
- Archivierung
6. Projektmanagement
Bild 3.72: Schwerpunkte eines PDM/EDM-Systems nach [Eign-91]
53
4. CIM - Ein Konzept für die Integration
CIM steht im ursprünglichen Sinne als Synonym für eine computerunterstützte Fertigung
(Computer Aided Manufacturing). Da sich aber in jüngster Zeit die Erkenntnis durchsetzte,
daß es schwer sein wird, eine ganzheitliche Lösung für den Computereinsatz in der Produktion zu finden, wollen wir lieber im Zusammenhang mit CIM die Computeranwendung in der
Produktion [ReNS-94] verstehen. Das heißt, die Anwendungen von CAx, PPS, EDM,
WFMS und deren Integration. Damit die Betonung bei den Integrationsbemühungen liegt,
schreiben wir im weiteren „cIm“.
4.1. Strategien zur Einführung von cIm
4.1.1. Struktur der cIm-Aufgabe
Computer Integratd Manufacturing: Die Bereiche der Produktion und Entwicklung mit den
Hilfsmitteln der Informationstechnik verstehen.
Die Planung und Einführung von cIm läßt sich als Modell für die durchgängige Unterstützung
der Produktion verstehen. cIm ist in erster Linie kein DV-technisches Problem, sondern eine
organisatorische Aufgabe, die weite Bereiche oder ganze Unternehmen berührt.
Bei allen Problemen, die sich um den Begriff und die Realität von cIm ranken, hat sich doch
ein einheitliches Denkmodell herausgeschält, das den Integrationsgedanken in den Vordergrund stellt.
Vor der detaillierten Auseinandersetzung mit cIm-Lösungen soll zunächst noch einmal das
Problemfeld „cIm“ anhand der Beantwortung einiger Fragestellungen beleuchtet werden.
1.
Frage: Was ist cIm?
Antwort:
cIm - eine informationstechnische und organisatorische Verknüpfung aller für den Leistungsprozeß erforderlichen Arbeits- und Informationssysteme
oder
cIm - als Verknüpfung aller Arbeitsplätze und Arbeitsmaschinen untereinander sowie mit
den planenden, disponierenden und steuernden Systemen, die wiederum untereinander verknüpft sind [Jäge-90].
Frage: Was ist neu an dieser Art der Verknüpfung?
Antwort:
Neu ist die durchgängige Verkettung von Material- und Informationsfluß. Diese Durchgängigkeit verringert den Bearbeitungsaufwand (z.B. papierlose Informationsübertragung),
ermöglicht eine vollständige Transparenz des Betriebsgeschehens, erleichtert die Prognose,
Planung, Steuerung und Abrechnung und trägt zur besseren Nutzung der Ressourcen bei.
Frage: Was bedeutet diese Aufgabenstellung im Detail?
Antwort:
Die informationstechnische Verknüpfung von
n Arbeitsplätzen,
54
m Arbeitsmaschinen,
k Informationssystemen,
i verschiedenen Produktbeschreibungen (Zeichnungen, Stücklisten, Arbeitspläne u.a.),
j betrieblichen Funktionen (Bearbeitungsschritte).
Aus der Kombinatorik heraus ergeben sich demzufolge quasi unendlich viele Schnittstellen
n  m  k  i  jn  m  k  i  j 1 ,
die unter besonderen Randbedingungen und Restriktionen zu optimieren sind - eine kaum
lösbare Aufgabe?
Realität: Nur cIm-Teilketten sind bereits gelöst (z.B. CAD/CAM-, CAM/PPS-Kopplung
usw.)
Die zukünftige Aufgabe wird sein:
1. die an Objekten (Produkte, Projekte, Kundenaufträge) orientierten Einzelvorgänge zu
Ablaufketten zu binden und
2. eine Datenintegration vorzunehmen.
2.
Frage: Was ist cIm nicht?
Antwort: cIm ist kein Produkt!
cIm ist ein Integrationsprozeß, der unternehmensindividuell abläuft. Daraus geht hervor,
daß es kein allgemeingültiges cIm-Konzept gibt, da kaum zwei Unternehmen mit identischen Arbeitsaufgaben vorzufinden sind. Gemeinsam ist allen cIm-Entwicklern und cImAnwendern der Grundgedanke der Integration.
3.Frage: Welcher Weg führt zu cIm?
Antwort: cIm fordert zunächst einmal das Managment!
Damit nicht „cIm = Confusion In Managment“ entsteht, ist eine klare Vorgehensweise erforderlich. Diese ist in vier Schritten möglich:
1.
2.
3.
4.
Zielfindungsrunde,
cIm-Rahmenkonzept,
cIm-Teilkonzepte,
Realisierung (Bild 4.1).
55
CIM-Denkmodell
1. Zielfindung
?
unternehmensindividuelle
Aspekte identifizieren:
- Schwachstellen
- Ziele
2. Rahmenkonzept
CIMRahmenkonzept
individuelles Programm und
Umsetzungsstrategie entwickeln:
- Funktionskonzept
- Systemkonzept
- Strukturkonzept
- Realisierungskonz.
3. Teilkonzepte
Teilprojekt
konkrete, realisierbare Teilprojekte planen
4. Realisierung
Teilprojekt
Teilprojekt
_______
_______
______
stufenweise und methodisch in
die Praxis umsetzen
CIM-Realität
Bild 4.1: Vom CIM-Denkmodell zur Realität nach [Jäge-90]
Das cIm-Vorhaben ist mithin als strategische Management-Aufgabe anzusehen mit folgenden
Zielfunktionen:
Zielstruktur aufbauen, die weit bis in die 2000-er Jahre reicht,
künftige Entwicklungen der Märkte und Technologien erkennen,
 cIm-Rahmen so beschreiben, daß Fehlinvestitionen vermieden werden und Aussagen oder Erweiterungen möglich sind,
Voraussetzungen für eine erfolgreiche cIm-Implementierung schaffen.
Die wichtigsten Voraussetzungen für einen Erfolg des cIm-Vorhabens bestehen nicht in
Maschinen, Standard-Schnittstellen oder Programmen, sondern sind
Identifikation des Managments mit dem Vorhaben,
Formulierung der erkannten Engpässe und Ziele,
Festlegung eines klaren und vollständigen cIm-Programms,
professionelles cIm-Projektmanagment,
Investitionsbereitschaft.
4.1.2. Spezifikation der Teilschritte
1.
Zielfindung
Der Zielgedanke muß sein, einen strategischen Ansatz zu finden, der Antwort auf die Fragen:
Warum cIm?
Welche Ziele wollen wir erreichen?
56
Wer ist verantwortlich?
Wann sollten die Ziele erreicht werden?
Die Zielsetzung für das cIm-Programm ist stark von der spezifischen Situation des Unternehmens abhängig (z.B. Großserienfertiger oder kundenbezogener Einzelfertiger). Die Herausarbeitung der Zielstrategie sollte von einer interdisziplinären Arbeitsgruppe durchgeführt werden (Bild 4.2).
Branche
Auftragsorientierung
Bsp. für besondere cIm-Schwerpunkte
Maschinenbau
einzelner Kundenauftrag
- Auftrags-/Projektmanagement
- flexible Planung (CAD/CAP)
- flexible Fertigung
Programm
- Materialwirtschaft
- Flußoptimierung
- Stückkosten
einzelner Kundenauftrag
- Auftrags-/Projektmanagement
- flexible Planung
- flexible Fertigung
Programm
- Materialwirtschaft
- Vertrieb
- Stückkosten
Abrufaufträge
- JIT
Elektrotechnik
Automobilzulieferer
- flexible Planung (CAD, CAP, PPS)
- Materialwirtschaft
- flexible Fertigung (CAM, FFS)
Bild 4.2: Betriebstypologische cIm-Schwerpunkte nach [Jäge-90]
2.
cIm- Rahmenkonzept
Das cIm-Rahmenkonzept baut auf den Zielvorgaben auf. Es muß Antworten auf folgende Fragestellungen geben:
Wie sollen die künftigen Funktionsabläufe in der Auftragsabwicklung aussehen? Welche Arbeitsschritte können zu Ablaufketten zusammengefaßt werden um störende Schnittstellen auszuschalten? Wie sieht der optimale Informationsfluß aus?
Ist die entsprechende Aufbauorganisation cIm-gerecht oder bestärkt sie das Inseldenken? Entstehen neue Qualifikationsstrukturen?
Nach welchem Prinzip soll die cIm-Struktur aufgebaut werden? Welches Hardware-EbenenKonzept und welches Netzwerk empfiehlt sich? Wie sieht das logische Datenmodell für eine
integrierte Datenbasis aus?
In welchen Einzelschritten ist das cIm-Rahmenkonzept realisierbar? Welche Teilprojekte
müssen zuerst angegangen werden und was kann warten? Wie sehen Kosten und Nutzen für
die einzelnen Teilschritte aus?
Das Rahmenkonzept sollte sich in vier Schritte gliedern:
57
Funktionskonzept (Bild 4.3, Bild 4.4 nach [Jäge-90] 9.1-5/6),
Strukturkonzept,
Systemkonzept (Bild 4.5, [Jäge-90] 9.1-7, beide Seiten),
Realisierungskonzept (Bild 4.6, [Jäge-90] 9.1-8)
Die Vorgehensweise bei der Erarbeitung eines CIM-Rahmenkonzepts zeigt Bild 4.7.
1.
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
3.
3.1
3.2
3.3
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Projekt vorbereiten und Trends ermitteln
cIm-Funktionskonzept erarbeiten
Bestandsaufnahme in der Auftragsabwicklung durchführen (Funktionsanalyse)
Informationsstruktur analysieren und darstellen
Probleme analysieren und darstellen
cIm-Teilfunktionen abgrenzen und konzipieren
Integrationskonzept der funktionsübergreifenden Arbeitsabläufe und Informationsflüsse entwickeln
Zu erwartenden Nutzen abschätzen
cIm-Strukturkonzept erarbeiten
cIm-gerechte Arbeitsteilung und Funktionszuordnung entwickeln
Konsequenzen für bestehende Organisation aufzeigen
Organisatorische und personelle Anforderungen (z.B. neue Qualifikationsstrukturen)
ermitteln
cIm-Systemkonzept erarbeiten
Istsituation der Informations- und Arbeitssysteme aufnehmen und darstellen
DV-technische Schnittstellen darstellen und bewerten
Systemkonzept erarbeiten
Vorhandene Systeme mit den Anforderungen vergleichen
cIm-Realisierung planen
cIm-Teilaufgaben bilden
Projektorgansisation vorschlagen
Realisierungsaufwand abschätzen
Nutzen schätzen und Prioritäten setzen
Vorgehensweise zur Realisierung planen
Anmerkung: Alle Teilschritte werden dokumentiert u. in angemessenen Zwischenabständen dem Management präsentiert.
Bild 4.7: Vorgehensweise bei der Erarbeitung eines cIm-Rahmenkonzepts nach [Jäge-90]
3.
cIm-Teilkonzepte
Ein cIm-Programm kann nur in Stufen durchgeführt werden. Das Rahmenkonzept ist somit in
Teilkonzepte zu untergliedern. Dabei sind Teilkonzepte wie folgt zu charakterisieren:
Teilkonzepte sind in sich geschlossene Lösungsansätze.
Sie betreffen immer Untermengen des Rahmenkonzeptes. Sie beschreiben bestimmte Bausteine des Konzeptes.
Teilkonzepte müssen einzeln realisierbar sein.
Zwischen Teilkonzepten bestehen sachliche und terminliche Abhängigkeiten.
Das Rahmenkonzept gibt die Vorgaben für die Teilkonzepte vor.
Neue Erkenntnisse bei der Erarbeitung der Teilkonzepte reflektieren auf das Rahmenkonzept.
Teilprojekte mit typisch integrativer Wirkung betreffen beispielsweise folgende Verbindungsrichtungen:
58
Planung und Steuerung,
CAD und CAM,
Grunddatenverwaltung,
Einbindung in BDE.
3.
Realisierung
Realisierung heißt zum einen Einführung käuflicher Standard-cIm-Bausteine und zum anderen das Zusammenfügen unter den unternehmensspezifischen Anforderungen.
Realisierung heißt:
Teilkonzepte im bestimmten Zeitraum umsetzen,
flexible Anpassung bei sich ändernden Bedingungen gewährleisten,
professionelles Projektmanagment und modernes Software-Engineering praktizieren,
Mitarbeiter auf die Aufgaben vorbereiten,
das Know-how erfahrener, externer Partner nutzen.
4.2. cIm-Funktionsbereiche
4.2.1. Allgemeine Situation
Wie bereits angeführt, bedeutet die Einführung von cIm-Projekten im Unternehmen die Abkehr vom Taylorismus.
Taylorismus: Der Lebenszyklus von Produkten ist von der Marktanalyse über Konstruktion
und Fertigung bis zum Vertrieb und Service durch ein funktional arbeitsteiliges Vorgehen
gekennzeichnet.
Dieser Grundsatz hat zu Strukturen und Denkweisen geführt, die dem Integrationsgedanken
widersprechen. Unternehmensüberprüfend tun sich demzufolge diese cIm-Problemfelder auf:
 Technische Problemfelder
bestehende Automatisierungsinseln,
keine schlüsselfertigen cIm-Systeme,
fehlende/schlechte Kommunikations- und Integrationsmöglichkeiten.
 Organisatorische Problemfelder
Funktionsorientierte Aufbaustruktur,
Notwendige cIm-Meinungsführerschaft im Managment und in der Unternehmensleitung,
Bereichsüberprüfende, gesamtheitliche Denkweisen,
Bereichsfürstentümer.
 Wirtschaftliche Problemfelder
Hohe Investitionen,
Schwere Nutzungsqualifizierbarkeit,
Langfristigkeit,
gesamtheitliche Wirtschaftlichkeit.
 Sozial- und arbeitspolitische Problemfelder
Job Enlargement (Erweiterung im integrativen Sinne),
Job Enrichment (Erweiterung durch kognitive und soziale Qulifikationsanforderungen),
Höhere Mitarbeiterverantwortung,
Interdisziplinäre Kenntnisse,
59
Ständige Fortbildung,
Neue Führungsformen,
Neue Arbeitsorganisation,
Gruppenarbeit [RuGo-91]).
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen ist es trotz aller vorhandenen Spezifika der Unternehmen
wünschenswert, ein ganzheitliches und branchenunabhängiges cIm-Realisierungsmodell zu
schaffen. Die Aufgabe eines solchen cIm-Realisierungsmodells soll es sein, geeignete Strukturierungskonzepte für den Aufbau von Integrationsebenen und zur Lösung der Integrationsschritte bereitzustellen.
Als Integrationsebenen werden erkannt:
Integration der Kommunikationsverwaltung,
Integration der Informationsverwaltung,
Integration der Verfahrenskettenverwaltung (Funktionsintegration),
Integration der Unternehmensverwaltung.
Genormte cIm-Schnittstellen und Referenzinformationsmodelle spielen hierbei eine wesentliche Rolle.
4.2.2. Bewertung des Standes der Rechnerunterstützung in den Funktionsbereichen
Im Kapitel 3 wurden die einzelnen Funktionsbereiche bereits vorgestellt und die entsprechenden rechnergestützten Teillösungen besprochen. In diesem Unterkapitel wird der Versuch einer zusammenfassenden Bewertung im Hinblick auf eine cIm-Integration unter den Aspekten
des Grades der Rechnerunterstützung sowie
der Verknüpfung mit anderen Unternehmensfunktionsbereichen unternommen (Bild 4.8).
CIM = PPS + CAx
CAI = CIM + CAQ
CIM
CAI
PPS
Produktionsplanung
CAx
CAD
CAP
Produktionssteuerung
CAQ
CAQ
CIM
Logistik
PPS
Personalwesen
CAx
Unternehmensplanung, -überwachung
CAM
Bild 4.8: CIM und CAI nach [RuGo-91]
PPS
 Teilgebiete und Hauptfunktion (Bild 4.9),
 Rechnerunterstützung: in der Planungsphase sehr hoch ( >40 %), in der Steuerungsphase
geringer, meistens mainframe- und batchorientiert, mit Trend zur dezentralen Realisierung auf Workstation und PC (Bild 4.10, [RuGo-91] 2.7/2.9),
 Verknüpfungen: eng mit CAP, CAD, Marketing und Vertrieb, CAM, CAQ.
60
CAD
 Teilgebiete und Hauptfunktion: siehe Kapitel 3,
 Rechnerunterstützung: im Maschinenbau ( >45 %), von Mainframe auf Workstation gehend (1993 60 %) (Bild 5.11, [RuGo-91] 2.18/2.19),
 Vernüpfungen: mit CAP, PPS, CAQ und Vertrieb.
Teilgebiet
der PPS
Produktionsplanung
Produktionssteuerung
Hauptfkt. der PPS
Funktionen der PPS
Produktionsprogrammplanung
Prognoserechnung
Grobplanung
Lieferterminbestimmung
Kundenauftragsverwaltung
Vorlaufsteuerung
Mengenplanung
Bedarfsermittlung
Beschaffungsrechnung
Bestandsführung
Lieferantenauswahl
Bestellüberwachung
Termin- und
Kapzitätsplanung
Durchlaufterminierung
Kapazitätsbedarfsrechnung
Kapazitätsbestimmung
Reihenfolgeplan
Kapazitätsangebotsermittlung
Auftragsveranlassung
Fertigungauftragsfreigabe
Fertigungsbelegerstellung
Arbeitsverteilung
Auftragsüberwachung
Arbeitsfortschrittserfassung
Wareneingangsmeldung
Kapazitätsüberwachung
Werkstattauftragsüberwachung
Kundenauftragsüberwachung
Kundenauftragsbezug
Bild 4.9: Funktionsstruktur von PPS-Systemen nach [RuGo-91]
CAP
 Teilgebiete und Hauptfunktion:
Ablauf- und Zeitplanung,
Materialplanung,
Fertigmittelplanung,
Kostenplanung.
 Rechnerunterstützung: ca. 50 %, insbesondere NC-Programmierung (Bild 4.12, [RuGo91] 2.20/2.21),
 Verknüpfungen: mit CAD, CAM, CAQ, PPS.
61
CAM
 Hauptfunktion: technische Steuerung und Überwachung der Fertigung und Montage,
 Rechnerunterstützung: ca. 25 % (Bild 4.13, [RuGo-91] 2.22/2.27),
 Verknüpfungen: mit CAP, CAQ, PPS.
CAQ
 Hauptfunktion: Maßnahmen zur Planung und Durchführung der Qualitätssicherung,
 Rechnerunterstützung: am wenigsten ausgeprägt (Bild 4.14),
 Verknüpfungen: mit CAD, CAP, CAM, PPS.
Zusammenfassung:
Die einzelnen Unternehmensfunktionen sind nicht unabhängig voneinander, sie stehen in einem engen fachlichen und organisatorischen Zusammenhang. Es entsteht gewissermaßen ein
Kreislauf (Bild 4.15, [RuGo-91] 2.31/2.32).
Dieser Gesamtzusammenhang läßt sich auf vier Schwerpunkte bezüglich der Informationsflüsse fokussieren:
CAD/CAP  PPS
CAM  PPS
CAD/CAP  CAM
CAQ (Bild 4.16, [RuGo-91] 2.34).
4.3. cIm-Realisierungskonzept
Die Realisierung von cIm-Produkten kann grundsätzlich über verschiedene Ansätze erfolgen:
1. über eine Neuentwicklung eines monolithischen cIm-Gesamtsystems (quasi die Entwicklung auf der grünen Wiese),
2. über den Einsatz bereits existierender CAx-Systeme durch die Einbindung notwendiger
Erweiterungen (z.B. Konsys - Oracle über Infosys) (Bild 4.17),
PSK 2000
INFOSYS
KONSYS
Datenbasis
Bild 4.17: Integration über DBS nach [Paul93]
3. durch schrittweise Integration der bestehenden Insellösungen zu einem hybriden Gesamtsystem (z.B. Konsys - Oracle - BNO - Logik - Zwischenzustände) (Bild 4.18).
62
CAD (Sträßle SOLID)
SOLID-BNO
Logik
Vorrichtung
Zwischenzustände
BNO
Arbeitsplanung
ORACLE-Werkzeuge
Datenbank ORACLE
Werkzeuge
Werkzeugmaschinen
Werkstoffe
Fertigungsverfahren
Vorrichtungen
Vorrichtungselemente
&
Baugruppen
Bild 4.18: Einordnung des Datenmodells in das Gesamtkonzept nach [Paul-93]
 Neuentwicklung eines monolithischen Gesamtsystems:
ausgehend von einem Top-Down- Ansatz ideal
Vorteile:
Homogenität der Soft- und Hardware,
einheitliche BNO,
Verfügbarkeit aller Entwicklungswerkzeuge und -objekte an jedem Systemanschluß.
Nachteile:
lange Entwicklungszeiten, die die ständige Bewegung der Werkzeugentwicklung berücksichtigen müssen,
cIm-Gesamtsysteme nicht zwischen Unternehmen „portierbar“,
historisch schon viele CAx- Systeme vorhanden, deren Investaufwand nicht gering war,
ein System schafft Marktabhängigkeit.
Fazit: in absehbarer Zeit kaum gangbar!
 Einsatz existierender Systeme (CAx, PPS):
Vor- und Nachteile:
CAx-Systeme sind für eine spezielle Funktionalität ausgelegt. Eine Erweiterung heißt Verbinden unterschiedlicher Ansätze. CAx-Systeme haben zumeist eine abgeschlossene Systemarchitektur.
Die Datenverwaltung ist systemspezifisch optimiert und läßt den Einsatz bekannter DBS nicht
zu.
Die Gesamtheit der produktdefinierenden Daten (grafisch, geometrisch, fertigungsspezifisch,
administrativ) ist intern nicht verwaltbar.
Neutrales und universelles Referenz-Informationsmodell ist erforderlich.
Fazit: Informationsintegration über diesen Ansatz kaum möglich!
 Integration bestehender Insellösungen:
63
Vor- und Nachteile:
Bottom-Up-Ansatz für das Zusammenführen existierender Systeme zu einem cImGesamtsystem.
Voraussetzung: Abbau der Informationsbarrieren mittels genormter cIm-Schnittstellen
Fazit: gute Realisierungschancen, wenn vorauseilende Planung Top-Down gemacht wird.
4.4. Das cIm-Integrationsmodell
Ausgangsbedingungen:
Die cIm-Realisierung muß auf einer vorhandenen oder erweiterbaren heterogenen Hard- und
Softwareumgebung aufbauen.
Hinsichtlich der Integration des Informationsflusses ist davon auszugehen, daß die unterschiedlichen Datenverwaltungssysteme der eingesetzten CAx- und PPS-Systeme in ein cImKonzept möglichst optimal einzubinden sind.
Das cIm-Inteegrationsmodell soll nach [RuGo-91] zwei Strukturierungskonzepte haben:
1. Die Integration soll auf den Ebenen der
Unternehmensverwaltung,
Verfahrenskettenverwaltung,
Informationsverwaltung,
Kommunikationsverwaltung erfolgen.
Die Ebenen bilden eine Hierarchie der cIm-Integration (Schichtenmodell der Integrationsebenen).
2. Die cIm-Lösung wird als eine Kette von Schritten angestrebt, wobei zunächst cImTeilsysteme zusammengefaßt werden (cIm-Integrationsschritte).
4.4.1. cIm-Integrationsebenen
Die cIm-Integrationsebenen bauen aufeinander auf und bilden somit eine Hierarchie:
cIm - Unternehmensverwaltung
cIm - Verfahrenskettenverwaltung
cIm - Informationsverwaltung
cIm - Kommunikationsverwaltung
Bild 4.19: Schichtenmodell der cIm- Integrationsebenen
64
Erläuterung der Aufgabenbereiche der Ebenen:
Integrierte Kommunikationsverwaltung
Aufgabe: Unterstützung eines offenen Kommunikationssystems, das die Kommunikation innerhalb und zwischen den verschiedenen cIm-Bereichen eines Unternehmens integriert:
 Technischer Bürobereich,
 Kaufmännischer Bürobereich,
 Fertigungs- und Montagebereich.
Zu integrieren sind heterogene Netztypen, Netztopologien, Übertragungsmedien und Übertragungstechniken.
Die Anforderungen an solche integrierten Kommunikationssysteme sind:
Universalität,
Effizienz,
Fehlerfreiheit,
Unfallsicherheit,
Erweiterbarkeit,
Kostenminimalität.
Bisheriger Stand:
vornehmlich lokale Netze (LAN),
Topologie: Stern, Ring, Bus,
Übertragungsmedien: Drahtleitungen, Koaxial-, Glasfaserkabel,
 Übertragungstechniken: Basisbandübertragung für unmodulierte Signale, BreitbandÜbertragung für parallele Übertragung modulierter Signale,
 Zugriffsverfahren: Token-Ring IEEE 802.5, ECMA TC24,89, Token-Bus IEEE
802.4, ECMA TC24,50, Ethernet IEEE 802.3, ECMA TC24,80-82. Token-Ring und
Token-Bus sind deterministisch und kollisionsfrei. Ethernet ist statistisch und kollisionsbehaftet.
 1983 Vorstellung des ISO/OSI-Referenzmodells für die Kommunikation heterogener und offener Systeme (7 Schichten).
Protokolle:
MAP: Manufacturing Automation Protocol von General Motors
TOP: Technical and Office Protocol von Boeing Corp (Bild 4.20, [RuGo-91] 3.4)
65
TOP
Unternehmensleitebene
Betriebs-Leitebene
Produktions-Leitebene
Prozeßführungs-Leitebene
MAP
MINI-MAP
Prozeßsteuerungs-Leitebene
Feldbus
Prozeß-Ebene
Bild 4.20: MAP/TOP in der Unternehmenspyramide [RuGo91]
Integrierte Informationsverwaltung
Basis: möglichst neutrales und universelles Referenzinformationsmodell für die Gesamtheit
der relevanten Informationen. Das Referenzmodell spezifiziert die semantisch eindeutige und
für alle beteiligten Teilsysteme verbindliche Darstellung und Interpretation der Gesamtheit
aller relevanten Informationen.
Aufgaben:


Konzeptionell zentralisierte Verwaltung sämtlicher Daten,
Integration der heterogenen privaten Datenverwaltungssysteme der eingesetzten
Teilsysteme,
 Unterstützung eines neutralen und universellen Referenzinformationsmodells,
 Semantische Transformation zwischen dem Referenzmodell und dem individuellen
Darstellungsmodell,
 Unterstützung von angepaßten Operationen und Schnittstellen sowie
 Unterstützung allgemeiner Datenverwaltungsfunktionen.
Integrierte Verfahrenskettenverwaltung
Aufgabe: Integration aller am Produktlebenszyklus beteiligten Teilsysteme (CAx, PPS), d.h.
die Kontrolle und Synchronisation als Informationsaustausch zwischen den Teilsystemen entsprechend dem Verfahrens- oder Prozeßmodell.
Die Funktionalität beinhaltet (Supervisor-Funktionen):
 Qualitätskontrolle und Qualitätserzeugung,
 Verwaltung von Entwicklungsabhängigkeiten,
 Versionskontrolle,
 Konfigurationskontrolle,
 Korrekturkontrolle,
 Verwaltung der Entwicklungshistorie,
 Synchronisation konkurrierender Entwicklungstendenzen.
Innerhalb der einzelnen Werkzeuge müssen
die Funktionalität der Werkzeuge,
66
Autorisierungen,
Eingabe- und Ausgabeverhalten,
Vor- und Nachbedingungen,
Kontroll- und Steuerinformationen,
Installationsstandorte,
Versionen, Optionen, Releases, Profiles
verwaltet werden.
Integrierte Unternehmensverwaltung
Aufgabe: unternehmensweite Planung, Steuerung und Überwachung der Wertschöpfungsprozesse
4.4.2. cIm-Integrationsschritte
Ausgangspunkt: Ein Integrationsmodell, das sämtliche technischen, betrieblichorganisatorischen und teilweise auch betriebswirtschaftlich-administrativen Funktionen integriert.
Dieses Modell ist in zwei Etappen (Schritten) realisierbar:
1. In den ersten Schritten werden die bereichsorientierten und funktionsspezifischen Insellösungen zu bereichs- und funktionsüberprüfenden cIm-Teilsystemen zusammengefaßt. Die
Realisierung erfolgt dabei über alle Integrationsebenen.
2. Die Zusammenführung zu einem unternehmensweiten cIm-Gesamtsystem.
Als die wichtigsten cIm-Teilketten haben sich herausgeschält:
CAM/PPS-Teilkette,
CAD/CAM-Teilkette,
CAD/PPS-Teilkette (Bild 4.21).
CAP-CAQ
PPS-CAQ
CAD-CAQ
CAM-CAQ
CAP-CAM
geplant
PPS-CAM
realisiert
PPS-CAP
CAD-CAP
CAD-CAM
PPS-CAD
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Bild 4.21: Die Bedeutung von Kopplungsbausteinen im cIm-Konzept nach [Abel-90]
67
Erläuterung der Teilketten:
CAM/PPS- Teilkette
Integrationsobjekt: PPS mit Fertigung und Montage (Bild 4.22)
PPS
- Fertigungsaufträge
- Betriebsmittelreservierungen
- Produktionsbetriebsdaten
- Auftragsfortschrittsdaten
CAM
Bild 4.22: CAM/PPS-Teilkette
CAD/CAP/CAM- Teilkette
Integrationsobjekt: - Konstruktion und Entwicklung,
Fertigungsvorbereitung,
Fertigung und Montage.
CAD
Daten für fertigungsgerchte Konstruktion
Technologie-,
Geometriedaten
CAP
Arbeits-, Montagepläne
NC-Programme
Bild 4.23: CAD/CAP/CAM-Teilkette
CAD-System
Erstellung der Graphik
Datei
CAD-NC
Koppelbaustein
NC-Programmierung
Aufbereitung der Geometriebeschreibung
Ergänzung der Technologiebeschreibung
Anpassung an die Steuerung
NC-DNC-System
68
CAM
Bild 4.24 Ablaufmodell einer CAD/NC-Kopplung nach [Abel-90]
CAD/PPS- Teilkette
Integrationsobjekt: -Konstruktion und Entwicklung,
Fertigungsverarbeitung,
PPS.
Norm-, Kalkulations-, Stammdaten
CAD
Daten für fertigungsgerechte
Konstruktion
PPS
Technologie-,
Geometriedaten
CAP
Konstruktionsstückliste
Belastungsprofile
Arbeits- u. Montagepläne
Bild 4.25: Teilkette CAD/CAP/PPS
4.4.3. cIm-Schnittstellen
Alle Bemühungen um eine Integration führen mehr oder weniger in neue Insellösungen mit
größeren Rahmen, wenn für die Verknüpfung der Teilsysteme untereinander und miteinander
nicht auf genormte Schnittstellen zurückgegriffen werden kann.
Die Aufgabe der Schnittstellen besteht vor allem in der Unterstützung des Austausches produktdefinierender Daten.
Für die Entwicklung und Anwendung von genormten Schnittstellen gibt es drei Möglichkeiten:
1. cIm-SS sind für eine nahtlose Integration bestehender, bereichsorientierter Insellösungen
zu einem unternehmensweiten cIm-Gesamtsystem erforderlich.
2. cIm-SS sind für die Migration, Flexibilität, Erweiterbarkeit und Adaption von funktionsüberprüfenden Teilkomponenten in unternehmensweiten cIm-Gesamtsystemen erforderlich.
3. cIm-SS sind für den unternehmensüberprüfenden Austausch von Daten notwendig.
Aus der Sicht der Entwicklung offener Systeme müssen auch SS offengelegt werden. Das
fordert geradezu eine Normung heraus (Bild 4.26).
69
Preprozessor
CADSystem 1
CAD-System 1
Proprozessor
CADSystem 2
Schnittstelle zum
Austausch
produktdefinierender
Daten
Postprozessor
CADSystem 1
Postprozessor
CADSystem 2
CAD-System 2
Bild 4.26: Modellaustausch zwischen CAD-Systemen nach [Ande-93]
Definition: „Eine SS ist ein System von Bedingungen, Regeln und Vereinbarungen, das den
Informationsaustausch zweier miteinander kommunizierender Systeme oder Systemkomponenten festlegt.“ [GrAG-86]
Klassifikation von cIm-Schnittstellen:
1.
Anwendungsorientierte Klassifikation
Diese SS werden für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geschaffen (z.B. für
FEM- Anbindung). Die Anforderungen unterscheiden sich stark.
2.
Systemorientierte Klassifikation
Geräteschnittstellen (V24, Centronics, Busse),
Kommunikationsschnittstellen (Netze, Protokollschnittstellen),
Datenschnittstellen,
Programmierschnittstellen (Programmiersprachen),
Benutzerschnittstellen (BNO),
Externe Schnittstellen (zwischen Systemen),
Interne Schnittstellen (innerhalb eines Systems),
prozedurale Schnittstellen,
deklarative Schnittstellen.
Datenschnittstellen
Aufgabe: Austausch produktdefinierender Daten
Schnittstellen existieren bereits national und international, z.B. für den Austausch von:
Grafischen Daten,
Normteilen zwischen CAD-Systemen.
Geometriedaten an NC-Programmierung,
NC-Programme an die Fertigung,
Daten zwischen heterogenen Fertigungs- und Montagesystemen.
Die Umsetzung in das Format der Schnittstelle oder umgekehrt erfolgt durch Prä- bzw. Postprozessoren. Diese müssen verifiziert werden (Conformance, Interoperability, Robustness,
Performance Tests).
Anforderungen an Datenschnittstellen sind:
Neutralität,
70
Universalität,
Erweiterbarkeit,
Aufwärtskompatibilität,
Eindeutigkeit,
Minimalität,
Verständlichkeit,
Adaption.
Zusätzlich wird gefordert:
umkehrbar eindeutige Abbildungen zwischen den Datenmodellen der Quell- und Zielsprache,
verlustfreie, fehlerfreie und sichere Übertragung,
hohe Packungsdichte der zu übertragenden Informationen,
Übersichtlichkeit und maschinelle Lesbarkeit der Zwischendarstellung,
Wahlfreiheit der Datensequenz,
Einfache Implementierung der Prä- und Postprozessoren.
Die Anforderungen werden durch die meisten heute im Einsatz befindlichen Schnittstellen bei
weitem nicht erfüllt.
Wichtigste Vertreter sind:
IGES
EDIF
STEP
CADI
PDDI
PDES
- Initial Graphics Exchange Specification
- Electronic Design Interchange Format
- Standard for the Exchange of Product Data Model
- CAD Interface
- Product Definition Data Interface
- Product Data Exchange Specification
SET
VDAIS
GKS
PHIGS
CLDATA
IRDATA
- Standard d‘Exchange et de Transfert
- Verband der Deutschen Automobil-Industrie-Flächen-SS
- Graphical Kernel System
- Programmers Hierarchical Interactive Graphics System
- Cutter Location Data (NC-Daten-Austausch)
- Industrial Robot Data (Bild 4.27, [RuGo-91] 3.9/10)
4.4.4. Soziale und arbeitspolitische Aspekte
cIm-Realisierungen haben nicht nur technische sondern auch soziale, personelle und arbeitspolitische Aspekte.
Voraussetzung für Erfolg ist die Akzeptanz bei allen Beteiligten (cIm only will HIM!).
Die Erweiterung des Tätigkeitsbereiches (Job Enlargement) sowie die Bereicherung des Tätigkeitsbereiches (Job Enrichment) stellen hohe Anforderungen an die Mitarbeiter.
Folgende Problempunkte aus sozialer und personeller Sicht ergeben sich im Umfeld von cImRealisierungen:
 Fertigungssysteme sind komplex und teuer (hohe Auslastung erforderlich  Schichtarbeit).
 Mitarbeiter wird immer mehr zum Entscheidungsträger.
71
 Intelligente Systeme verlangen eine intelligente Vorbereitung der Mitarbeiter.
 Die Einführung neuer Kommunikations- und Informationssysteme darf die zwischenmenschlichen Beziehungen nicht unterbrechen (Problemmlösungsprozesse leben von
diesen Beziehungen).
 Funktionsintegration verlangt das Zusammenrücken aller voneinander isolierter Organisationsstrukturen. Mitarbeiter müssen zur Kooperation und Kommunikation bereit sein.
Schlußfolgerung: Vorbereitung auf cIm-Aufgaben notwendig.
4.5. Integration am Beispiel der cIm-Informationsverwaltung
In den Unternehmen sind die Bemühungen um eine Integration auf den einzelnen Integrationsebenen aus den verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten.
Auf der Ebene der Kommunikation geht es um einen flächendeckenden Informationstransport über alle Hierarchieebenen. Mit der Verfahrenskettenintegration verbindet sich die
Hoffnung auf eine durchgängige Bearbeitung des Produktentstehungsprozesses.
Die integrierte Unternehmensverwaltung zielt auf die Verbindung aller Unternehmensbereiche ab und nutzt die bereitstehenden Detailinformationen zu einer überprüfenden Bewertung.
Die Ebene der integrierten Informationsverwaltung nimmt in dieser Struktur eine Schlüsselrolle ein, da dieselbe die Aufgabe hat, den Zugriff auf alle ebenenüberprüfenden Informationen in der entsprechenden Darstellung (Datenmodell) durch geeignete Datenverarbeitungsfunktionen zu sichern.
Wie bereits ausgeführt, müssen die relevanten Informationen zu diesem Zweck zentral verwaltet werden. Zentral verwaltet, d.h. eine semantisch eindeutige und verbindliche Darstellung und Interpretation. Um zu gewährleisten, daß diese „zentralen“ Informationen auch den
„dezentralen“ Teilsystemen zugänglich sind, muß eine allgemeingültige Darstellung (Modell)
gewählt werden. Diese Rolle kann ein Referenzinformationsmodell übernehmen.
4.5.1. cIm-Referenzinformationsmodelle
Definition Modell:
Ein Modell beschreibt Eigenschaften und Konzepte eines Originalobjektes in einer Form,
die für die jeweilige Anwendung relevante Eigenschaften und Konzepte des Originals betrachtet. Die Abstraktion von der für die jeweilige Anwendung irrelevanten Eigenschaften
ist das Werkzeug zur Reduktion der Komplexität. Die relevanten Eigenschaften müssen
vollständig und korrekt im Modell beschrieben werden, so daß Modell und Original ähnlich sind.
Informationsmodelle bzw. Datenmodelle sind informationsmäßige, rechnerorientierte Beschreibungen von Untersuchungsobjekten (Originalen).
Definition abstraktes Datenmodell:
Repräsentiert Klasse von Modellen und die Verfügbarkeit von Freiheitsgraden (formale
Parameter). Durch die konkrete Belegung der Freiheitsgrade (Umwandlung der formalen
in aktuelle Parameter) ergeben sich konkrete Modelle oder Ausprägungen.
72
Abstrakte Modelle beschreiben generische Eigenschaften, die allen Ausprägungen gemeinsam sind.
Definition Referenzmodell:
Referenzmodelle sind Empfehlungen oder Vorschriften zur Beschreibung eines Problembereiches, die eine vergleichende Betrachtung verschiedener Modelle zulassen (z.B. ISO/OSIReferenzmodell für offene Kommunikationssysteme, ANSI/SPARC-Referenzmodell für Datenbanksysteme, cIm-OSA-Referenzmodell für eine offene cIm-Architektur).
 Anforderungen an Referenzinformationsmodelle:
Die wesentliche Aufgabe eines Referenzmodelles ist die Unterstützung der Normierung und
Standardisierung.
Als Anforderungen können formuliert werden:
Vollständigkeit:
Produktrelevante Informationen für das gesamte betrachtete Produktionsspektrum müssen abbildbar sein. Nichtdargestellte Informationen bleiben außerhalb des Referenzmodells.
Neutralität:
Ausschließlich produktspezifische Eigenschaften finden Eingang im Referenzinformationsmodell. Keine system-, branchen- oder verfahrensspezifischen Eigenschaften.
Erweiterbarkeit:
Erweiterbarkeit gegenüber neuen Technologienist notwendig, damit ausreichende Flexibilität und Aktualisierbarkeit gegeben ist.
Aufwärtskompatibilität:
Eindeutigkeit:
Semantische Eindeutigkeit ist gefordert.
Minimalität:
Informationen aus Konsistenzgründen redundanzfrei darstellen. Ableitbare Daten sollten
durch Regeln modelliert werden.
Verständlichkeit:
Die Begriffsbildung sollte der allgemeinen Lehrmeinung und Begriffsbildung folgen
(Common Knowledge).
Adaptierbarkeit:
Das Referenzinformationsmodell sollte sich an die individuellen Darstellungsmodelle
der CAx- und PPS-Systeme, die den internationalen Normungs- und Standardisierungsprojekten entspringen, anpassen und diese unterstützen können (CAD-Rferenzmodell,
STEP, ...).
Realisierbarkeit:
Es muß eine effiziente Implementation des Referenzinformationsmodells in verschiedenen Systemumgebungen und Datenhaltungsformen (Dateiverwaltungssysteme, Datenbanksysteme) möglich sein.
 Struktur von Referenzinformationsmodellen:
Referenzinformationsmodelle haben eine vertikale und horizontale Struktur.
Horizontal: Referenzinformationsmodelle werden auf verschiedenen Abstraktionsebenen
formuliert, die den verschiedenen Detaillierungsebenen entsprechen. Die Abbildungen
73
zwischen den verschiedenen Detaillierungebenen müssen Bestandteil des Referenzmodells
sein.
Vertikal: Referenzinformationsmodelle bestehen aus Partialmodellen, die jeweils eine in
sich abgeschlossene Informationsmenge darstellen. Die Beziehungen der Partialmodelle
untereinander sind Gegenstand des Referenzmodells.
cIm-Informationsmodell:
Produktmodell,
Prozeßmodell,
Werkzeugmodell,
Betriebsmittelmodell,
Fabrikmodell,
Auftragsmodell,
Kundenmodell,
Lieferantenmodell.
Zentrale Bedeutung hat das Produktmodell, das sämtliche Merkmale und Eigenschaften für
den gesamten Produktlebenszyklus abbildet (Bild 4.28/Bild 4.28a/Bild 4.28b/Bild 4.28c).
Produktmodell für Konstruktionsprozesse
Anforderungsmodell
Funktionsmodell
Prinzipmodell
Gestaltmodell
Technologiemdoell
Planungsmodell
Baugruppenmodell
Materialmodell
Fertigungsplanungsmodell
Einzelteilmodell
Toleranzmodell
Montageplanungsmodell
Geometriemodell
Oberflächenmodell
Prüfplanungsmodell
Bild 4.28: Aufbau eines Produktmodells für Mechanikprodukte nach [RuGo-91]
 Spezifikation von Referenzinformationsmodellen
Die Spezifikation besteht aus zwei Komponenten:
Informationsdefinition: eine allgemein verbindliche, neutrale Definition der relevanten
Konzepte, die von den individuellen Teisystemen unabhängig ist.
Informationsrepäsentation: als systemorientierte Darstellung der definierten Konzepte. Sie
entsprechen den Darstellungsmodellen der Teilsysteme.
Beispiel: Kreisbogendarstellung (Bild 4.29)
74
Informations-Definition
Mittelpunkt, 2 Punkte
Informations-Repräsentation A
Informations-Repräsentation B
Informations-Repräsentation C
2 Punkte, 1 Tangente
Mittelpunkt, Radius, 2 Winkel
3 Punkte
Bild 4.29: Definition und Repräsentation nach [RuGo-91]
4.5.2. Im-Integrationsstufen
Die Integration der cIm-Integrationsverwaltung zeigt in der Praxis verschiedene Stufen, die in
ihren Ansätzen nach [Wede-88] bzw. [Eber-84] systematisiert wurden.
Es werden zunächst fünf Stufen unterschieden, die an dem Grad der Unterstützung eines Referenzmodells gemessen werden.
 Integrationsstufe 0
(Bild 4.30)
Zwischen den eingesetzten Teilsystemen existiert kein Kommunikationssystem. Datenverwaltungssysteme der Teilsysteme sind isoliert. Datenübertragung erfolgt durch manuelle
Neuerfassung auf dem Zielsystem.
CAx-System A
CAx-System B
CAx-System C
Bild 4.30: cIm-Integrationsstufe 0 nach [RuGo-91]
 Integrationsstufe 1
(Bild 4.31)
75
Eine integrierte cIm-Kommunikationsverwaltung ist vorhanden. Teilsysteme sind paarweise über Kopplungsprozessoren verbunden.
Aufgabe der Kopplungsprozessoren:
Datentransformation zwischen zwei Systemen, syntaktisch bzgl. der Datenformate, semantisch bzgl. der Darstellungsmodelle  Direktkopplungsprinzip, heute oft realisiert
Probleme:
Informatonsfluß und -qualität: Datenübertragung zwischen zwei Systemen erfolgt autonom
und isoliert. Keine globale Kontrolle der Konsistenz und Aktualität der Daten.
Kopplungsprozessoren: Für n Systeme 2*n+(n-1) sind Koppelprozessoren erforderlich. Die
Einbindung eines neuen Systems verlangt 2n Koppelprozessoren. Ein hoher Entwicklungsund Wartungsbedarf ist erforderlich!
Differenzdaten:
Wenn die Daten eines Quellsystems im Zielsytem nicht darstellbar sind, kommt es zu Informationsverlusten und Differenzdaten. Die Ursachen für die Nachteile der Integrationsstufe 1 sind:
fehlendes Referenzinformationsmodell,
fehlende cIm-Verfahrenskettenverwalung,
fehlende cIm-Unternehmensverwaltung
und damit sind
hoher Kostenaufwand,
keine Verkürzung der Durchlaufzeiten,
keine Standardisierung verbunden.
CAx-System A
Koppelprozessor
B-A
Koppelproz.
A-C
Koppelprozessor
A-B
CAx-System B
Koppelprozessor
B-C
Koppelprozessor
C-A
CAx-System C
Koppelprozessor
C-B
Bild 4.31: cIm-Integrationsstufe 1 nach [RuGo-91]
 Integrationsstufe 2
Unterscheidet sich von Integrationsstufe 1 durch die Einführung eines standardisierten Datenaustauschformates. Dateneingabe- und Datenausgabeformate aller Teilsysteme sind
identisch. Syntaktische Transformation zwischen einzelnen gekoppelten Systemen entfällt.
Semantische Transformation ist nach wie vor erforderlich. Prinzipiell gleiche Nachteile wie
Integrationsstufe 1.
 Integrationsstufe 3
76
Diese Stufe unterstützt ein Referenzmodell, indem die Daten des Quellsystems zunächst in
die Struktur des Referenzmodells und sodann in ein Zielsystem transferiert werden. Teilsysteme können sternförmig gekoppelt werden. Für jedes Teilsystem werden zwei Prozessoren benötigt (Bild 4.32).
Nachteil: nach wie vor Verwaltung der Daten im Dateikonzept, keine Integration der Verfahrenskettenverwaltung.
CAx-System A
Koppelprozessor A
Dateistruktur des
Informations-Referenzmodells
Koppelprozessor B
Koppelprozess C
CAx-System B
CAx-System C
Bild 4.32: cIm-Integrationstufe 3 nach [RuGo-91]
 Integrationsstufe 4
Die Nachteile der Stufe 3 (Dateiverwaltung, fehlende Verfahrensketten- und Unternehmensverwaltung) werden durch den Einsatz eines Datenbanksystems für die konzeptionell
zentralisierte Verwaltung der Daten des Referenzinformationsmodells beseitigt. Das konzeptionelle Datenbankschema repräsentiert das Referenzinformationsmodell. Die privaten
Datenverwaltungssysteme der Teilsysteme werden aufgelöst.
Verfahrensketten- und Unternehmensverwaltung
Datenbanksystems (Bild 4.33).
77
sind
Funktionen
des
cIm-
CAx-System A
Datenbankschema
Informations-Referenzmodells
Cim-DBMS
CAx-System B
CAx-System C
Bild 4.33: cIm-Integrationsstufe 4 nach [RuGo-91]
Weitere Schwächen:
Datenvolumen: Verwaltung temporärer Daten in der öffentlichen Datenbank ,
Effizienz: Die dezidierten Datenverwaltungssysteme der CAx-Systeme sind auf die Anforderungen der Teilsysteme zugeschnitten und sind effizienter.
Kommunikation: Durch ständigen Zugriff auf die Datenbank hohe Anforderungen an Kommunikationssystem.
In Reaktion auf diese Phase werden Integrationskonzepte realisiert, die
 eine private Datenhaltung in den Teilsystemen während der Funktionsabarbeitung und
 eine öffentliche Datenhaltung jener allgemein zu integrierender Daten (gemäß Referenzinformationsmodell) vorsehen.
Der Datenaustausch zwischen den privaten Datenhaltungen der CAx-Systeme erfolgt ausschließlich über die öffentliche Datenhaltung unter Kontrolle der cIm- Verfahrenskettenverwaltung. Damit könnten cIm-Strukturen entstehen, die in Bild 4.34, Bild 4.35, Bild 4.36 abgebildet sind.
78
CAx-System A
Verfahrenskettenverwaltung
Öffentl.
Datenhaltung
Koppelprozessor B
Informationsreferenzmodell
Koppelprozessor C
CAx-System B
CAx-System C
Bild 4.34: Konzept zur cIm-Informationsverwaltung nach [RuGo-91]
__
__
__
übergeordnetes
Rechnersystem
|||
öffentliche
Datenhaltung
CAx-Systeme
Bild 4.35: Verteilte Systemumgebung des cIm-Informationsverwaltungssystems [RuGo-91]
79
Bild 4.36: Schalenmodell des cIm-Managers nach [RuGo-91]
Aus den aufgezeigten Zusammenhängen geht hervor, daß die Transformation der internen
Darstellungsmodelle der privaten Datenhaltungen und dem Referenzinformationsmodell der
öffentlichen Datenhaltung erforderlich wird.
Dabei können zwei Wege beschritten werden:
 Modellintegration
Dieser Ansatz beinhaltet die Voraussetzung, daß die internen Darstellungsmodelle direkt in
das Referenzinformationsmodell eingehen und damit die Probleme identifiziert werden
können. Die internen Darstellungsmodelle sind eine Untermenge des Referenzmodells.
80
Darstellungsmodell CAx-System A
A
A
B
C
B
C
Bild 4.37: Modellintegration
 Modellkopplung (Bild 4.38)
Darstellungs CAx-System A
A
Koppelprozessor A
A'
A'
C'
B'
C'
B'
Koppelprozessor C
Koppelprozessor B
C
B
Bild 4.38: Modellkopplung
Bei der Modellkopplung müssen durch Koppelprozessoren semantische Transformationen
vorgenommen werden, z.B. Transformation von Parameterformaten (von integer in real ...),
Ändern der Informationsreihenfolge (Ändern der Reihenfolge der Koordinatenwerte von
Punktkoordinaten), Ändern von Bezeichungen (Ändern der Bezeichnung „Modell“ in die semantisch äquivalente Bezeichnung „Architektur“), Umrechnen von Dimensionen und Maßeinheiten (von m in mm), Umwandeln von algorithmischen Zusammenhängen, Modellen
Die Systemarchitektur
Informationssystems
nach
Bild
4.36
weist
private Datenhaltungssysteme (äußere Schale),
81
als
Hauptkomponenten
des
cIm-
Koppelprozessorsysteme und
öffentliches Datenhaltungssystem (Kern)
auf.
Der Zugriff auf den Kern erfolgt ausschließlich über das Verfahrenskettenverwaltungssystem.
Zum Datenaustausch von dem privaten Datenhaltungssystem zum öffentlichen System werden
Pufferbereiche eingeführt.
privates Datenhaltungssystem
Ind. Puffer
Verfahrensketteverwaltung
neutr. Puffer
öffentl. Datenhaltungssystem
Wirkungsfeld der
Prozessoren
Bild 4.39: Datenaustausch bei gleicher Systemumgebung
Bei verschiedenen Umgebungen muß das Kommunikationssystem Leistungen zum Transport
anbieten.
82
5. Beispiele für rechnerunterstützte Ingenieursysteme
Rechnerunterstützte Ingenieursysteme unterstützen im wesentlichen alle Phasen der Unternehmensarbeit. Dabei steht die Unterstützung
 der konstruktiven Ingeniermethoden (CAE, CAD),
 der planerischen Ingenieurmethoden (CAP, NC-, CNC-, DNC-Programmierung, PPS),
 der operativen Ingenieurmethoden (DBE, CAM, CAQ, PPS) und
 der systemintegrierenden Ingenieurmethoden (CAx-Kopplung, CIM) im Mittelpunkt.
Der Integrationsgrad ist dabei sehr unterschiedlich ausgeprägt. Je nach Zielstellung der praktischen Aufgabe kann es sich dabei um eine Kopplung oder eine echte Integration von (Teil-)
Systemen handeln. Mehr oder weniger steht bei der Entwicklung solcher Softwaresysteme das
CIM-OSA-Referenzmodell Pate. Beispiele für solche Bemühungen werden im nachfolgenden
näher erläutert.
5.1. Amherst-Karlsruhe-CIM-Modell [ReNS-94]
Rechnerunterstützte Ingenieursysteme unterstützen die unterschiedlichsten Phasen der Produktion. CIM-Systeme reflektieren im allgemeinen auf eine Unterstützung des gesamten Fertigungsprozessess. Einige Beispiele für existierende CIM-Modelle sind u.a.
CIM-Konzept von IBM ( Bild 5.1 nach [ReNS-94], Bild 5.2)
NIST(National Institute of Standards and Technology)-AMRF(Advanced Manufacturing Research Facllity)-Hierarchiemodell (Bild 5.3)
CIM-Konzept der Siemens AG (Bild 5.4)
CIM-Konzept der Digital Equipment Corporation (Bild 5.5, Bild 5.6)
All diese Modelle überstreichen den kompletten Fertigungsbereich. Sie sollen demzufolge
diese Anforderungen befriedigen:
1. Darstellung der Unternehmensaktivitäten,
2. Integration der Managementinformationsdatenbank,
3. Darstellung des Material- und Produktflusses,
4. Darstellung des Informationsflusses,
5. Beschreibung der Schnittstellen und der Kommunikationsprotokolle,
6. Darstellung der hierarchischen Planungs- und Steuerungsfunktionen sowie
7. Berücksichtigung des Faktors Zeit.
Ein Exkurs durch das Amherst-Karlsruhe-Modell soll uns einen Einblick in die Realisierung
dieser anspruchsvollen Aufgabe ermöglichen [ReNS-94].
 Verknüpfung von DV-Aktivitäten
Wenn der gesamte Fertigungsprozeß zu einer funktionsfähigen Einheit konfiguriert werden
soll, muß die Struktur des Informationsprozesses zur Steuerung und Überwachung der Fertigung entworfen werden. Der Informationsprozeß ist dabei mit Daten der verschiedensten
Bereiche zu versorgen. Die einzelnen Komponenten des Informationssystems können dabei
sowohl als Datenquellen als auch -senken arbeiten. Dafür ist ein Datenaustausch zu organisieren. Dieser funktioniert natürlich nur, wenn die entsprechenden Kommunikationskanäle
gestellt werden und die Kommunikationsschnittstellen kompatibel sind. Diese Thematik
hat die Fragen nach dem Datenträgermedium (z.B. Glasfaserkabel), nach dem Kommunikationsprotokoll und nach dem Datenformat zu beantworten.
83
In einem Fertigungssystem sind verschiedene Arten der Datenübermittlung zwischen den
Funktionseinheiten zu erwarten (Bild 5.7):
lose Kommunikationsverbindung ( Weitergabe per Hand),
direkte Kommunikation (Setzt Synchronisation der beteiligten Partner voraus.),
interaktive Kommunikation ( Der Zugriff erfolgt über ein Terminal.),
Kommunikation über Mailbox oder Videokonfernz (Dabei wird das Synchronisationsproblem
der direkten Kommunikaton überwunden.)
Kommunikatin über eine zentrale Datenbank (gleiche Datenstruktur und gleiches Datenformat
erleichtern die Kommunikation.)
Daten
Daten
a) lose Kommunikationsverbindung
Daten
Daten
b) direkte Kommunikation
Daten
Daten
c) interaktive Kommunikation
Datenzwischenspeicher
Daten
Daten
d) Kommunikation via Mailbox
zentrale
Datenbank
Daten
Daten
e) Kommunikation über zentrale DB
Bild 5.7: Verschiedene Arten des Datentransfers nach [ReNS-94]
 Modell des Fertigungssystems
Das nachfolgend beschriebene Modells eines Fertigungssystems soll das Verständnis für
den Informationsfluß, die notwendigen Entscheidungsaktivitäten und für die Kommunikationsinfrastruktur zur Fertigungssteuerung wecken. Im Modell sind solche organisatorischen Aktivitäten der Fertigung wie Marktforschung, langfristige Planung, Marketing, Einkauf und Rechnungswesen nicht enthalten.
Das Amherst-Karlsruhe-Modell beschreibt die technischen Fertigungsaktivitäten. Es setzt
die Eingabe von Aufträgen in das System und die Verfügbarkeit aller Ressourcen für die
84
Planung und Steuerung einer Fertigungsanlage voraus. Das Konzept umfaßt die Ebenen der
Entwicklung und Konstruktion, der Arbeitsplanung, der Ablaufplanung, der Steuerung und
der Betriebsdatenerfassung (Bild 5.8). Die Entwicklungs- und Planungsaktivitäten werden
durch ein verteiltes Computernetzwerk unter Verwendung des MAP-Protokolls verwirklicht. Der Output dieser Ebenen ist die Auftragsfreigabe an die Fertigungsebene. Die Fertigungssteuerung erfolgt mit Hilfe eines hierarchischen Echtzeit-Computersystems. Die
Sollwerte für dieses System sind die Parameter für den laufenden Betrieb, d.h. für die Inbetriebnahme und Steuerung der Anlage. Eine Betriebsdatenerfassung sorgt für ein Feedback
zur Steurung. Die Kommunikation auf der Fabrikebene erfolgt über einen Feldbus.
Bild 5.9 gibt einen Überblick über die zur Programmierung und Konfigurierung eines flexiblen Fertigungssystems notwendigen Software-Werkzeuge.
 Das Produktmodell
Das Produktmodell ist ein Werkzeug zur Beschreibung des Produktes. Es enthält Informationen über die Produktfunktionen, die Form, die Geometrie, die Oberflächenbeschaffenheit, die Fertigungs- und Montagemethoden und über die Qualitätskontrolle. Das Modell
kann die verschiedenen Informationen semantisch in Schichten gliedern (Bild 5.10, Bild
5.1). Diese Schichten werden durch die verschiedenen Werkzeuge (CAx, EDM/PDM, u.a.)
bedient. Die Verbindung zwischen den Teilsystemen wird über geeignete Schnittstellen
bewerkstelligt. STEP nimmt dabei einen herausragenden Platz ein, da dieser Standard versucht, alle Partialmodelle zu unterstützen.
 Arbeitsplanungsmodell
Dieses Modell bildet die Pläne für die Fertigung, die Montage und Qualitätsprüfung (Planung und NC-Programmierung) ab. Die Basisinformationen dafür liefert das CAD-System
mit der Bereitstellung von Zeichnungen und Stücklisten (Bild 5.12 - Bild 5.15). Schwierig
gestaltet sich nach wie vor der automatisierte Datenaustausch zwischen CAD und CAP
(Bild 5. 13).
 Produktionsablaufplanung
Kundenaufträge, Liefertermine, Fertigungsressourcen und Prioritätsregeln sind die wichtigsten Parameter bei der Erstellung eines Produktionsplanes. Arbeitsplan und Maschinenprogramme liefern die grundlegenden Steuerparameter zur Festlegung der Reihenfolge und
zur Steuerung der Fertigungsabläufe. Diese als Ablaufplanung bezeichnete Tätigkeit ist
nicht trivial. Das vorliegende Modell faßt die Algorithmen zur Ablaufplanung in logischen
Steuerungsmodulen zusammen, um sie sodann in einer Bbliothek zur Verfügung zu stellen.
(Bild 5.16, Bild 5.17)
 Fertigungssteuerung und Fertigungsüberwachung
Ein Computernetzwerk steuert und überwacht den Fertigungsprozeß. Dazu bedarf es einer
Systemsteuerungsarchitektur (Bild 5.18). Zu diesem Teilkomplex gehört auch die Werkstattsteuerung, die den Materialfluß in der Fertigungsanlage organisiert.
 CIM-Netzwerk der Modellfabrik
Die Teillösungen werden in einem Netzwerk für eine Modellfabrik zusammengefaßt (Bild
5.19, Bild 5.20)
 CIM-Datenbank
Die gemeinsamen Daten der Verwaltung, der Konstruktion, der Arbeits- und Produktionsplanung bilden das Kernstück eines rechnerintegrierten Fertigungssystems und werden
demzufolge auch mit dem entsprechenden Gewicht zu behandeln zu sein. Diese Aufgabe
übernimmt in dem Amherst-Karlsruhe-Ansatz ein Managementinformationssystem (Bild
5.21). Die Aufgaben dieser datenbankgestützten Lösung sind in (Bild 5.22) dargestellt.
85
Kundenauftrag
2.
Verkauf (Marketing)
Auftragseingang
Angebotseinholung durch den Kunden
Angebotserstellung durch den Kunden
Preis- und Rabattpolitik
Zusammenarbeit mit Kostenrechnung
Kundenauftragsverwaltung
Markt (Kunde)
ausgeliefertes Produkt
11.
Versand, Versanddokumente
Fakturierung
Überwachung der Auftragsversendung
1.
zentrale Tätigkeiten
Management
Personalwesen
Verwaltung
Statistik
3.
organisatorische Auftragsabwicklung
lang- u. kurzfristige Fertigungspl.
Berechnung des Liefertermins
Grobterminierung
Datenbank
10.
Rechnungswesen
Berechnung der Fertigungskosten
(Zuschlagskalkulation,
Betriebsabrechnung,
Kostenstellenabrechnung,
Herstellungsabrechnung)
enge Zusammenarbeit mit
der Angebotserstellung
Gewinn- und Verlustrechnung
für das Werk bzw. Kostenstelle
Lohnabrechnung in
Verbindung mit Personalwesen
Daten:
4.
Entwicklung und Konstruktion
rechnergestützte Entwicklung u Konstr.
Erstellen von Zeichnung u. Stückliste
Klassifizierung von Werkstücken und
Unterbaugruppen
Bildung von Teilefamilien
Programmerstellung für:
- NC-Maschinen
- Roboter
- Prüfmittel
Kunden
Lieferanten
Verkaufsaußendienst
Außendienst
Produkte
Aufträge
Fertigungsprozesse
Personal
Normen
Entwicklungshilfsmittel
Bestände
8.
Fertigung
NC-, CNC- DNC-Steuerung und
adaptive Steuerung
Erfassen der fertiggestellten Aufträge
Erfassen der Fertigungszeiten
5. Arbeitsplanung
Bearbeitung:
(Rohmaterial, Fertigungsprozesse,
Bearbeitungsreihenfolgen, Werkzeuge &
Spannmittel, Bearbeitungsparameter)
Montage:
(Vorrangrelationen, Aktionsplan,
Montageeinrichtungen)
Testen & Prüfen:
(Prüfmethoden, Prüfreihenfolgen,
Prüfmittel)
Erstellen des:
(Arbeitsplans, Montageplans, Prüfplans)
9.
Montage
Steuerung von Robotern
und Montageeinrichtungen
Bild- und Sensorüberwachung
der Montage
Qualitätsprüfung
Erfassen von Montagezeiten
6.
Fertigungsplanung & Fertigungssteuerung
Terminierung
Maschinenzuweisung
Materialplanung
Fertigungsüberwachung
Qualitätsprüfung
7.
Materialbedarfsplanung
Bestandsplanung und -steuerung
Zeitpunkt für Bestellungen und
Vorlaufzeitüberwachung
optimale Bestellmengen
Losgrößenbestimmung
Freigabe der angelieferten Teile
Wareneingangsprüfung
Lieferantenbewertung
Bild 5.22: Unterstützenden Funktionen einer CIM-Datenbank während eines Autragsdurchlaufs.
5.2. Integriertes, featurebasiertes System INTEP/INFID [PKSM-95]
Das nachfolgend beschriebene System ist für den Einsatz in der Produktionsvorbereitung gedacht. Es beinhaltet den modernen Ansatz einer featurebasierten CAD/CAP-Integration.
Ausgangssituation für eine rechnerunterstützte Arbeitsplanerstellung
Der Weg der Realisierung einer durchgehend rechnerunterstützten Prozeßkette in der Produktionsvorbereitung wird durch neue Ansätze beeinflußt, die unter den Schlagworten
Featurebibliotheken, Lösungselemente, Lösungskataloge
Elementorientierte Arbeitsplanung, formale Elementbeschreibung
Featureerkennung
Konstruktionsdatenaufbereitung
zu finden sind. Die Grundidee ist die Verschmelzung der Konstruktions- mit der Arbeitsplanungsphase (Tab. 1, Bild 5.23)
86
Anforderungen
Einfache Erzeugung
 Angebot in Oberfläche/Menü (z.B. Icons)
 geringer Eingabeaufwand
 Recherchemöglichkeit (z.B. Namen, Funktionen)
komfortable Handhabung und Verarbeitung
 einfaches Ändern/Anpassen von Ausprägungen
der Merkmale
 einfaches Positionieren
 definierbare Ausprägungen (Abhängigkeiten)
sowie stete Gewährleistung dieser Ausprägungen
 Verarbeitung von Normreihen
Nutzung von Informationen auch für andere
Bereiche
 Bereichsübergreifende Anwendungen
 Informationsbereitstellung
 transparentes Produktdatenverwaltungsmodell
Informationsergänzung
 Erweiterung um bereichsspezifische Inform.
 Generierung von Daten
 Funktionsmodellierung (z.B. frühe Phasen
des
Entwicklungsprozesses; was?)
 Lösungs-/Ergebnismodellierung (z.B. warum
diese Lösung ?)
 Entwicklungsfortschritt/-geschichte dokumentieren
Definition neuer Features
 Ergänzung des Featurevorrats
 einfache Merkmalsdefinition
 Unterstützung bei der Funktionsmodellierung
Methodik
- strukturierte Bibliotheken
- default-Werte
- semantische Namensvergabe; Kataloge,
Sachmerkmalsleisten
- parametrische Beschreibung der Features
- entspr. Grundlagen im Daten- u. Funktionsmodell (z.B. Bezugs-/Referenzpunkte)
- Bedingungen, Constraints, Verhaltensregeln
- anschließende (verarbeitende) Methoden
- Integration
- Kommunikationsmechanismen
- Produktdaten- und Prozeßverwaltung
- Editor (Featureeditor)
- Berechnungsvorschriften
- online-Dokumentationserstellung
textuelle Beschreibungsmöglichkeiten
- online-Dokumentationserstellung
textuelle Beschreibungsmöglichkeiten
- CSG-Historie, Protokolle, ...
- offenes Daten- und Funktionsmodell, Vererbung
- Editor, Makrotechnik
- Programmierumgebung, Interpreter, MakroSprachen
Verarbeitung komplexer Strukturen
 Erzeugen von Strukturen

Analyse
von
(z.B.Stücklistengenerierung)
- Struktureditor; komplexe Objekte, Abbildung von
Strukturen Beziehungen (zwischen Objekten)
- komplexe Objekte, Abbildung von Beziehungen
Tab. 1: Einige Anforderungen an die Featuretechnik
87
CAD
CAP
2D Geometriemodellierer
Arbeitsplanverwaltung
3D Geometriemodellierer
alphanumerische Teilbeschreibungen (Geometrie,
Technologie)
B-Rep
CSG
Verwendung Makros
Hybrid
Entscheidungstabellensysteme
3D-Parametrik
Regelbasierung
Konstruktions-Feature
Fertigungs-Feature
Entwicklungsstand
parametrisierbare, logikbehaftete
CAD- und CAP-Feature,
das nutzerspezifisch
verarbeitet werden kann
Bild 5.23: Ausgewählte Entwicklungen in den Bereichen CAD und CAP nach [PKSM-95]
 featurebasierte Methoden der Aufbereitung von Konstruktionsdaten für die Fertigungsplanung
Konstrukteure und Arbeitsplaner haben eine unterschiedliche Sicht auf das Produkt. Der eine
unterteilt in Konstruktionsfeatures, der andere in Arbeitsplanfeatures. Eine automatische
Überführung der einen Sicht in die andere könnte den Planungsprozeß entscheidend verkürzen.
Dazu sind drei Wege denkbar (Bild 5.24).
a) Manuelle Beschreibung der Fertigungsaufgabe
CAD
Beschreibungmodul
Arbeitsplanungssystem
b) Automatische Featureerkennung
Featurererkennung
CAD
Arbeitsplanungssystem
c) Featureidentifikaition
CAD/CAP-Verbund
Werkstückkonstruktion
Identifikationsmodul
Arbeitsplanerstellung
Bild 5.24: Ansätze zur Konstruktionsdatenaufbereitung
Der erste Weg führt über die Verwendung einer Beschreibungssprache für die Features. Dabei
gibt es Abweichungen in der Beschreibung und vor allem qualitative Unterschiede in der
Überführung der Konstruktionsdaten. Die Skala reicht von der ausschließlich manuellen Be88
schreibung der Fertigungselemente bis hin zur automatischen Erzeugung von Files in der entsprechenden Syntax der gewählten Sprache. Das Arbeitsplanungssystem wertet diese Informationen hinsichtlich der Generierung von Arbeitsplanungsdaten aus.
Eine andere Strategie wird beim zweiten Weg, der Featureerkennung, verfolgt. Hierbei sollen
automatisch aus dem geometrischen Modell typische, bekannte Features ermittelt werden.
Diese Variante ist für bestimmte Elemente wie Bohrungen, Nuten, Fasen u.a. bereits erfolgreich angewandt worden. Die Featureerkennung ist dabei Bestandteil des Arbeitsplanungssystems.
Der dritte Weg zur Konstruktionsdatenaufbereitung besteht in einer interaktiven Fertigungsfeature-Identifikation. An die Stelle der automatischen Featureerkennung nach Weg 2 tritt ein
Identifikationsmodul, das dem Planer ein Bestimmen von Fertigungsfeatures erlaubt. Hierbei
baut man insbesondere auf das Wissen des geschulten Planers.
Diese Ansätze lassen sich auch kombinieren.
Wird ein Verbund von CAD- und CAP-Systemen auf dieser Basis angestrebt, dann stehen
diese Aspekte im Vordergrund:
1. Alle Features, Konstruktions-und Fertigungsfeatures, werden nach ähnlichem Muster
definiert. Damit ist gemeint, daß sie ein gemeinsames Datenmodell haben und gleiche
Funktionalitäten zur Erzeugung der Daten (z.B. Geometrie) nutzen. Damit wird ein einheitliches Funktions- und Datenmodell zumindest für den Bereich der Werkstückkonstruktion und für die Konstruktionsdatenaufbereitung erreicht.
2. Eine featurebezogene Konstruktionsdatenaufbereitung schließt sich an (nach Weg 1-3).
Hierbei sind bei der Transformation von Konstruktionsfeatures in Fertigungsfeatures
mindestens 3 Wege zu erkennen:
Weg 1: Eine im wesentlichen 1:1 Transformation wird vorgenommen (Bild 5.25).
Weg 2: Ein Konstruktionsfeature wird in Fertigungsfeature zerlegt (Bild 5.26).
Weg 3: Flächen von Konstruktionselementen werden zu Fertigungsfeatures komponiert.
3. Mit diesen Informationen kann auf Basis der Fertigungstechnologien aus dem Fertigteil
das Rohteil interaktiv oder automatisch entwickelt werden.( Bilder 5.25 - 5.27)
 Realisierung einer Integrierten Technologieplanung (INTEP)
In Zusammenarbeit zwischen Informatikern (ITI) und Fertigungstechnikern (IFQ) der Ottovon-Guericke-Universität wurden Lösungen zur featurebasierten Technologieplanung (INTEP) bzw. zum featurebasierten Entwurf (INFID) geschaffen, die den vorher beschriebenen
Anforderungen gerecht werden sollten. Diese Systeme stellen im wesentlichen ein CAD/CAPVerbund auf der Basis des 3D-CAD-Systems KONSYS von Strässle [PKSM-95] dar (Bild
5.28).
Der Prozeß der Informationsverarbeitung beinhaltet diese Schritte:
1. Das Werkstück wird in 3D mit KONSYS/SOLID entworfen. Dabei ist es möglich, daß
der Entwurf bereits mit einem konstruktiven Featuremodul durchgeführt wurde.
2. Die für eine rechnerunterstützte Arbeitsplanerstellung notwendigen Betriebsmitteldaten
und auch Fertigungsfeatures sind in einer Datenbank gespeichert.
3. Mit Hilfe der Logik-Moduln für die Arbeitsplanerstellung und Vorrichtungsplanung
(INFID, Integrated Fixture Design) wird nun ein Arbeitsplan erstellt, der ebenfalls Informationen über die beizustellenden Betriebsmittel enthält.
4. Der Prozeß der Arbeitsplanung wird ständig begleitet durch eine visuelle Präsentation
des Planungsfortschritts, indem auf der Basis des ermittelten Abspanvolumens die Ent89
wicklung vom Rohteil zum Fertigteil (oder in umgekehrter Folge) grafisch verfolgt werden kann .
Basisfunktionalität, Oberfläche, ...
CREATE, DELETE, HANDLING, MANIPULATE, ... OF GEOMETRY AND FEATURE INFORMATION
FEATUREMODUL
Feature
Konstruktion
Logik
Arbeitsplanerstellung
Featurer
Arbeitsplanung
Feature
Vorrichtungsplanung
SOLIDS
Fertigungsressourcen
Featurer-Vorlagen
FeaturerDaten
Verweise
FeatureFunktionen
Logik
Vorrichtungsplanung
Application Procedural Interface
ACIS (geometry kernel)
Bild 5.28: Systemarchitektur der Prototypentwicklung INTEP/INFID
 Systemarchitektur zur Integrierten Technologieplanung (INTEP)
Das System INTEP stellt einen CAD/CAP-Verbund dar. Als Basissystem dient das 3D-CADSystem KONSYS von Strässle. Die Funktionalität der Solid/Feature-Moduln wird erweitert
und durch Arbeitsplanungsmoduln ergänzt (Bild 5.28).
Einen Schnappschuß der Planung zeigt Bild (Bild 5.29).
Im Ergebnis der Testung stellten sich noch inhaltliche und informationstechnische Schwächen
heraus. So fehlt eine Integration qualitätsbezogener Daten. Auch die Ermittlung des Abspanvolumens bereitet weiterhin Schwierigkeiten. Informationstechnisch hat sich die Einbindung
der gesamten Applikation unter dem CAD-System als Anwendungsserver als überfordert erwiesen. Das Managen der einzelnen Funktionalitäten sollte in ein eigens dafür eingerichtetes
System gelegt werden.
90
5.3. Entwicklungsumgebung für komponentenorientierte, technische Informationssysteme
Literatur
[SATTLER98) K.-U. Sattler: Tool-Komposition in integrierten Entwurfsumgebungen
Dissertation, Universität Magdeburg 1998
5.3.1. Ausgangssituation
Einordnung der Aufgabenstellung:
Wir haben feststellen können, daß eine effiziente Unterstützung des Produktionsprozesses durch entsprechende
rechnerunterstützte Informationssysteme möglichst über alle Phasen dieses Prozesses stattfinden sollte. Also von
der Kundenanfrage, über die Angebotsbearbeitung, Erstellung der Fertigungsunterlagen, Fertigung und Vertrieb.
Der gesamte Problembereich ist sehr komplex mit verschiedensten anwendungsspezifischen Anforderungen, die
ein Werkzeug allein nicht befriedigen kann. Deshalb ist das Spektrum des Angebots an Werkzeugen, die meist
auf eine Aufgabe abgestimmt sind, auch sehr groß. Sogar in einem Problembereich, z. B. im Automobilbau werden für den konstruktiven Entwurf verschiedene CAD-Systeme eingesetzt (speziell für die Karosserie, Antrieb
usw.). Die Anwendung verschiedener Werkzeuge bedingt ein Zusammenspiel derselben. Dabei treten die bekannten Probleme wie
 Datenaustausch,
 Konsistenzerhaltung der Daten,
 Überlappung der Funktionalität der Systeme u.a. auf.
Deshalb die bereits eingehend besprochene Aufgabe:
Abstimmung der Werkzeuge aufeinander und deren Einbettung in ein integriertes Gesamtsystem, das
durch eine geeignete Entwurfsumgebung unterstützt wird.
Kapitel 4 beschäftigte sich mit dem allgemeinen Stand der Technik zu dieser Themenstellung. Dieses Anwendungsbeispiel gibt die Bemühungen der AG Rechnerunterstützte Ingenieursysteme unter Leitung des Vorlesenden zu dieser Problematik wieder.
Problemdarstellung:
Auf Grund der Vielfalt der Entwicklunganforderungen sind Standardentwurfsumgebungen nicht verfügbar. Gegebenenfalls kann auf die bekannten Referenzmodelle zurückgegriffen werden. Individuelle Lösungen für Kunden verbieten sich ebenfalls aus Zeit- und Kostengründen. Deshalb wird die Forderung nach offenen und flexiblen Entwurfsumgebungen laut:
 Offenheit beinhaltet die Möglichkeit der Einbindung neuer bzw. den Austausch vorhandener Werkzeuge.
 Flexibilität setzt die Fähigkeit der Anpassung von Struktur und Verhalten der Gesamtumgebung an die aufgabenspezifischen Gegebenheiten voraus.
Vorteile einer offenen Umgebung sind:
+ Durch das "Zusammenstecken" vorgefertigter Werkzeugbausteine wird deren Wiederverwendung ermöglicht
und damit eine Kostenreduzierung erreicht.
+ Das Zerlegen eines komplexen, monolithischen Systems in kleinere, überschaubere Einzelkomponenten erhöht
die Wartbarkeit und hilft bei der Verringerung der Fehlerrate.
+ Ein modulares System kann flexibler an neue Anforderungen angepaßt werden.
Die damit angestrebte Software-Infrastruktur stellt somit einen Rahmen dar, in welchem es möglich wird, beliebige Werkzeuge zu entfernen und hinzuzufügen. Diesen Rahmen kann man als Integrationsrahmen oder auch
Framework bezeichnen.
Die Integrationsdienste werden im allgemeinen auf der
 Datenebene
 Werkzeugebene
 Prozeß- oder Steuerungsebene
 Präsentationsebene
angeboten.
Uns bisher bekannte Mechanismen zur Realisierung der einzelnen Integrationsaspekte sind u.a.
91
auf der Datenebene
SQL-, ODMG-, STEP-Standard, Konzepte für föderierte DBMS
auf der Präsentationsebene
grafische Benutzeroberflächen, Konzepte zur visuellen
Integration (OLE!)
auf der Prozeßund Steuerungsebene
Message Server, Object Request Broker (CORBA von OMG,
COM/DCOM von Microsoft)
auf der Werkzeugebene z. B Tool- Kompositionsansatz nach [SATTLER98]
Die Aspekte des zuletzt angeführten Tool-Kompositionsansatztes sind:
Software-Werkzeuge werden als wiederverwendbare Bausteine oder Komponenten angesehen, die in beliebiger Form kombiniert und zu neuen Bausteinen zusammengesetzt werden können. Ein Mechanismus zur
Beschreibung der Eigenschafte der Komponeneten ist erforderlich.
Die verschiedensten Werkzeuge einer Umgebung müssen in geeigneter Weise miteinander verbunden werden, um das gewünschte Verhalten zu erzielen. Zur Herstellung und Verwaltung dieser Verbindungen werden Kompositionsmechanismen benötigt.
Die Abbildung und Verwaltung der Komponenten und Interaktionsbeziehungen muß durch ein Laufzeitsystem unterstützt werden. Dieser Systemteil beinhaltet die Integrationsdienste zur Verbindung und Steuerung
der Tools.
Im Kontext dieser Problemstellung des rechnerunterstützten Entwurfs sind noch diese begrifflichen Klärungen
notwendig.
Es gibt 2 Kategorien von Objekten.
Objekte, die bearbeitet werden ( als Material bezeichnet).
Objekte, die zur Bearbeitung notwendig sind (als Tool bezeichnet).
Material CAD-Zeichnungen, Arbeitspläne..
Tool
CAD-System, Struktur-Browser, Texteditoren..
Das Muster des Zusammenspiels beider Objekttypen nennt man Tool-Material-Metapher (Abb. 5.30).
Abbildung 5.30
Dienst
Aktion eines Software-Systems
Tool
Software-Modul mit definierten Schnittstellen, das eine Menge semantisch zusammenhängender Dienste anbietet.
Entwurfsumgebung
Menge von Diensten, die einen Entwurfsprozeß durchgängig unterstützen.
Framework
Ist als Integrationsrahmen eine Software-Infrastruktur, die Dienste zur Entwicklung und Anpassung von Entwurfsumgebungen anbietet.
Integration
Ist die Verbindung und Abstimmung von Software-Moduln in einem funktionierenden Gesamtsystem, auch als Tool-Integration zu verstehen.
92
Nutzer
Benutzerschnittstelle
Prozeßsteuerung
Weitere Tools
Tool
Kommunikationsschnittstelle
Datenbankschnittstelle
Abbildung 5.31:Integrationsschnittstellen eines Tools [SATTLER98]
Im einzelnen lassen sich die Integrationsaufgaben in den erwähnten 4 Dimensionen wie folgt charakterisieren.
+ Datenintegration
Beinhaltet die Verwaltung der im Entwurfsprozeß anfallenden Daten.
Datenaustausch erfolgt über
Direkten Informationsaustausch,
dateibasierten Informationsaustausch mit Standardformaten,
repository-basierter Informationsaustausch über einen zentralen Datenspeicher.
Zwei Aspekte sind bei der Datenintegration zu beachten:
die Modellierung (mittels ER-Diagrammen, objektorientierten Ansätzen..)
die Dienstbereitstellung zur Integration (Datenmangement,Metadaten-Dienste, Nutzer- und Zugriffsverwaltung, Archivierung, Anfrage- und Suchdienste..).
+Steuerungsintegration
Diese Ebene enthält die Mechanismen zur direkten Interaktion zwischen Tools.
Die Dienstaufrufe können dabei synchron erfolgen, d.h. die beteiligten Tools gehen eine 1:1 - Verbindung ein,
oder asynchron, d. h. , der Sender muß nicht unbedingt auf die Antwort warten, 1:n Verbindung ist möglich.
Bekannte Lösungen zur Unterstützung dieser Ebene sind:
über Prozeduraufrufe
z. B. Remote Procedure Call (RPC), Ort und Schnittstelle des Dienstanbieters
müssen bekannt sein.
Object Request Broker
eine objektorientierte Sichtweise, Tools sind Objekte mit definierten Schnittstellen und Identität, Objekte kommunizieren über ORB
Broadcasting
Tools reagieren auf bestimmte Ereignisse oder Zustandsänderungen. Ein
Broadcast Message Server übernimmt die Weiterleitung und Verteilung der
Ereignismeldungen.
+Prozeßintegration
Die Prozeßintegration unterstützt die Steuerung und Kontrolle des Entwurfsprozesses selbst.
Von herausragender Bedeutung in diesem Zusammenhang sind die Prozeßmodellierung und
die Schaffung von Integrationsdiensten.
Zur Prozeßmodellierung werden Prozeßmodellierungssprachen eingesetzt. Diese folgen den
Paradigmen der prozeduralen, regelbasierten oder auch topologie- und netzbasierten Ansätzen.
Zur Abbildung eines Prozeßmodells und zur Ablaufsteuerung und -kontrolle müssen durch die Entwurfsumgebung entsprechende Dienste bereitgestellt werden. Diese Integrationsdienste umfassen im einzelnen.
93
 Dienste zur Modellierungsunterstützung
Hierin sind alle Dienste einzuordnen, die Ablaufstrukturen und Aktivitäten sowie deren Verhalten und deren
Anforderungen an die Ressourcen beschreiben. Darüber hinaus muß die Komposition und Dekomposition von
Prozessen möglich sein und der Zugriff auf Daten und Tools über ihre Beschreibungen gesichert werden.
 Dienste zur Instantiierung und Ausführung von Prozessen
Anhand eines gegebenen Prozeßmodells können konkrete Prozeßinstanzen erzeugt und ausgeführt werden. Das
umfaßt das Zuordnen von Ressourcen(Daten und Nutzer), das Prüfen von Bedingungen, das Verfolgen von Ereignissen und das Anstoßen der Aktionen. Die Ausführung übernimmt eine implementierte Prozeßmaschine, die
auf einem Zustandsautomaten oder Regelinterpreter basieren kann.
 Monitoring-Dienste
Die Monitoring-Prozesse unterstützen sowohl die Ausführungsdienste durch das Melden von Ereignissen, die die
Fortsetzung beeinflussen, als auch das Projektmanagement durch die Überwachung und Darstellung der Abläufe
sowie das Signalisieren von Konflikten und Engpässen.
 Transaktionsdienste
Es wird die Ausführung eines Prozeßschrittes oder eine Folge derselben beobachtet und im Fehlerfall zurückgestzt.
+Präsentationsintegration
Ziel der Präsentationsintegration ist eine effiziente Unterstützung der Interaktion zwischen Nutzer und Umgebung. Einheitliche Benutzerschnittstellen fördern die Integration .
Von Bedeutung sind in diesem Kontext das
visuelle Erscheinungsbild bzw. Verhalten der Tools
(umfaßt alle Bereiche der Gestaltung der Benutzerschnittstellen, wie Schaltflächen, Menüs, Dialogboxen, Mausklick, Drag&Drop ) und
das Interaktionsparadigma .
Letzteres legt fest, wie der Nutzer mit dem System interagiert. Dies kann funktions- oder applikationsorientiert
sein, d.h. das Tool wird zunächst aktiviert, bevor der Zugriff auf die Dokumente erfolgt. Als Alternative kann das
dokumenten- oder objektorientierte Paradigma verfolgt werden. Die Dienste sind den Objekten als Methoden
zugeordnet.
In der Verbindung mit der Prozeßsteuerung kann ein aufgaben- oder aktivitätenorientiertes Paradigma verwirklicht werden. Die aktivität definiert die Dokumente und die zur Verarbeitung notwendigen Tools.
Für die Realisierung der Aufgaben in dem beschriebenen Umfeld eignen sich Referenzmodelle, die einen konzeptionellen Rahmen darstellen können. Beispiele hierfür sind das ECMA-Modell und das bereits vorgestellte
CAD-Referenzmodell .
Objec t Management Servic es
Tools
Proc ess Managem ent
Servic es
Com munic ation
Servic es
User Interfac e
Servic es
+ Polic y Enforc ement Servic es
+ Framework Administration Servic es
Abbildung 5.32: Prinzip des ECMA-Referenzmodelles[SATTLER98]
94
Abbildung 5.33: CAD-Referenzmodell [ABELN95]
5.3.2 Anforderungen an Integrationskonzepte für Entwurfsumgebungen
Begriffe:
Software-Komposition
Entwurfsumgebungen sind keine starren, unveränderlichen Software-Systeme, sondern müssen im Laufe ihres
Einsatzes an wechselnde Anforderungen angepaßt werden. Diese Forderung wird durch den Aufbau von Systemen als eine Menge von Bausteinen unterstützt.
Theoretische Grundlage bilden die Prinzipien der Software-Komposition.
Def.:
Software-Komposition ist die systematische Konstruktion von Software-Anwendungen aus Komponeneten, die
Abstraktionen eines speziellen Problembereiches implementieren.
Eine wesentliche Rolle dabei spielen.
die Komponenten als "komponierbare" Software- Bausteine,
die Kompositionsmechanismen zur Verbindung der Komponenten.
Def.:
Eine Komponente ist ein wiederverwendbarer Software-Baustein mit wohldefinierten Schnittstellen zur Komposition.
Die Schnittstellen legen dabei die Art und Weise der Interaktion der Komponente mit der Außenwelt fest und
bilden damit die Basis für die Verbindung der Komponente mit anderen Bausteinen. Die Schnittstellen sollten
dabei die Eigenschaften der Typ- und Protokollkompatibilität aufweisen. Für die Beschreibung dieser Schnittstel95
len nutzt man Schnittstellenbeschreibungssprachen (Interface Definition Language), die eine abstrakte Beschreibung der Datentypen und Operationen zulassen und die Abbildung in eine konkrete Implementierungssprache
erlauben.
Komponententechnologien
Wenn Komponenten als Bausteine in einer heterogenen Welt gehandelt werden sollen, müssen entsprechende
unterstützende Techniken her.
CORBA
Common Object Request Broker Architecture (CORBA, OMG 1997) definiert einen Rahmen für die Kommunikation von verteilten Objekten in heterogenen Umgebungen. Objekte kommunizieren unter CORBA über Aufrufe ihrer Operationen, die über den Object Request Broker weitergeleitet werden. Für jedes Objekt wird eine
Schnittstelle mit Hilfe der Interface Definition Language (IDL) spezifiziert. Ein Compiler erzeugt daraus CodeRümpfe, die in einer entsprechenden Implementierungssprache eingebettet werden (C, C++, Java, ADA).
Mit dem unter CORBA 2.0 definierten Internet-Inter-ORB-Protokoll (IIOP) ist eine
Interoperabilität zwischen den ORB verschiedener Hersteller möglich.
Abbildung 5.34: Common Object Request Broker Architecture
COM/DCOM
Das (Distributed) Component Object Model (Microsoft 1997) ist die Implementierung eines Objektmodells für
die Kommunikation von verteilten Anwendungen. COM war zunächst für Windows-Plattformen in lokaler Umgebung beschränkt, DCOM steht für Lösungen in verteilter Umgebung auf verschiedenen Plattformen. Bekannt
sind COM/DCOM- Erweiterungen für spezielle Anwendungsbereiche wie Object Linking and Embedding (OLE)
für Verbunddokumente und ActiveX für Web-Anwendungen.
96
Abbildung 5.35: COM-Technologie
JavaBeans
JavaBeans (Sun 1997) steht für das Komponentenmodell von Sun auf der Basis der Programmiersprache Java.
Diese Komponenten sind plattformunabhängig und können in einer Java-Umgebung genutzt werden. Beans stellen Objekte oder Verbundobjekte dar.
Was im Rahmen dieser Betrachtungen noch fehlt, sind Modelle zur Komposition und Koordination von Komponenten, die eine explizite Repräsentation und Koordination der Interaktionen gestatten. Formale Konnektoren,
Protokolladapter, Gluons u.a. Konzepte (siehe auch [SATTLER98] erfüllen diese Anforderungen.
Schließlich können aus den bisherigen Herleitungen diese
Anforderungen an Integrationskonzepte
abgeleitet werden:
Trennung von Anwendungsteil und anwendungsabhängigem Basissystem
Hiermit wird der Framework-Gedanke betont, indem durch das Einstecken der Tools in ein Basissystem eine
aufgabenbezogene Konfigurierung der Entwurfsumgebung möglich wird.
Unterstützung aller Integrationsebenen
Die Integrationsebenen stehen miteinander in dem Zusammenhang der speziellen Aufgabenstellung. Deshalb
muß das Zusammenwirken aller Ebenen organisiert werden.
Berücksichtigung der Heterogenität der Tool-Implementierungen
Aufgrund der Vielzahl von Implementierungsplattformen und - technologien ( Programmiersprachen, Kommunikationsdienste , Datenbank- und Benutzerschnittstellen...) einerseits sowie Anwendungsfelder andererseits werden die Einsatzmöglichkeiten der Tools bei der Vergabe von Schnittstellen und Implementierungen eingeschränkt. Eine Integrationsumgebung muß deshalb die wichtigsten Implementierungsplattformen und - techniken
unterstützen und offen für Erweiterungen und Neuentwicklungen sein.
Explizite Beschreibung der Repräsentation der Architektur der Umgebung
Durch die Beschreibung der Architektur der Entwurfsumgebung ( bestehend aus Tools und ihren Beziehungen )
auf einer implementierungsunabhängigem Ebene kann die Konfigurierung der Umgebung für den Anwender
vereinfacht werden. Gleichzeitig verbessert die Verfügbarkeit von Informationen über die Systemstruktur die
Wartung und Anpaßbarkeit.
Einsatz von Tool-Komponenten in unterschiedlichen Anwendungskontexten
97
Häufig wiederkehrende Standardoperationen treten in den verschiedensten Anwendungen auf. Die ausführenden
Tools müssen in diesen Umgebungen flexibel einsetzbar sein. Das Integrationskonzept muß die flexible Kombination von Tools unterstützen.
Bereitstellung von Mechanismen zur Bindung von Tool-Schnittstellen
Die Integrationsumgebung muß Mechanismen zur Verbindung der Tool-Schnittstellen über Plattform- und Implementierungsgrenzen hinweg bereitstellen. Zu berücksichtigen sind Inkompatibilitäten der zu verbindenden
Schnittstellen und auch unterschiedliche Interaktionsformen ( Dienstaufrufe, Broadcasting von Ereignismeldungen ).
5.3.3 Komponentenbasierten Tool-Integration
Modell
Mit Hilfe einer Menge von Tool-Komponenten, deren Verbindungen sowie den Basisdiensten kann eine Ausprägung der Entwurfsumgebung definiert werden. Eine solche Ausprägung nennen wir Konfiguration.
Bei der Betrachtung der Konfiguration sind 2 Aspekte zu unterscheiden:
 Verarbeitungsaspekt: Er beschreibt die Dienste der Tool-Komponenten und deren Anforderung an die Umgebung. Dies wird über die Tools selbst und deren Schnittstellen realisiert.
 Koordinationsaspekt: Dient zur Organisation des Verhaltens einer Gruppe von Komponeneten. Der Koordinationsteil einer Konfiguration wird durch eine Menge von Beziehungen zwischen den Komponenten gebildet, die durch Interaktoren wahrgenommen werden.
Interaktionspunkte m it
benötigten Diensten
Interaktionspunkt m it
unterstützten Diensten
Implementierung
Komplexe Komponente
Subkomponente
Interaktor
Interaktor
Rollen
98
Repository
m it Kom ponentenund Interaktordefinitionen
TILCompiler
TILSpezifikation
Adapter Code
ToolIm plem entierungen
TILRepräsentation
Laufzeitsystem
Konfiguration
Abbildung 5.36: Primitive Komponente und Interaktor sowie komplexe Komponente [SATTLER98]
Spezifikation von Konfigurationen auf der Basis des Modells
Mit den soeben vorgestellten Ansätzen wurden die Basiskonzepte zur Komposition von Tools vorgestellt. Für
die Anwendung dieser Ansätze zur Integration und Komposition von konkreten Tool-Implementierungen wird
ein Mechanismus gebraucht, der die Definition einer Konfiguration in einer geeigneten Form ermöglicht. Die von
[SATTLER98] entwickelte Sprache TIL stellt dieses Instrumentarium dar.
Abbildung 5.37: Integrationsprozeß mit TIL [SATTLER98]
Diese Konfigurationssprache muß demzufolge die Verarbeitungs- und Koordinationsaspekte abbilden können.
Die Tool Interconnection Language (TIL) hat eine Syntax, die es gestattet
 Datentypen und Schnittstellen,
 Komponenten und Interaktoren sowie
 Konfigurationen
zu beschreiben. Die Sprache stützt sich dabei auf Elemente der Interface Definition Language (IDL) der OMG.
servic es
selector
AssemblyTool
notifier
component AssemblyTool {
supports ExtAssemblyServices services;
requires PartSelection selector using attach_selector;
announces AssemblyEvents notifier using attach_listener;
primitive implementation {
protocol = IIOP;
services =  /services/AssemblyEditor;
}
}
Abbildung 5.38: Beispiel einer primitiven Komponente
99
servic es
AssemblyTool
SelectionTool
ModellingTool
notifier
component ModellingTool {
supports ExtassemblyServices using editor.services;
announces AssemblyEvents notifier using editor.notifier;
composite implementation {
AssemblyTool editor = new AssemblyTool;
SelectionTool selector = new SelectionTool;
...
}
}
Abbildung 5.39: Beispiel einer komplexen Komponente
AssemblyTool
link
SelectionTool
observer
Struc tureBrowser
configuration Config {
AssemblyTool editor = new AssemblyTool;
StructureBrowser browser = new StructureBrowser;
SelectionTool selector = new SelectionTool;
new link<editor, selector>;
new observer<editir, browser>;
}
Abbildung 5.40: Beispiel einer Konfiguration
5.3.4 Laufzeitunterstützung der Komposition
Aufgabe einer Laufzeitunterstützung ist die Abbildung des Kompositionsmodells auf eine Implementierungsebene. Die zu realisierenden Teilaufgaben sind folgende:
 Integration der Komponentenimplementierungen
Die Tools einer Umgebung können in den verschiedensten Programmiersprachen implementiert sein und unterschiedliche Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle unterstützen. Das Laufzeitsystem muß diese Komponenten als primitive Komponenten einbeziehen und deren Präsentation ermöglichen.
 Abbildung von Komponenten und Beziehungen
100
In Abhängigkeit von der Implementierungsplattform müssen die Abstraktionen des Kompositionsmodells abgebildet werden. Dazu gehören die Verwaltung von Objekten zur Repräsentation komplexer Komponenten sowie
die Implementierung der Kompositionsmechanismen.
 Initialisierung von Konfigurationen
Anhand einer spezifizierten Konfiguration muß eine konkrete Ausprägung der Entwurfsumgebung hergestellt
werden, einschließlich der Instantiierung und Herstellung der Verbindungen. Außerdem sind die Zugriffsdienste
für andere Systemebenen ( z.B. Prozeßsteuerung) auf die Objekte einer Konfiguration bereitzustellen.
 Bereitstellung von Kommunikationsdiensten
Die Abbildung der Interaktionsbeziehungen setzt die Verfügbarkeit von Mechanismen zur Kommunikation von
Tools voraus. Diese Dienste müssen unter Verwendung der Mechanismen der Implementierungsplattform realsiert werden.
 Berücksichtigung der Heterogenität
Die Tool-Komponenten sind häufig auf verschiedenen Implementierungsplattformen
entwickelt. Die Überbrückung der Unterschiede ist eine weitere Aufgabe des Laufzeitsystems.
Kom m unikationsdienste
User-Interfac e-Dienste
Dienste zur Prozeßverwaltung
und -steuerung
Kom positions- und
Konfigurationsdienste
Kom ponentenlaufzeitsystem
Dienste zur Datenintegration
Abbildung 5.41: Einordnung der Kompositionsdienste in eine Entwurfsumgebung
Zur Realisierung schlägt Sattler eine reflexive Systemarchitektur vor (siehe Abb. 5.42), wobei die Metaebene
Informationen über das System generell und die Basisebene Informationen über die eigentliche Logik des Anwendungssystems liefert. Beide werden über ein Metaprotokoll verbunden.
101
Metaobjekte
Metaobjektprotokoll
Metaebene
Basisebene
Im plem entierungsobjekte
Abbildung 5.42: reflexive Systemarchitektur
Die daraus resultiernde Architektur des Laufzeitsystems vermittelt Abb. 5.43.
Es bedeuten:
(1)
die Initialisierung des Metamodells durch eine in TIL erstellte Konfigurationsbeschreibung oder durch
ein dynamisches Erzeugen des Modells,
(2)
der Zugriff auf die Konfigurationsdienste zur Instantiierung einer Konfiguration bzw. auf die einzelnen
Komponenten dieser Konfiguration zum direkten Aufruf von Komponentenoperationen,
(3)
der Zugriff auf das Metamodell zur Manipulation von Struktur und Verhalten der aktuellen Konfiguration, z.B. zum Einfügen neuer Kompnenten und Beziehungen,
(4)
die Schnittstelle zur Adapterebene für die Bereitstellung spezieller Kommunikationsadapter.
102
(3)
Konfigurationsebene
(1)
(2)
Surrogatebene
Interaktorebene
Metamodell
Adapterebene
Laufzeitsystem
(4)
Im plem entierungsumgebung
Abbildung 5.43: Architektur des Laufzeitsystems
5.3.5 Prototyp und Anwendungsbeispiele
Wie bereits erwähnt, verfolgt die Forschergruppe mit dem Projekt PACO (siehe Abb.5.44) das Ziel, eine konfigurierbare, integrierte Ingenieurumgebung zur Unterstützung dre Planungs- und Entwurfstätigkeiten im Produktionsprozeß zu entwickeln.
103
Benutzerschnittstelle
Konfigurationsebene
Prozeßebene
Ablaufsteuerung
Aktivitätenausführung
Toolkonfiguration
Konfigurations- und
Kom m unikationsdienste
Datenmanagement-Ebene
EDM-Dienste
Abbildung 5.44: PACO-Architektur
Mit Blick auf die bereits erzielten Forschungsergebnisse insbesondere auf der Konfigurationsebene wurde als
Integrationsumgebung ein Web-basiertes Client-Server-System konzipiert, wodurch eine verteilte Ausführung
von Aktvitäten möglich wurde. (Abb. 5.45)
Was gehört zur Architektur des Systems?
Die Client-Seite übernimmt ein Web-Browser in Verbindung mit HTML-Seiten. Der Web-Browser ist dabei
erweitert um Funktionen zur Instantiierung von Komponentenkonfigurationen und zur Ausführung von Aktivitäten. Dies übernimmt der sogenannte Content Handler, der bestimmte Dokumententypen behandeln und darstellen
kann. In diesem Falle handelt es sich dabei um Aktivitätenskripte und Konfigurationsbeschreibungen. Wird ein
solches Dokument in den Browser geladen, so gibt der Content Handler diese zur Interpretation weiter. Ein Aktivitätenskript wird vom Interpreter ausgeführt und instantiiert das Laufzeitsystem anhand der Konfigurationsbeschreibung.
Der Web-Server liefert die Dienste zum Daten - und Dokumentenmanagement. Kommuniziert wird das Hypertext Transfer Protocol (HTTP). Neben dieser Verbindung über HTTP kann auch auf Tools über andere Protokolle auf die Umgebung zugegriffen werde.
Diese spezielle PACO-Integrationsumgebung ist charakterisiert hinsichtlich der Konfigurierbarkeit
 der unterstützten Entwurfsprozesse in Form der Aktivitäten und ihrer Abfolge,
 der Tool-Komponenten und deren Verbindungen als aufgabenspezifische Ausprägung des Systems sowie
 in Hinblick auf die Verbindung mit dem Datenmanagementsystems bezüglich der zu verwaltenden Daten und
Dokumente.
104
Web-Browser
Web-Server
Aktivitäteninterpreter
Prozeßsteuerung
Komponentenlaufzeitsystem
IIOP
CORBA-Objekte
Datenmanagement
JavaVM
JavaKomponenten
Produktdaten und -dokumente,
Konfigurationsbeschreibungen ...
Abbildung 5.45: Aufteilung der Systemteile des Prototyps
Abbildung 5.46 zeigt einen Schnappschuß eines Anwendungsbeispieles in diesem Rahmen. Es handelt sich um
den strukturieren CAD-Entwurf eines Werkstückes.
105
Abb. 5.46: CAD-Entwurf in einer konfigurierbaren Umgebung
Als Ausblick zu diesem Projekt muß festgestellt werden, daß die Ebenen der Prozeßsteuerung und der Benutzerinteraktion im Sinne einer Integration weiter vorangetrieben werden müssen.
6. Zusammenfassung
Das Anwendungsfeld der rechnerunterstützten Ingeniersysteme ist die automatisierte Fertigung mit Blickrichtung auf cIm. Im Sinne der cIm-Strategie ist die unternehmensweite In106
tegration sämtlicher technischer und betrieblich-organisatorischer als auch betriebswirtschaftlich-administrativer Funktionen die Orientierung.
Voraussetzung für die Realisierung dieser Strategie ist eine ganzheitliche Integration des cImInformationsflusses. Dieser ist durch mehrere Ebenen gekennzeichnet:
1.
2.
3.
4.
die integrierte Kommunikationsverwaltung,
die integrierte Verfahrenskettenverwaltung,
die integrierte Informationsverwaltung und
die integrierte Unternehmensverwaltung (Management).
Ein integriertes Informationsverwaltungssystem spielt aus der Sicht der Informationsverarbeitung eine herausragende Rolle. Ein solches System weist zumeist diese Merkmale auf:
Verteilte Verarbeitung mit Konzentration auf Workstation-Nutzung,
Kombination der privaten Datenhaltungssysteme der cIm-Komponenten mit einem zentralen,
öffentlichen Datenhaltungssystem,
Horizontale und vertikale Verteilung des cIm-Informationsverwaltungssystems
horizontale Verteilung durch Einsatz der privaten Datenhaltungssysteme für die Verwaltung
temporärer Daten während der Funktionsrealisierung und
vertikale Verteilung über das übergeordnete Datenhaltungssystem mittels einem neutralem
Referenzinformationsmodell,
Die cIm-Komponenten werden vorzugsweise auf Workstation-Arbeitsplätzen realisiert. Die
öffentliche Datenverwaltung erfolgt auf einem zentralen Abteilungsrechner.
Das somit charakterisierte Informationsverwaltungssystem wird in zwei Schritten umgesetzt:
1. Integration der Teilsysteme zu Teilketten und
2. Bindung der Teilketten zu einem Gesamtsystem.
Dieser Vorschlag stellt nach wie vor einen Kompromiß auf dem Wege zu einem Integrationskonzept dar, das auf einen ganzheitlichen semantischen Ansatz für ein Unternehmen aufbaut,
dessen Realisierung aber noch in die weite Zukunft gerichtet ist.
107
7. Literaturübersicht
[Abel-90]
Abeln, O.: Die CA...-Techniken in der industriellen Praxis. Carl-HanserVerlag München Wien, 1990
[Abel-95]
Abeln, O.: CAD-Referenzmodell. Teubner-Verlag 1995
[Abra-96]
Abramovici, .: Workshop EDM/PDM-Systeme. Universität Bochum,
1996
[Ande-93]
Anderl, R.: CAD-Schnittstellen. Carl-Hanser-Verlag München Wien, 1993
[BuWL-89]
Bullinger, H.-J., Warschat, ., Lay, .: Künstliche Intelligenz in Konstruktion und Arbeitsplanung. mi-Verlag Landberg Lech, 1989
[DIN-81]
Deutsches Institut für Normung, DIN 4000, Teil 1, Sachmerkmalsleisten,
Begriffe und Grundsätze. Beuth Verlag, 1981
[Eber-84]
Eberlein, W.: CAD-Datenbanksysteme: Architektur technischer Datenbanken für integrierte Ingenieursysteme. Springer-Verlag Berlin, 1984
[Eign-91]
Eigner, M., Hiller, C., Schindwolf, S., Schmich, M.: Engineering Database - Strategische Komponente in CIM-Konzepten. Carl-Hanser-Verlag
München Wien, 1991
[Ever-89]
Eversheim, W.: Organisation in der Produktionstechnik. Band 3: Arbeitsvorbereitung, VDI-Verlag Düsseldorf, 1989
[EvCL-89]
Eversheim, W., Cobanoglu, M., Luczek, G.: Baustein für die Integration
- Stand, Entwicklungstendenzen und Schnittstellen von CAPSystemen. Industrie-Anzeiger, 110 (1988)89, S. 33-37
[GrAG-86]
Grabowski, H., Anderl, O., Glatz, R.: Schnittstellenproblematik für den
Anwender. wt-Zeitschrift für industrielle Fertigung, Bd. 76 (1996), S.212218
[Jäge-90]
Jäger, K.-W. (Hrsg.): CIM-Bausteine. Teil I und II, Hüttig Buch Verlag
Heidelberg, 1990
108
[Kröt-95]
Krötzsch, Sylke: Analyse und Bewertung von CAD/CAM-Systemen unter besonderer Berücksichtigung gießereitechnischer Aspekte. Praktikumsarbeit, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 1995
[Krau-92]
Krause, F.-L.: Wandel der Entwicklungsziele für CAD-Systeme. in
Krause, F.-L., Ruland, D., Jansen, H.: CAD’ 92. Springer-Verlag Berlin,
1992
[LuNe-86]
Luchs, R., Neubauer, F.F.: Qualitätsmanagement. FAZ-Blickbuch, Frankfurt, 1986
[MeHo-92]
Mertens, P., Holzner, J.: WI-State of the Art. Eine Gegenüberstellung
von Integrationsansätzen der Wirtschaftsinformatik. Wirtschaftsinformatik, 35 (1992) 1, S.5-25
[NCIM-87]
Normung von Schnittstellen für die rechnerintegrierte Produktion
(CIM), Standortbestimmung und Handlungsbedarf. DIN Fachbericht
Nr. 15, Beuth Verlag, 1987
[Ober-92]
Oberhoff, W.-D.: CIM, Chance und Herausforderung. Vortrag TU Magdeburg, 1992
[Paul-93]
Paul, G.: Produkt(daten)modellierung als Grundlage der Integration
von CAx- und PPS-Komponenten. Preprint TU Magdeburg, FIN, ITI,
1993
[PWPH-95]
Paul, G., Wierschin, H., Paul, R., Hofmann, M.: Produktdatenverwaltungssysteme - Methoden und Werkzeuge zur Unternehmensintegration. CIM-Management 11, 1995
[PKSM-95]
Paul, G., Kreutzmann, F., Sattler, K.-U., Meyer, R., Hein, A., Trinka, F.:
Integriertes, featurebasiertes System. Preprint Uni Magdeburg, FIN, Nr.
13, 1995
[PaWi-96]
Paul, G., Wierschin, H.: EDM/PDM-Workshop. Uni Magdeburg, 1996
[Remb-90]
Rembold, U., u.a.: CAM - Handbuch. Springer-Verlag Berlin, 1990
109
[ReNS-94]
Rembold, U., Nnaji, B.O., Storr, A.: CIM: Computeranwendung in der
Produktion. Addison-Wesley Verlag Bonn, 1994
[Roth-91]
Rothley, J.: Fertigungsgerechtes Konstruieren auf der Basis von technischen Formelementen. Uni Karlsruhe, Fakultät für Maschinenbau, Diss.
1991
[Rötz-91]
Rötzel, A.: Rechnerunterstützte Fertigungsplanung und -steuerung.
Hüthig Buch Verlag Heidelberg, 1991
[Ruge-89]
Rugenstein, J.: CAD-Lehrbuch. Fachbuchverlag Leipzip, 1989
[RuGo-91]
Ruland, D., Gottahrdt, H.: Entwicklung von CIM-Systemen mit Datenbankeinsatz. Carl-Hanser-Verlag München Wien, 1991
[SATTLER98]
Kai-Uwe Sattler: Tool-Komposition in integrierten Entwurfsumgebungen, Dissertationsschrift, Otto-von-Guericke-Universität 1998
SAP R/3 Einführung. Markt & Technik, 1996
[SAP-96]
[Scha-96]
Schallehn, E.: Untersuchungen zur Realisierung von EDM-Systemen
auf der Basis von ODBMS. Uni Magdeburg, Diplomarbeit, 1996
[Sche-90a]
Scheer, A.W.: Wirtschaftsinformatik, Informationssysteme im Industriebetrieb. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1990
[Sche-90b]
Scheer, A.W.: CIM (Computer Integrated Manufacturing). Der computergesteuerte Industriebetrieb. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New
York Tokyo, 1990
[Sche-91]
Scheer, A.W.: Architektur integrierter Informationssysteme. Grundlagen der Unternehmensmodellierung. Springer-Verlag Berlin Heidelberg
New York Tokyo, 1991
[ScRe-88]
Scholz-Reiter, B.: CIM - Schnittstellen. Konzepte, Standards und Probleme durch Verknüpfung von Systemkomponenten in der rechnerintegrierten Produktion. München, 1988
[ScRe-90]
Scholz-Reiter, B.: CIM - Informations- und Kommunikationssysteme.
110
Darstellung von Methoden und Konzepten eines rechnergestützten
Werkzeugs für die Planung. Wien, 1990
[VDI-78]
Elektronische Datenverarbeitung bei der Produktionsplanung und steuerung, Begriffszusammenhänge, Begriffsdefinitionen. VDITaschenbuch T77, VDI-Verlag Düsseldorf, 1978
[Warn-95]
Warnecke, H.-J.: Aufbruch zum Fraktalen Unternehmen: Praxisbeispiele für neues Denken und Handeln. Springer-Verlag Berlin, 1995
[Wede-88]
Wedekind, H.: Die Problematik des Computer Integrated Manufacturing. Informatikspektrum, Vol. 11, Nr. 1, 1988
[Züst-90]
Züst, R.: Wie weit läßt sich die Arbeitsvorbereitung automatisieren?.
ID-Management Zürich, 59 (1990) 11, S. 79-84
111