Ressourcenmodellierung und -visualisierung

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Ressourcenmodellierung und -visualisierung
Projektrahmen
Kleine und mittelständische Unternehmen in Sachsen
Zielstellung
Lösungsansätze
Entwicklung eines Ressourcenmodells der
Teilefertigung und Abbildung in einer Datenbank
Erweiterung der Datenbank um Montageressourcen
und Prüf- bzw. Messmittel
Ressourcen- und Teileflussvisualisierung
Anwendungsspezifische Optimierung von
Ressourcenanordnungen und Materialflüssen in
klein- und mittelständischen Unternehmen
Prof. Dr.-Ing. Thomas Gäse
Tel.: 0375 536 1728
[email protected]
Teilefertigung
Prüfplanung
Montage
Qualitätsprüfung
Logistik (innerbetriebl.)
Schnittstellen
Konstruktion
Montageplanung
Schnittstellen
Kundenanfrage
Produktentwicklung
Schnittstellen
Arbeitsplanung
Produkt
Produktionsplanung, -steuerung und -kontrolle
Gegenstandsbereich: Komponentenfertigung und Zulieferindustrie
Teilprojekt des Institutes für Produktionstechnik
Modellierung einer Ressourcendatenbank
Durch eine Datenbank werden die Ressourcen eines Unternehmens erfasst.
Sie dient damit als Informationsgrundlage bei der Auswahl von Ressourcen
und Betriebsmitteln im Rahmen der Arbeits-, Montage- und Prüfplanung
Input
Gesamtprojekt
Entwicklung auf klein- und mittelständische
Unternehmen zugeschnittener Methoden und
Instrumentarien für die Planung von Prozessen
entlang der gesamten Wertschöpfungskette,
beginnend bei der Produktentwicklung bis hin zur
Fertigung und Montage
Teilprojekt
Erfassung, Analyse, Visualisierung und Optimierung
der Unternehmensressourcen zur Erleichterung
der Arbeits-, Montage- und Prüfplanung
Ansprechpartner
Prozesskette der Produktentstehung
Schnittstellen
Gesamtprojekt „Zukunftsorientierte Kompetenzclusterungs- und -generierungsmethoden für
Produktionsprozesse klein- und mittelständischer
Unternehmen in Sachsen“ (ZKProSachs)
Forschergruppe aus insgesamt 10 Nachwuchswissenschaftlern an drei Hochschulstandorten
Förderung durch den europäischen Sozialfonds
Partner: Technische Universität Chemnitz,
Westsächsische Hochschule Zwickau,
Hochschule Mittweida
Laufzeit: 3 Jahre (Beginn 10/2009)
Throughput
• Auflistung der
Bauteil-Eigenschaften
• Angabe der zu
nutzenden
Fertigungsverfahren
Output
• Identifikation von Fertigungsmitteln und Prozessparametern
• Berechnung von Fertigungszeiten und -kosten
Prozessschrittvarianten mit
verschiedenen
nutzbaren
Ressourcen
Methodenentwicklung und Anwendung visTable
Visualisierung
• Visualisierung der Ressourcen
durch 3D-Modelle
• Nutzung der visTable-Technologie
• Darstellung des Materialflusses
Optimierung
• Analyse von
Optimierungsmethoden
• Entwicklung einer
Optimierungsmethodik
unter Einsatz von VisTable
Weitere ESF Projekte
Betreuung einer kooperativen
Promotion
Sicherstellung der Durchgängigkeit
zwischen Produktmodell und
Ressourcendatenbank
Entwicklung einer Methodik zur
automatischen Generierung einer
detaillierten Nachfrage an die
Ressourcendatenbank
Erzeugung von Arbeitsstufen
Wissenschaftliche Mitarbeiter
Dipl. Wirtsch.-Ing. (FH) Marius Müller
Tel.: 0375 536 1062
[email protected]
Dipl.-Ing. Sebastian Winkler
Tel.: 0375 536 1547
[email protected]
IfP – Produktionstechnik innovativ und interdisziplinär - Wir freuen uns auf eine interessante Zusammenarbeit !
Entwicklung eines Ressourcenmodells zur
Unterstützung der Prozessplanung
T. Gäse, M. Müller und S. Winkler
Westsächsische Hochschule Zwickau, 08056 Zwickau, [email protected]
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Abstract
Es wird die Entwicklung eines Datenmodells vorgestellt, welches die funktionalen Möglichkeiten von Fertigungsmitteln beschreiben kann, um den Informationsbedarf des Arbeitsplaners zu bedienen. Das Datenmodell ist Teil des
Forschungsprojektes „Zukunftsorientierte Kompetenzclusterungs und generierungsmethoden für Produktionsprozesse klein- und mittelständischer Unternehmen in Sachsen“, gefördert durch den Europäischen Sozialfonds (ESF) und den
Freistaat Sachsen. Den Ausgangspunkt der Entwicklung bildet ein objektorientiertes Datenmodell, welches mithilfe der Unified Modeling Language (UML) erstellt wurde. Dieses Modell besteht jeweils aus einem Anwendungsfall-, Aktivitäts- und Klassendiagramm. Auf deren Grundlage wurde eine Datenbank erstellt,
um Informationen über Fertigungsmittel (Werkzeuge, Werkzeugmaschinen und
Spannvorrichtungen) für die Prozessplanung zur Verfügung zu stellen. Nachdem
die Datenbank einen Input in Form einer Auflistung von Bauteil-Eigenschaften
und Angaben der zu nutzenden Fertigungsverfahren von der Arbeitsplanung erhalten hat, werden Informationen zu den einsetzbaren Fertigungsmitteln, Prozessparametern, Maschinenbelegungszeiten und Produktionskosten generiert.
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Einordnung und Zielsetzung
Individuelle Kundenanfragen können von massenfertigenden Großunternehmen nur unzureichend erfüllt werden. Daher spezialisieren sich viele kleine und
mittelständische Unternehmen (KMU) auf eine kundenorientierte Leistungserstellung, die sich durch Flexibilität und Kundennähe auszeichnet. KMU werden heute jedoch vor eine Vielzahl an Problemen gestellt. So erschweren u. a.
der Fachkräftemangel, gestiegener Kostendruck und die Beschränkung auf im
Unternehmen bereits vorhandene Ressourcen die Flexibilität, die vom Kunden
gefordert ist. Das Forschungsprojekt „Zukunftsorientierte Kompetenzclusterungs- und -generierungsmethoden für Produktionsprozesse klein- und mittelständischer Unternehmen in Sachsen“ hat das Ziel, Möglichkeiten zu entwickeln, um die Produktrealisierung zu effektivieren, das Wissensmanagement
innerhalb der Unternehmen zu verbessern, um Wissen effizienter zu erhalten,
Mitarbeiter zu qualifizieren und die Vernetzung von Hochschulen und Unternehmen im sächsischen Raum zu intensivieren.
Fachhochschule Schmalkalden 1
Um die Prozessplanung zu unterstützen wird ein Ressourcenmodell entwickelt, welches als Datenbank die Informationsgrundlage für die Erstellung von
Arbeits-, Montage- und Prüfplänen bildet. Sie muss dazu die Fertigungsmittel
des Unternehmens und deren Verknüpfung abbilden und flexibel auf teilweise
neuartige Daten der Arbeitsplanung reagieren. Die Zielvorgaben bestehen für die
Datenbank daher primär aus der bedarfsgerechten Informations-bereitstellung
über die Fertigungsressourcen für die Produktions-, Montage, Mess- und Prüfplanung, insbesondere mittels einer Auswahl geeigneter Ressourcen aufgrund
automatisch erkannter Vorgaben und technischer Einschränkungen. Weiterhin ist
eine Nutzung der Ressourcenmodelle für unternehmensinterne Weiterbildungen
mithilfe, im Gesamtprojekt entwickelter, multimedialer und VR-basierter Lernbausteine vorgesehen. Die Datenbank deckt damit, wie in Bild 1 ersichtlich, einen großen Teil der Prozesskette der Produktentstehung ab.
Bild 1: Prozesskette der Produktentstehung [1]
Im ersten Schritt, d. h. der Unterstützung der Arbeitsplanung, war die Funktionsweise des in einem anderen Teilprojekt entwickelten Assistenzsystems festzulegen, um Schnittstellen mit der Datenbank aufzuzeigen, den Input des Arbeitsplaners bzw. des Assistenzsystems und den benötigten Output der Datenbank
abzuleiten. Der Datenbank-Input beinhaltet Werkstückeigenschaften wie Material und Form und Informationen zu den Zwischenstufen der Bearbeitung, d.h.
Bauteileigenschaften, Toleranzen, mögliche Fertigungsverfahren und Features,
welche die einzelnen Formelemente des Endproduktes widerspiegeln.
Als Output muss die Datenbank dem Arbeitsplaner vor und während dem Scheduling Informationen zu den nutzbaren Werkzeugmaschinen, Werkzeugen,
Werkzeugspannvorrichtungen, Werkstückspannvorrichtungen, Personal, Produktionsparametern, Maschinenbelegungszeiten und daraus abgeleiteten Produktionskosten bereitstellen.
11. Nachwuchswissenschaftlerkonferenz 14. April 2010
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Entwicklung des Ressourcenmodells
Um die Realwelt effizienter abzubilden hat die Objektorientierung in der Entwicklung von Software in den vergangenen Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Die Objektorientierung kann als Modellierungsansatz des Datenmodells
genutzt werden, um die natürliche Wahrnehmung der Realwelt als Anzahl von
Objekten mit gegenseitigen Beziehungen darzustellen. [2]
Die für die Entwicklung der Datenbank genutzte, objektorientierte Modellierungssprache Unified Modeling Language (UML) setzt verschiedene Arten von
Diagrammen, unterteilt in Struktur- und Verhaltensdiagramme ein. Für die Entwicklung der Datenbank wurde zunächst der geforderte Funktionsumfang durch
ein Anwendungsfalldiagramm modelliert. Dieses Diagramm beschreibt die Zusammenhänge zwischen Anwendungsfällen (beispielsweise der Identifikation
des Fertigungsmittels) und Akteuren, ohne die Anwendungsfälle selbst näher
darzustellen. Im weiteren Verlauf wurde das Anwendungsfalldiagramm durch
ein Aktivitätsdiagramm weiter untersetzt, in dem die Abläufe der Anwendungsfälle logisch und grafisch beschrieben werden. Am Beispiel des Anwendungsfalls Identifikation der Fertigungsmittel werden unter anderem die beiden Aktionen Identifikation der Werkzeugmaschine und Identifikation des Werkzeuges
detailliert und über Kontrollflüsse festgelegt, dass diese Aktionen vor der Aktion
Identifikation der Werkzeugspannvorrichtung stattfinden müssen. Von dem Aktivitätsdiagramm wurde anschließend die Struktur der Datenbank abgeleitet und in
ein Klassendiagramm überführt. Dabei stellt dieses Diagramm dar, welche Klassen, Schnittstellen und Beziehungen zwischen den Klassen im Modell existieren.
Am Beispiel des Ressourcenmodells gibt es die beiden Klassen Werkzeugmaschine und Werkzeug die durch die Beziehung „kann aufnehmen“ verbunden
sind. [3]
In einem Einzelprojekt wurde eine exemplarische Datenbank mit Microsoft Access erstellt und mit Beispieldaten gefüllt. Der Input wurde in Form einer vorgegebenen Feature-Liste realisiert, auf deren Basis die Datenbank durch ein Zusammenspiel aus Abfragen, bzw. Access-Aktivitäten und VBA (Visual Basic for
Applications)-Programmen ein Output in Form von Prozessschrittvarianten mit
Prozessparametern, nutzbaren Fertigungsmitteln und Maschinenbelegungszeiten
und -kosten abgerufen werden kann. Dieses Modell wurde weiterentwickelt, um
weitere Ressourcen, wie Spannvorrichtungen, abzubilden und die Eingabe neuer
Daten durch die Klassifizierungen zu übergeordneten Gruppen zu vereinfachen.
Im Rahmen der projektinternen Vernetzung der Teilprojekte wird mittlerweile
ein einheitliches System auf Java-Basis mit HyperSQLDB (Structured Query
Language DataBase)-Server mit angeschlossener JBoss-Middleware angestrebt,
aufgrund dessen die bisherige Datenbankstruktur in SQL neu abgebildet wird.
In Bild 2 wird die übernommene Tabellenstruktur in vereinfachter Form in einem Enhanced Entity-Relationship-Diagramm dargestellt. Dieser Umstellungs-
Fachhochschule Schmalkalden 3
prozess ist aufgrund der ähnlichen Verwendung beider relationaler Datenbanken unkompliziert und bietet die Möglichkeit, die Datenbank direkt mit dem
angeschlossenen Assistenzsystem zu koppeln, um die Arbeitsplanung weiter zu
automatisieren.
Bild 2: Ausschnitt vereinfachtes SQL-EER-Diagramm
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Planung der weiteren Funktionalität
Neben den bisher entwickelten Funktionen sollen in späteren Arbeitspaketen die
Montage-, Mess- und Prüfplanung in das Ressourcenmodell aufgenommen werden. Zu diesem Zweck müssen beispielsweise Montagearbeitsplätze, Werkzeuge
und Messinstrumente als Objekte mit neuen Zuordnungen und Beispieldaten die
Datenbank aufgenommen werden.
Im Zuge der Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Chemnitz werden
außerdem Daten einer bereits in der Lehre genutzten Datenbank in das neue Modell eingepflegt, um auf einen größeren Datenbestand zuzugreifen und eventuell
später die neuen Datenbankstrukturen in der Ausbildung nutzen zu können.
Literatur
[1]
Hänel, T.: ZKProSachs Projektdokumentation. http://www.tu-chemnitz.de/ZKProSachs/arbeitspakete.html, 2009
[2]
Staud, J. L.: Datenmodellierung und Datenbankentwurf: Ein Vergleich aktueller Methoden. Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 2005
[3]
Oestereich, B.: Analyse und Design mit UML 2.1 - Objektorientierte Softwareentwicklung, 8., aktualisierte Auflage. Oldenbourg Verlag, München Wien,
2006
11. Nachwuchswissenschaftlerkonferenz 14. April 2010
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