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] 1 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. 2 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 2 3 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 4 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 4
