Produktion und Logistik mit Zukunft

Produktion und Logistik mit Zukunft Michael Schenk (Hrsg.) Produktion und Logistik mit Zukunft Digital Engineering and Operation 123 Herausgeber...
Author: Tristan Franke
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Produktion und Logistik mit Zukunft

Michael Schenk (Hrsg.)

Produktion und Logistik mit Zukunft Digital Engineering and Operation

123

Herausgeber Michael Schenk Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg

ISBN 978-3-662-48265-0 DOI 10.1007/978-3-662-48266-7

ISBN 978-3-662-48266-7 (eBook)

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Einbandabbildung: Fraunhofer IFF Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Vorwort

Die vierte industrielle Revolution, genannt Industrie 4.0, hat weitreichende Folgen auf die Wirtschaft und die Gesellschaft, national und international. Angestrebt wird damit u. a. die Verbesserung der Organisation und Steuerung über das gesamte Spektrum der Wertschöpfungskette in Arbeits-, Produktions- und Logistiksystemen. Ziel dieses Buches ist es, die Entwicklungen und Möglichkeiten vor diesem Hintergrund zu beleuchten. Nicht jede Herausforderung, die in diesem Kontext auftaucht, kann jedoch schon mit Lösungsansätzen beschrieben werden. Im Fokus dieses Lehr- und Fachbuchs stehen deshalb die Forschungsschwerpunkte der verschiedensten Bereiche des FraunhoferInstituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg, die hinsichtlich dieser Herausforderungen bereits konkrete Lösungen anbieten. Das heißt, dieses Buch orientiert sich in seiner Ausrichtung insbesondere an den Herausforderungen für die Zukunft, beginnend bei den Arbeitssystemen in Produktion und Logistik im Objektbereich sowie der ausführlichen Beschreibung des Digital Engineering and Operation im Methodenbereich. Anhand von Beispielen und Projekten werden vorhandene Lösungsansätze für die Industrie 4.0 erläutert sowie mögliche Entwicklungen für die Zukunft aufgezeigt. Die genutzten Instrumente, jeweiligen Modelle und Methoden sowie Werkzeuge werden in diesem Fachbuch beschrieben, wobei dem Digital Engineering and Operation in der Durchgängigkeit der Betrachtung eine besondere Bedeutung und Stellung zuteilwird. Dieses Lehr- und Fachbuch ist sowohl geeignet für Studierende der Fachrichtungen Maschinenbau, Produktionstechnik, -automatisierung und -wirtschaft, Elektro- und Informationstechnik, Digital Engineering and Operation sowie der Vertiefungsrichtungen Fabriklehre und -planung, Arbeitsgestaltung, Robotik u.a. als auch für Fach- und Führungskräfte aus den genannten und verwandten Bereichen.

VI

Vorwort

Der Inhalt basiert auf den Forschungsergebnissen und den erworbenen Kompetenzen des Fraunhofer IFF sowie der Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft. Ich bedanke mich bei den zahlreichen Autoren aus dem Fraunhofer IFF, die durch ihre fachliche Mitwirkung sowie die zahlreichen Anregungen und Hinweise eine Spiegelung der Leistungen unseres Instituts ermöglicht haben. Wie wurde diese Entwicklung initiiert? Der entscheidende Antrieb ist die zunehmende Individualisierung der Kundenwünsche, vom Auftrag bis zum Recycling, was wiederum erheblichen Einfluss auf alle Bereiche der Produktion hat. Basis für die Entwicklung, die durch Industrie 4.0 angeschoben wurde, ist die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung aller an der Wertschöpfung beteiligten Instanzen sowie die Fähigkeit, aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsprozess zu realisieren. Die Verbindung von Menschen, Objekten und Systemen ermöglicht somit die Entstehung dynamischer, echtzeitoptimierter und selbstorganisierender sowie unternehmensübergreifender Wertschöpfungsnetzwerke, zu deren Optimierung sich entsprechend verschiedene Kriterien, wie beispielsweise Kosten, Verfügbarkeit und Ressourcenverbrauch, heranziehen lassen.1 Der Arbeitskreis INDUSTRIE 4.0 hat unter Berücksichtigung der oben genannten Aspekte Forschungsbedarfe für die Zukunft identifiziert. Der mittel- und langfristige Forschungsbedarf liegt in den fünf zentralen Bereichen:

‡ Horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke, ‡ Digitale Durchgängigkeit des Engineering über die gesamte Wertschöpfungskette, ‡ Vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme, ‡ Neue soziale Infrastrukturen der Arbeit und ‡ Technologie Cyber-Physical Systems. Magdeburg, Juni 2015

1

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. mult. Michael Schenk

Quelle: Plattform Industrie 4.0: Industrie 4.0: Whitepaper FuE-Themen. Whitepaper. Plattform ,QGXVWULH   85/ KWWSZZZSODWWIRUPLGHVLWHVGHIDXOW¿OHV, :KLWHSDSHU FuE Version 2015_0.pdf – Überprüfungsdatum 2015-05-08

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung – Herausforderungen für die Produktion mit Zukunft . . . . . Michael Schenk, Marco Schumann 1.1 Demografischer Wandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Ressourceneffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Digital Engineering and Operation – Neue Methoden des Digital Engineering and Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Einordnung in den Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4.1 Trends in der Produktentwicklung und Prozessplanung 1.3.4.2 Was ist neu an diesem Ansatz? . . . . . . . . . . . . . 1.3.4.3 Projektbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Betrachtungsrahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Arbeitssysteme der Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Norbert Elkmann, Dirk Berndt, Stefan Leye, Klaus Richter, Rüdiger Mecke 2.1 Anforderungen an die Arbeitsplätze der Zukunft . . . . . . . . . . . 2.2 Mensch-Roboter-Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Technologien und technische Voraussetzungen . . . . . . . . 2.2.2 Multisensorsystem zur optischen Arbeitsraumüberwachung . 2.2.2.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.3 Technologiebeschreibung . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.4 Anwendung und Einsatz . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.5 Modelle, Werkzeuge und Methoden . . . . . . . . 2.2.3 Taktilsensorik zur Kollisionserkennung (sichere MRI) . . . . 2.2.3.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1

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27 27 28 31 32 34 38 39 41 41

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49 52 52 53 53 54 55 58 58 58 58

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Inhaltsverzeichnis

VIII

2.3

2.2.3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.3 Technologiebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.4 Anwendung und Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.5 Modelle, Werkzeuge und Methoden . . . . . . . . . . . 2.2.4 Navigationslösungen für mobile Assistenzroboter . . . . . . . . . 2.2.4.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.3 Technologiebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.4 Anwendung und Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4.5 Modelle, Werkzeuge und Methoden . . . . . . . . . . . 2.2.5 Intuitive Interaktionswerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5.3 Technologiebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5.4 Anwendung und Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5.5 Modelle, Werkzeuge und Methoden . . . . . . . . . . . 2.2.6 Intelligente Produktion mit flexiblen Roboterwerkzeugen . . . . . 2.2.6.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6.3 Technologiebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6.4 Anwendung und Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6.5 Modelle, Werkzeuge und Methoden . . . . . . . . . . . 2.2.7 Hochflexible Produktionsverfahren mit Industrierobotern . . . . . 2.2.7.1 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7.3 Technologiebeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7.4 Anwendung und Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7.5 Modelle, Werkzeuge und Methoden . . . . . . . . . . . 2.2.8 Zwischenfazit: Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Montage-Arbeitsplatz – Visuelle Assistenz und optische Prüfung . . . . . 2.3.1 Neue Technologien für Montageassistenz und Montageprüfung . . 2.3.2 Visuelle Assistenz – Unterstützung für komplexe manuelle Montageaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.1 Technologie für Montageassistenz . . . . . . . . . . . . 2.3.2.2 Technologischer Vorteil der visuellen Assistenz gegenüber alternativen Technologien . . . . . . . . . . 2.3.2.3 Anwendungsbeispiel: Moderne Buchbinderei – Visuelles Assistenzsystem für Montage von Spannmitteln . . . . . 2.3.3 Modellbasierte optische Montageprüfung . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.1 Technologie einer modellbasierten optischen Montageprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

IX

2.3.3.2

2.4

2.5

2.6

2.7

Anwendungsbeispiel: Modellbasierte optische Montageprüfung von Spannmitteln . . . . . . . . . . 2.3.4 Zusammenfassung verwendeter Modelle, Methoden und Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.1 Digitale Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4.2 Methoden und Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . Bedien-Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Technologische/Technische Voraussetzungen . . . . . . . . . . 2.4.3 Realisierungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3.1 Bedienung von Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . 2.4.3.2 Instandhaltung eines Hochspannungsleistungsschalters Kommissionier-Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Definition und wirtschaftliche Bedeutung . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Der intelligente Kommissionier-Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . 2.5.3 Informationstechnische Assistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3.1 Handlungsanweisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3.2 Kontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4 Körperliche Assistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5 Kognitive Assistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5.1 Situationsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5.2 3D-Szenenmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.6 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitsplatz zur medizinischen Behandlung . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Herausforderungen bei minimal-invasiven Therapieverfahren . 2.6.2 Planungs- und Testumgebung für minimal-invasive Operationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2.2 Generierung patienten-individueller Modelle . . . . . 2.6.2.3 Simulation von dynamischen Eigenschaften . . . . . 2.6.2.4 Möglichkeiten der interaktiven Operationsplanung . . 2.6.3 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3 Produktionssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Dirk Berndt, Matthias Gohla, Holger Seidel, Udo Seiffert 3.1 Optische Technologien für die Mess- und Prüftechnik – Qualitätskontrolle – Inlinefähiges Messen und Prüfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 3.1.1 Allgemeine Rahmenbedingungen und Herausforderungen . . . . . 151 3.1.2 Neue Technologien für Inlinefähiges Messen und Prüfen . . . . . 152 3.1.2.1 Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 3.1.2.2 Modellbasierte Technologiebausteine . . . . . . . . . . 153

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X

3.1.3

3.2

3.3

Realisierungsbeispiel: Geometrische Qualitätsprüfung von Aluminiumrädern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.1 Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.3 Neue Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.4 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.5 Beschreibung der Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.6 Realisierung des Messsystems . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3.7 Erfahrungen aus dem praktischen Einsatz . . . . . . . . 3.1.4 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effiziente Energiewandlung und -verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Grundlagen zum Energieeinsatz in Produktionsprozessen . . . . . 3.2.2 Energiewandlungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.1 Übersicht über regenerative Energieformen . . . . . . . 3.2.2.2 Nutzung regenerativer Energieträger in Produktionsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.3 Kraft-Wärme-Kopplung mit regenerativer Energie . . . 3.2.2.4 Digitale Methoden und Werkzeuge im Anlagenlebenszyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.5 Realisierungsbeispiel: Wärme und Strom aus regenerativen Quellen für die Holzindustrie . . . . . 3.2.2.6 Realisierungsbeispiel: Wirbelschicht-Kompaktfeuerungsanlage zur Nutzung unterschiedlicher Brennstoffe . . . . 3.2.3 Geschlossene Energiekreisläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3.1 Abwärmenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3.2 Reststoffnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3.3 Realisierungsbeispiel: Nutzung gasförmiger Reststoffe zur Prozesswärmeerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3.4 Realisierungsbeispiel: Nutzung pulverförmiger Reststoffe zur Prozesswärmeerzeugung . . . . . . . . . 3.2.4 Effiziente Energieverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4.1 Wärmeverteilungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4.2 Elektrische Netze und Speicher . . . . . . . . . . . . . Energieeffiziente Produktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Herausforderungen der Energieeffizienten Produktion . . . . . . . 3.3.1.1 Energiemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1.2 Realisierungsbeispiel: Energieeffizienzsteigerung in russischen Unternehmen . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Ansätze des Digital Engineering and Operation zur Steigerung der Energieeffizienz produzierender Unternehmen . . . . . . . . . 3.3.2.1 Indirektes Messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2.2 Cross Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

3.4

3.5

XI

3.3.2.3 Energieoptimierte Produktionsplanung . . . . . . . . . . Smart Farming-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Smart Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1.1 Der industriell geführte Anbau agronomisch relevanter Kulturpflanzen – Charakteristik und Herausforderungen 3.4.1.2 Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1.3 Datenverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1.4 Visualisierung/Aktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1.5 Nutzen des Smart Farming . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Entwicklung, Aufbau, Anlauf und Betrieb von Smart FarmingSystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2.1 Phase „Entwicklung“ – Werkzeuge und Methoden zur Modellgenerierung in Smart Farming-Systemen . . . 3.4.2.2 Phase „Aufbau“ – Methoden und Werkzeuge zur Verwendung digitaler Modelle in Smart FarmingSystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2.3 Phase „Anlauf“ – systematische Erhebung von Referenzdaten in Smart Farming-Systemen . . . . . 3.4.2.4 Phase „Betrieb“ – die Arbeitsphase von Smart FarmingSystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Logistiksysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klaus Richter, Olaf Poenicke, Martin Kirch, Mykhaylo Nykolaychuk 4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Der Intelligente Logistikraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 AutoID-Einsatz in Logistik- und Produktionssystemen . . . . . . . . . . 4.3.1 Funkbasierte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.1 Funktionsprinzip von RFID-Systemen mit passiven Transpondern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.2 Möglichkeiten der Störungsminimierung bzw. -beseitigung im UHF-Bereich . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.3 Leseprinzipien von UHF-Transpondern . . . . . . . . 4.3.1.4 Methode der Modenverwirbelungskammer MVK . . . 4.3.1.5 Anwendungsfelder des Prinzips der MVK . . . . . . . 4.3.1.6 Mobile Lösungen für die Einzellesung passiver RFID-Transponder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Bildbasierte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Einsatz von Ortungstechnologien in Logistik- und Produktionssystemen 4.4.1 Funkbasierte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Bildbasierte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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256 257 257 259

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261 263 263 265 267

Inhaltsverzeichnis

XII

4.5

4.6 4.7

4.8 4.9

Einsatz der Zustandsüberwachung in Logistik- und Produktionssystemen 4.5.1 Optische Verfahren der Zustandsüberwachung mittels Tiefenbildsensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Intelligente Ladungsträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionen des Digital Engineering and Operation – Datenanalyse und -auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionen des Digital Engineering and Operation – Planung der Sensorverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Planung der Sensorverteilung für digitale Kamerasysteme . . . . 4.7.2 Anwendungsbeispiel – Sensorplanung und virtuelle Inbetriebnahme in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fazit – Herausforderungen für die Intelligenten Standardisierten Logistikräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

270 . 271 . 273 . 273 . 275 . 277 . 278 . 280 . 281

5 Digital Engineering and Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ulrich Schmucker, Tina Haase, Marco Schumann 5.1 Produktentwicklung – Beispiele des Virtual Engineering am Fraunhofer IFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Möglichkeiten und Grenzen heutiger Produktentwicklungssysteme 5.1.2 Anforderungen an ein System zur durchgehenden Produktentwicklung in der Mechatronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 VEMOS – ein System zum durchgängigen modellbasierten Entwurf mechatronischer Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Automatische Generierung von Mehrkörpersystem-Modellen aus CAD-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.1 Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.2 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.3 Ablauf der Modellgenerierung . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.4 Ergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5 Automatisierte Erstellung domänenübergreifender Modelle und echtzeitfähige Kopplung von Simulation, Visualisierung und realen Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5.1 Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5.2 Aufwandsreduktion durch automatisierte Modellerstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5.3 Erstellung des mechanischen MehrkörpersystemModells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5.4 Erstellung elektrischer und fluidischer Modelle . . . . . 5.1.5.5 Integration der funktionalen Modelle in die VR-Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5.6 Kopplung zur VR-Visualisierung . . . . . . . . . . . . .

283

283 283 288 290 294 294 295 296 298

298 298 299 300 300 302 304

Inhaltsverzeichnis

5.1.6

5.2

VINCENT – Ein Werkzeug zur virtuellen Entwicklung von Steuerungsprogrammen für Sondermaschinen . . . . . . . . . 5.1.6.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.6.2 VINCENT-Workcell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.6.3 VINCENT-Workpiece . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.7 VITES – SPS-Programmierung durch virtuelles Teachen . . . . . 5.1.7.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.7.2 VITES – Virtuelles Teachen von Steuerungen . . . . . . 5.1.7.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.8 Viro-Con – Ein virtueller Konfigurator für modulare Robotersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.8.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.8.2 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.8.3 Das Konzept von Viro-Con . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.8.4 Ergebnisse und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.9 Automatische NC-Programmgenerierung am Beispiel des Elektronenstrahlschweißens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.9.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.9.2 Umsetzungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.9.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.10 Verteilte Echtzeitsimulation mechatronischer Fahrzeugmodelle . . 5.1.10.1 Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.10.2 Automatisierte Modellgenerierung aus CAD-Daten . . . 5.1.10.3 Kommunikationsschnittstelle für Simulationsverteilung 5.1.10.4 Anwendungsbeispiel: Autonomer Roboter RAVON . . . 5.1.11 Virtuelles Prüffeld für die Entwicklung elektrischer Großmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.11.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.11.2 Lösungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.11.3 Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.11.4 Nutzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.12 Multiphysikalische Simulation mechatronischer Produkte am Beispiel eines Herzunterstützungssystems . . . . . . . . . . . 5.1.12.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.12.2 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.12.3 Ergebnisse der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.12.4 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technologiebasierte Qualifizierung – Weiterbildung und Wissenstransfer der Zukunft mit neuen Methoden des Digital Engineering and Operation . 5.2.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIII

305 305 306 308 311 311 311 312 315 316 316 316 317 321 321 321 322 323 323 323 324 324 325 327 327 327 328 330 330 330 331 335 336 337 337 338

Inhaltsverzeichnis

XIV

5.2.3

5.3

5.4

Technologiebasierte Qualifizierung . . . . . . . . . . . 5.2.3.1 Generierung der Arbeitsumgebung . . . . . . 5.2.3.2 Die didaktische Gestaltung von Lernaufgaben 5.2.4 Technologiebasierte Qualifizierung am Beispiel des Bedienarbeitsplatzes . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4.1 Qualifizierung des Bedieners . . . . . . . . . 5.2.4.2 Qualifizierung des Instandhalters . . . . . . . 5.2.5 Die Nutzung von VR- und AR-Technologien . . . . . . 5.2.6 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . 5.2.6.1 Parallelisierung von Arbeiten und Lernen in Mixed Reality-Umgebungen . . . . . . . . 5.2.6.2 Individuelles und organisationales Lernen in Unternehmensprozessen . . . . . . . . . . Morphologie des Digital Engineering and Operation . . . . . . 5.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Anwendungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Datenquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5 Assistenz in der Betriebsphase . . . . . . . . . . . . . 5.3.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . 342 . . . . . . 343 . . . . . . 344 . . . . .

. . . . .

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351 351 354 361 361

. . . . . . 362 . . . . . . . . .

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363 364 364 364 365 367 369 371 372

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

Autorenverzeichnis

Dirk Berndt, Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Norbert Elkmann, Dr. techn. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Matthias Gohla, Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Tina Haase, Dipl.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Martin Kirch, Dipl.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Stefan Leye, Dipl.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Rüdiger Mecke, Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Mykhaylo Nykolaychuk, Dipl.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Olaf Poenicke, Dipl.-Wirt.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, [email protected] Klaus Richter, Prof. Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Michael Schenk, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.Prof. E. h. Dr. h. c. mult. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected]

XVI

Autorenverzeichnis

Ulrich Schmucker, Prof. Dr. sc. techn. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Marco Schumann, Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Holger Seidel, Dipl.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected] Udo Seiffert, Hon.-Prof. Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, [email protected]

Abkürzungen

4G API AR AutoID BAuA BDE BEM BGR BMAS BMBF BMI BMWi BYOD bzw. ca. CAD Cad2SIM CAE CAM CAN CAO CAP CAQ CAVE CCTV CFD CNC CPU

Vierte Generation im Mobilfunk Application Programming Interface Augmented Reality automatische Identifikationstechniken Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin Betriebsdatenerfassung Boundary Element Method Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Bundesministerium für Arbeit und Soziales Bundesministerium für Bildung und Forschung Bundesministerium des Innern Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Bring Your Own Device beziehungsweise circa Computer-Aided Design CAD-zu-Simulations-Konverter Computer-Aided Engineering Computer-Aided Manufacturing Controller Area Network Computer-Aided Organization Computer-Aided Production Computer-Aided Quality Cave Automatic Virtual Environment Closed Circuit Television (Überwachungskamerasysteme) Computational Fluid Dynamics Computerized Numerical Control Central Processing Unit (Hauptprozessor)

XVIII

CSD CT d.h. DAE DCT DGPS DIHK EBS ECAD EDM EEG EKF E-Kfz EMV EnMS EnPI EoPP ERP ERP etc. ETSI FCC FEM FMS Fraunhofer IAO Fraunhofer IFF Fraunhofer IPK Fraunhofer ISI Fraunhofer IWU ggf. GLONASS GNSS GPS GPU GSM GuD-Prozess GUI HF HITL HMD

Abkürzungen

Container Security Devices Computertomographie das heißt Digital Asset Exchange Diskrete Kosinus Transformation Differenzial Global Positioning System Deutscher Industrie- und Handelskammertag Ersatzbrennstoff Electronic Computer Aided Design Engineering Data Management Erneuerbare-Energien-Gesetz Extended Kalman Filter Elektrokraftfahrzeug Elektromagnetische Verträglichkeit Energiemanagementsystem Energy Performance Indicator energieoptimierte Produktionsplanung Effective Radiated Power Enterprise Resource Planning et cetera European Telecommunications Standards Institute Federal Communications Commission Finite Elemente Methode Feder-Masse-System Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU gegebenenfalls Globales Navigations Satelliten System Global Navigation Satellite System Global Positioning System/Satellite Graphics Processing Unit (Grafikkartenprozessor) Global System for Mobile Gas- und Dampfturbinenprozess Graphical User Interface High Frequency Human-in-the-Loop-Simulation Head Mounted Display

Abkürzungen

HMI I/O IAD ICP IEP IHK IIS IKT inkl. ISM-Band IT IWH JT KMU KNN KWK LF Lkw MAB MCAD MCL MES MIC MINT Mio. MKS MKS MR Mrd. MRI MRT MSR-Einrichtungen MVA MVK NC NE NFC OBJ OCR ODE OECD

XIX

Human Machine Interface Input/Output Intelligent Assisted Devices Iterative Closest Point Algorithm Interoperable Engineering Processes Industrie- und Handelskammer Interoperable Infrastructures Informations- und Kommunikationstechnologie inklusive Industrial, Scientific and Medical Band Informationstechnik Institut für Wirtschaftsforschung Halle Jupiter Tesselation (offenes 3D-Grafikdatenformat) kleine und mittlere Unternehmen künstliche neuronale Netze/Netzwerke Kraft-Wärme-Kopplung Low Fequency Lastkraftwagen Maschinen- und Anlagenbau Mechanical Computer-Aided Design Monte-Carlo-Lokalisierung Manufacturing Execution System Minimal-invasive Chirurgie Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft, Technik Million Mehrkörpersimulation Mehrkörpersystemmodelle Mixed Reality Milliarde Mensch-Roboter-Interaktion Magnetresonanztomographie Mess-, Steuer- und Regelungseinrichtungen Müllverbrennungsanlage Modenverwirbelungskammer Numerical Control Nichteisen Near Field Communication (Nahfeldkommunikation) Object File-Format Optical Character Recognition (Optische Zeichenerkennung) Open Dynamics Engine Organisation for Economic Co-operation and Development Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung

XX

OEE o.g. OP OpenGL ORC PC PDM PPR PPS PV QR(-Code) R&I-Schemata RESI RFID RTI SHF SIFT SOFC SPS SPT STEP TA TCP TCP TEEM TGA TOF u.a. u.ä. UDP UHF ULD UML USB usw. VAD VE vgl. VIBN VINCENT VITES VR

Abkürzungen

Overall Equipment Effectiveness oben genannt Operation Open Graphics Library (offene Grafikbibliothek) Organic Rankine Cycle Personalcomputer Product Data Management (Produktdatenmanagement) Produkt, Prozess, Ressource Produktionsplanungs- und Steuerungssystem Photovoltaik Quick Response Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemata Real-time Simulation Interface Radio Frequency Identification Real-Time Interface Super High Frequency Scale Invariant Feature Transform Festoxidbrennstoffzelle Speicherprogrammierbare Steuerung Single Port-Technik Standard for the Exchange of Product Model Data Technische Anleitung Endeffektor eines Roboters Transmission Control Protocol Total Energy Efficiency Management Technische Gebäudeausrüstung Time-of-Flight unter anderem und ähnliches User Datagram Protocol Ultra High Frequency Unit Load Devices Unified Modeling Language Universal Serial Bus und so weiter Ventricular Assist Device Virtual Engineering vergleiche Virtuelle Inbetriebnahme Virtual Numeric Control Environment Virtuelles Teachen von Steuerungen Virtual Reality

Abkürzungen

VRML WIP W-LAN WschVO WZM X3D XML z.B. z.T. zzt.

XXI

Virtual Reality Modeling Language Work in Progress Wireless Local Area Network Wärmeschutzverordnung Werkzeugmaschine Extensible 3D Extensible Markup Language zum Beispiel zum Teil zurzeit