A central success factor for the digitization of production processes is the provision of a consistent database across domains and lifecycles. In contrast, according to [83], the current situation in the automotive industry is characterized by a large number of engineering tools with diverse, proprietary data formats that require complex conversion processes and, moreover, usually have to be kept consistent manually. But although the sequence of these development tools is accelerated as much as possible and the mutual integration is constantly being improved, holistic approaches and really (seamlessly) integrated process chains in development tools are not yet used, or not to a comprehensive extent.

Danksagung 3

Abkürzungsverzeichnis 9

Kurzfassung 11

Abstract 15

1. Einleitung 19

1.1. Motivation 19

1.2. Aufgabenstellung 24

1.3. Struktur der Arbeit 29

2. Stand des Wissens 31

2.1. Grundlagen über Fertigungszellen 31

      2.1.1. Aufbau und Funktionselemente 31

      2.1.2. Herkömmliche Planung und Erstellung 33

      2.1.3. Typgebundene Produktionsressourcen 37

      2.1.3.1. Aufbau und Funktionselemente von Vorrichtungen 37

      2.1.3.2. Industrieller Konstruktionsablauf einer Vorrichtung 39

      2.1.3.3. Aufbau und Funktionselemente von Greifer 44

      2.1.4. Industrieroboter 47

      2.1.4.1. Aufbau und Funktionselemente 48

      2.1.4.2. Roboterwerkzeuge 48

      2.1.4.3. Roboterkinematik 50

      2.1.4.4. Software RF::RobCheck (EKS InTec GmbH) 54

2.2. Informationsarchitektur und Datenhandling 56

      2.2.1. Entwurf komplexer Systeme 57

      2.2.2. V-Modell des Modellbasierten Systems Engineering (MB-SE) 58

      2.2.3. Graphenbasierte Entwurfssprachen 61

      2.2.3.1. Informationsdarstellung und-flüsse 62

      2.2.3.2. Rechnergestützte Geometrieverarbeitung 68

      2.2.3.3. Rechnergestützte Pfadsuche und Verkabelung 70

      2.2.3.4. Rechnergestütze Kollisionserkennung 72

2.3. Wichtige Algorithmen 73

      2.3.1. Clustering-Algorithmen 73

      2.3.1.1. K-Nächste-Nachbarn-Algorithmus (KNN) 73

      2.3.1.2. Dichtebasierte räumliche Clusteranalyse mit Rauschen (DBSCAN) 74

      2.3.2. Delaunay-Triangulierung 75

      2.3.3. Koordinatensysteme und Transformationen 76

      2.3.4. Nichtlineare Optimierung 78

      2.3.4.1. Begriffsdefinitionen 78

      2.3.4.2. Numerische Lösung nichtlinearer Optimierungsaufgaben 79

      2.3.4.3. Penalty-Methoden 81

      2.3.4.4. Simplexverfahren von Neider und Mead 84

3. Automatisierter Entwurf von Produktionsressourcen 91

3.1. Entwurfssprache für Vorrichtungskonstruktionen 92

      3.1.1. Vorstellung des Entwurfsprozesses 94

      3.1.1.1. Zerlegung des Entwurfsprozesses in funktionale Subsysteme 95

      3.1.1.2. Requirements für Vorrichtungskonstruktionen 98

      3.1.1.3. Preprocessing für Vorrichtungskonstruktionen 100

      3.1.1.4. Packaging für Vorrichtungskonstruktionen 106

      3.1.1.5. Geometriesynthese für Vorrichtungskonstruktionen 110

      3.1.2. Packaging-Ansatz für Zentrierbaugruppen 117

      3.1.2.1. Aufsetzen des Iterationsframeworks zur Kollisionserkennung 117

      3.1.2.2. Diskussion der Vor- und Nachteile 118

      3.1.3. Packaging-Ansatz für Spanner- und Roboterwerkzeugeinheiten 119

      3.1.3.1. Erster Ansatz zur Formalisierung des Optimierungsproblems 120

      3.1.3.2. Zweiter Ansatz zur Formalisierung des Optimierungsproblems 131

      3.1.4. Anwendungsbeispiele für Vorrichtungen 144

      3.1.4.1. Entwurfsvarianten 145

      3.1.4.2. Grenzfälle 147

      3.1.4.3. Verkabelung 152

      3.1.5. Industrielle Anwendung 153

3.2. Entwurfssprache für Greiferkonstruktionen 156

      3.2.1. Vorstellung des Entwurfsprozesses für EGT-Greifer 157

      3.2.1.1. Zerlegung des Entwurfsprozesses in funktionale Subsysteme 158

      3.2.1.2. Requirements für Greiferkonstruktionen 158

      3.2.1.3. Packaging für Greiferkonstruktionen 161

      3.2.1.4. Strukturfindung für Greiferkonstruktionen 161

      3.2.1.5. Geometriesynthese für Greiferkonstruktionen 168

      3.2.2. Anwendungsbeispiele für Greifer 172

      3.2.2.1. Entwurfs Varianten 172

      3.2.2.2. Verkabelung 174

3.3. Entwurfssprache zum Einbau von Industrierobotern 175

      3.3.1. Definition der Zangenwolken 176

      3.3.1.1. Anforderungen an Werkzeugpositionierung 178

      3.3.1.2. Implementierter Entwurfsprozess zur Werkzeugpositionierung 181

      3.3.2. Definition der Roboterpositionen 189

      3.3.2.1. Anforderungen an Roboterpositionen 189

      3.3.2.2. Implementierter Entwurfsprozess für Roboterpositionen 192

      3.3.3. Erreichbarkeits- und Zugänglichkeitsprüfung 197

      3.3.3.1. Anforderungen und Ziele der Roboterzugäng-lichkeitsprüfung 197

      3.3.3.2. Programmablauf der Roboterzugänglichkeits-prüfung 200

      3.3.4. Analyse und Bewertung 201

4. Gesamtintegration einer Entwurfssprache für Fertigungszellen 207

4.1. Entwicklung eines Datenmodells zur Fabrikplanung 209

      4.1.1. Kopplung der Prozesse und Ressourcen 209

      4.1.2. Ressourcenpositionierung und Layouterstellung 213

4.2. Anwendungsbeispiele für Fertigungszellen 214

      4.2.1. Entwurfs Varianten 214

      4.2.2. Verkabelung 218

4.3. Ergebnisdiskussion 220

5. Zusammenfassung 225

5.1. Ergebnisse 225

5.2. Ausblick 228

Anhang A. Entwurfssprachen für typungebundene Produktionsressourcen 231

A.l. Entwurfssprache für Grundplatten und Tische 232

A.2. Entwurfssprache für Kabelkanäle 235

A.3. Entwurfssprache für Zäune 237

A.4. Entwurfssprache für Regale 238

A.5. Entwurfssprache für Ablagegestelle 240

A.6. Entwurfssprache für Förderbänder 242

A.7. Entwurfssprache für Ventilinseln 244

Anhang B. Ausblick über zukünftige Themenpunkte 247

Literaturverzeichnis 251

Lebenslauf 263

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