Produktionssysteme

Produktentwicklung: PDM von Anfang an

Funktionale Produktbeschreibung als Teil eines PLM-Konzeptes
Produktfunktionen sind ein zentraler Bestandteil in einem Produkt, die zur Zielerfüllung und Kundenzufriedenheit beitragen. Die Funktionen lassen sich auf konstruktive Zusammenhänge abbilden. Dies ist Bestandteil von gängigen Konstruktionsmethoden, wie auch in der von Pahl und Beitz vorgeschlagenen methodischen Vorgehensweise zur Konstruktion technischer Systeme [1]. Die Produktentwicklung hat sich in den letzten Jahren sehr stark durch die Integration von Elektronik und Software zur Erweiterung der Funktionalität gewandelt. Durch die immer stärker werdende Bedeutung der Software sind die bisherigen Konstruktionsmethoden nicht mehr ausreichend, um eine disziplinübergreifende Sichtweise im Sinne der Virtuellen Produkt-entwicklung zu gewährleisten. Die Integration eines Systems Engineering Datenschemas in PDM könnte hier Abhilfe schaffen.

Die Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme VDI 2206 beschreibt einen disziplinübergreifenden Ansatz, dem System Design für die frühe Phase [2]. Ein neuer Ansatz zur frühen Beschreibung eines Produktes stellt das model-basierte Systems Engineering dar (Abbildung 1). Es gibt bisher keine allgemeingültige Methode, jedoch grundlegend gemeinsam ist eine disziplinübergreifende Sichtweise, welche die Brücke zwischen den verschiedenen Ingenieurwelten bilden kann [3]. Das modellbasierte Systems Engineering basiert auf dem systemtheoretischen Verständnis, wobei alle notwendigen Aspekte des zu entwerfenden Systems vernetzt über den gesamten Lebenszyklus betrachtet werden. Die Modelle dienen der Konzipierung eines Systems und sollten im weiteren Entwicklungsverlauf bis hin zum Recycling gepflegt werden. Die Modellrepräsentation kann über Diagramme, Zeichnungen oder auch weitere spezifischere Modelle erfolgen, die es den Ingenieuren ermöglichen, eine konsolidierte Sicht zu erzeugen. Es können aber auch verschiedene Sichten auf das Modell generiert oder ein Modell in ein anderes zu transformiert werden, um so Teilaspekte näher zu beschreiben.

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Es lassen sich drei Modellierungsebenen identifizieren. Die oberste Ebene der Beschreibung im Hinblick auf die Modellbildung, welche disziplinunabhängig und noch nicht im Detail festgelegt ist. Die mittlere Ebene der Modellbildung und Simulation, die als Ziel ausführbare Simulationsmodelle hat, und die unterste Ebene der disziplinspezifischen Modellbildung, wo spezifische Detailmodelle erstellt werden. Der Übergang zwischen diesen ist fließend.

Ausgangspunkt ist die Anforderungsstruktur. Sie dient dem Erfassen von an das Produkt gestellten Anforderungen. Eine funktionsorientierte Sicht stellt die Funktionsstruktur dar. Sie dient der Strukturierung des Problems und erleichtert das Finden von Lösungen, da Funktionen lösungsneutral sein sollten. Die einzelnen Teilfunktionen können durch physikalische Effekte erfüllt werden, die durch komponentenorientierten Systemelemente repräsentiert werden. Durch Referenzen untereinander können Anforderungen in die Systemstrukturierung zum Beispiel durch Kopieren aus vorhandenen Anforderungsstrukturen aufgenommen werden, so dass eine komponentenorientierte Architektur aus Systemelementen mit einer funktionalen Struktur verflochten werden kann. Bei steigender Komplexität kann auf abstrakte Funktionen zurückgegriffen werden. Die Systemelemente stellen eine logische Repräsentation auf später zu realisierende Teile eines Produktmodells dar.

Im modelbasierten Systems Engineering ermöglicht die Modellierungssprache SysML eine offene Beschreibung der Produktarchitektur, wobei jedoch kein klares Datenschema vorgeben ist, was eine direkte Verwendung der Informationen erschwert. Hierfür sind neue Methoden und definierte Datenschemas von Interesse, die eine Verwertung der frühen Produktmodelle auch in den späteren Entwicklungsphasen zulassen.

Späte Einbindung von PDM

In den frühen Phasen der Produktentwicklung ist eine Verwaltung von erstellten Modellen in PDM-Systemen bisher selten üblich, so dass Informationen aus der frühen Phase auch schwer in die disziplinspezifischen CAx-Modelle integriert werden. Hierarchische Ablagestrukturen in Form von Stücklisten sind kennzeichnend für die Verwaltung in PDM-Systemen. Ein integriertes Systemmodell ermöglicht es schon früh, Freigabe- und Änderungsprozesse für kritische Systembestandteile, sowie unterschiedliche Konfigurationen zu unterstützen. Oft kann aber nicht von einem Systemmodell gesprochen werden, sondern von mehreren Systemmodellen, welche meistens von Simulationswerkzeugen erstellt werden, die der funktionalen Absicherung dienen. Diese Modelle zielen meist auf unterschiedliche Aspekte und werden im Verlauf des Entwicklungsprozesses durch detailliertere Modelle ersetzt.

Um eine Abbildung der in Autorensystemen erstellten frühen Systemmodelle in ein PDM-System zu ermöglichen, wird ein Datenmodell benötigt, das beim Durchlaufen der frühen Entwicklungsphasen gefüllt wird. Dieses Datenmodell beinhaltet alle funktionalen und logischen Elemente. Dazu zählen Systemanforderungen, Funktionen und Systemelemente die entweder eine lösungsunabhängige Ausgangsbasis für die weitere Entwicklung bieten, oder mit schon vorhandenen Teillösungen gefüllt werden können. Ein Mapping der funktionale und logischen Stücklistenelemente auf die Engineering-Stückliste ist so in Bezug auf ein zentrales Systemmodell in unterschiedlichen Detailtiefen möglich und unterstützt dadurch das Änderungswesen von der frühen bis zur späten Entwicklungsphase (Abbildung 2).

Aus dem in einem Autorensystem erstellten Systemmodell können alle hierarchischen Systemelemente extrahiert werden, die der Beschreibung dienen. Metadaten der korrespondierenden Teilmodelle, die durch die Blöcke repräsentiert werden, können den Elementen hinzugefügt werden, wobei die interne Struktur der Blöcke für das PDM-System verborgen bleibt und nur durch das entsprechende Autorensystem dargestellt und verändert werden kann. Vergleichbar ist dies mit einer „Blackbox“-Darstellung, ohne jedoch die Anschlusspunkte mit aufnehmen zu müssen.

Ist dies nicht ausreichend, so können zu der hierarchischen Aufteilung der Systemelemente die Systemelemente mit ihrer internen Struktur abgebildet werden. Die internen Referenzen werden vollständig in das PDM-System abgebildet, so dass das Netzwerk innerhalb der Systemstruktur verwaltet wird. Die Engineering-Stückliste wird auf die entsprechenden strukturellen Knoten der funktionalen Systemstruktur abgebildet. Die interne Vernetzung der Elemente untereinander kann vor allem für frühe Simulationen von Interesse sein, setzt jedoch eine engere Kopplung der Autorensysteme mit der PLM-Lösung voraus. Vergleichbar ist dies mit einer „Grey-Box“-Darstellung, so dass die innere Struktur zwar erkennbar ist, sie jedoch nicht auf der tiefsten Ebene abgebildet wird.

Auf der detailliertesten Ebene lässt sich ein Systemmodell durch Elemente mit der internen Struktur sowie weiteren assoziierten Modellen wie „Verhalten durch angehängte Zustand- oder Aktivitätsbeschreibungen“ verwalten, so dass diese auch später in der Elektrokonstruktion oder Softwareentwicklung als Referenz verwendet werden können. Hier kann von einer „White-Box“-Darstellung gesprochen werden.
Im Rahmen der Arbeiten am Lehrstuhl VPE der Universität Kaiserslautern wird ein Datenmodell für die Abbildung der Daten für die frühe Phase im Produktentwicklungsprozess entwickelt, welches auf das modellbasierte Systems Engineering zugreift (Abbildung 3). Die zentralen funktionalen Elemente sind Systemanforderungen, Funktionen und Systemelemente. Die Anbindung an externe Anforderungsmanagement-Tools kann über kopieren oder direktes Verlinken der für das System relevante Anforderungen erfolgen. Die Anforderungen werden dann in das Modell für die frühe Phase als Systemanforderungen übersetzt. Funktionen dienen als eine möglichst stabile Mediatorstruktur, die auch aus früheren Produkten abgeleitet werden kann.

Datenmodell für den Produktentwicklungsprozess

Funktionen können Systemanforderungen erfüllen. Quantifizierbare Systemanforderungen definieren Merkmale von Systemelementen. Das Systemelement stellt eine logische oder komponentenorientierte Betrachtung des Systems dar. Die Systemelemente sollten für alle beteiligten Disziplinen relevant sein. Sie werden durch detailliertere Teile in der Produktstuktur realisiert. Dies können schon vorhandene oder noch zu erstellende Teile sein. Die Abbildung der internen Strukturierung von Systemelementen wird über die Anschlussports mit den entsprechenden Beziehungen ermöglicht. Dies kann auf der Beschreibungsebene beispielsweise über interne Blockdiagramme in SysML erfolgen.

Es soll untersucht werden, inwieweit eine einheitliche Verwaltung der Informationen aus der frühen Produktentwicklungsphasen durchgeführt werden kann. Das SE VPE Datenschema stellt einen Schritt in Richtung der Definition von frühen Produktkonzeptmodellen dar und soll einen Rahmen schaffen, um Modellinhalte auf verschiedenen Stufen ihrer Vernetzung zu verwalten. Erste Implementierungen sind angestrebt und sollen in einem zukünftigen Prototypen realisiert werden.

Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner, Torsten Gilz, Radoslav Zafirov


Literaturreferenzen:
[1] Pahl, Gerhard and Beitz, W., Feldhusen, J.G., Karl-H.: ‚Konstruktionslehre‘, edition. 6, Springer, Heidelberg (2005).

  1. (Edt.): (2004) ‚Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme - Design methodology for mechatronic systems‘,
  2. Jeff A.: (2008) ‚Survey of Model-Based Systems Engineering (MBSE) Methodologies‘, URL: http://www.omgsysml.org/MBSE_Methodology_Survey_RevB.pdf (last visited: 01.11.2010).

Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern Tel. 0631/205-3871, http://www.mv.uni-kl.de

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