Property-Driven Product Development/Design - Seminar "Virtual Engineering" Christoph Semkat
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Seminar „Virtual Engineering“
Property-Driven Product Development/Design
Christoph SemkatSemkat
Gliederung
1. Grundlagen
• Rechnerunterstützung
• Prozess der Produktentwicklung
2. Konzept „Property-Driven Product Development/Design“ (PDD)
• Merkmale und Eigenschaften
• Abhängigkeiten und Relationen
• Prozess der Produktentwicklung
• Formalisierung
3. Anwendung: PDD basiertes PLM System
4. Zusammenfassung
2 / 24Semkat
PDD?
Vorher:
Was ist Property-Driven Product Development/ Design?
• Methodisches Konzept von Weber / Werner / Deubel,
Universität des Saarlandes
• Formaler Ansatz zur Beschreibung und Organisation der
(rechnerunterstützten) Produktentwicklung
• Jahr 2003
3 / 24Semkat
Entwicklung der Rechnerunterstützung
Quelle: Vajna, LMI, Uni Magdeburg
4 / 24Semkat
Aktuelle Rechnerunterstützung
• Geometriebasierte Produktmodellierung
• CAD-Software als „Master System“
• EDM/PDM-Systeme zur Datei- und Versionsverwaltung
• Berechnungsprogramme
• Unterstützung der Produktionsplanung / Simulation
• Features, Parametrik, Knowledge Based Engineering
...
• Viele Programme
• Verschiedene Datenformate
• Produkt-Wissen gespeichert?
5 / 24Semkat
Prozess der Produktentwicklung
Aufgabe Anforderungsliste
Funktionsstrukturen
Lösungsvarianten
Vorentwürfe
Gesamtentwurf
Produktdokumentation Produkt
Quelle: VDI 2221
6 / 24Semkat
Zielstellung
• Mehr Rechnerunterstützung
• Durchgängiges Produktmodell für den gesamten
Produktlebenszyklus
• Speicherung des Wissens zu einem Produkt
• Produktentwicklung in allen Phasen beeinflussbar
7 / 24Semkat
Property-Driven Product Development/Design
Ansatz:
Produktentwicklung beginnt nicht mit der Modellierung,
sondern mit der Ideenfindung, der Formulierung der
Anforderungen und Eigenschaften
8 / 24Semkat
Merkmale vs. Eigenschaften
• Kern des PDD Ansatzes:
Unterscheidung zwischen Merkmalen („Characteristics“) und
Eigenschaften („Properties“) eines Produkts
• Eigenschaften beschreiben das Verhalten des Produktes
(Sicht von außen)
Bsp.: Funktion, Sicherheit, Ästhetik
• Merkmale beschreiben die Struktur, Gestalt, Beschaffenheit
Bsp.: Form, Abmessungen, Material
Aktuelle CAD-Systeme speichern nur Merkmale!
9 / 24Semkat
Merkmale vs. Eigenschaften
Beispiel „Getriebewelle“
Eigenschaften:
• Drehmoment übertragen
• Torsionsbeständigkeit
• Anschlussmaße einhalten
Merkmale:
• Komponenten Welle, Zahnrad
• Verdrehsichere Verbindung
• Abmessungen
(Wellendurchmesser…)
• Material
10 / 24Semkat
Abhängigkeiten und Relationen
• Zwischen Merkmalen können Abhängigkeiten bestehen
Bsp.: gleiche Bohrungsdurchmesser, Parallelität
• Merkmale und Eigenschaften stehen in Relation zueinander:
• aus Merkmalen ergeben sich (Produkt-) Eigenschaften (Analyse)
• die Realisierung von (Produkt-) Eigenschaften verlangt eine
bestimmte Ausprägung verschiedener Merkmale (Synthese)
• Relationen werden auch durch externe Bedingungen
beeinflusst
• Es können sich zusätzliche Eigenschaften ergeben
11 / 24Semkat
Analyse
È EC1 Ö Bestimmung der Eigenschaften
C1 R1 P1 aus den Merkmalen
È EC2
Analyse-Methoden:
C2 R2 P2 • Vermutungen, Abschätzungen
z
z
• Erfahrung
z
• Tests / Experimente
È ECn
• Tabellen und Diagramme
Cm Rn Pn • Berechnung und Simulation
(Konventionell, numerisch,
Ci ….....Merkmale Regel-basiert, neuronale Netze)
Ri ……. Relationen
Pi ……. Eigenschaften
ECi ….. externe Bedingungen
12 / 24Semkat
Synthese
È EC1 Ö Bestimmung der Merkmale aus
C1 R1-1 P1 den Eigenschaften
È EC2
Synthese-Methoden:
C2 R2-1 P2 • Kreativität, Assoziationen
z
z
• Erfahrungen
z
• Konstruktionskataloge
È ECn
• Methodische Ansätze
Cm Rn-1 Pn • Rechnerunterstützung
(Optimierung, Numerik, Regel-
Ci ….....Merkmale basiert, neuronale Netze)
Ri ……. Relationen
Pi ……. Eigenschaften
ECi ….. externe Bedingungen
13 / 24Semkat
Prozess der Produktentwicklung
• Iteration aus Synthese- und Analyseschritten
• Nacheinander werden alle Merkmale und Eigenschaften
bestimmt
• Vergleich von Ist- und Soll-Werten der Eigenschaften
14 / 24Semkat
Prozess der Produktentwicklung
È ECi
C1 P1-R
P1 ∆P1
Ri, Ri-1
z
z
z z z
z z
z z z
z z
Cm Pn-R
Pn ∆Pn
Ci ….....Merkmale
Ri ……. Relationen
Pi ……. Eigenschaften
ECi ….. externe Bedingungen
15 / 24Semkat
Prozess der Produktentwicklung
Beispiel „Getriebewelle“
• Eigenschaft: Drehmoment
übertragen
• Merkmal: verdrehsichere
Verbindung (z.B. Passfeder)
• Auswirkung auf die Eigenschaft:
Torsionsbeständigkeit
• Anpassung des Merkmals:
Wellendurchmesser
16 / 24Semkat
Formalisierung
Analyseschritt im PDD Ansatz: Notation: Vektor – Matrix
P=R·C
FR: funktionelle Anford.
Umformung in “Design Equation” nach Suh: A: Design Matrix
FR = A · DP DP: Design Parameter
P: Eigenschaften
Syntheseschritt entsprechend: C: Merkmale
DP = A-1 · FR R: Relationsmatrix
Voraussetzungen:
• Lineares / linearisiertes System
• Quadratische Matrix (wegen Invertierung) ->
Anzahl Eigenschaften = Anzahl Merkmale
17 / 24Semkat
Formalisierung
Alternative: nicht-linear, nicht-quadratisch P: Eigenschaften
P = Φ(C) C: Merkmale
Φ(C): Überführungsfkt.
Bewertung: PR: Soll-Eigenschaften
∆P = PR – P = PR – Φ(C) ∆P: Ist-Soll-Differenz
δ = ║∆P║ -> min ║∆P║: Norm zur
Bewertung
δ: Skalar:
Abweichung
• Nicht-lineares Optimierungsproblem Ist/Soll
„minimiere die Abweichung Ist/Soll“
• Norm ist Fall-spezifisch, nicht mathematisch
• noch keine differentiellen Abhängigkeiten
18 / 24Semkat
Anwendung
• Zielstellung des PDD Ansatzes:
durchgängiges Produktmodell über den Produktlebenszyklus
• Realisierung in einem PLM System
(Product Lifecycle Management)
19 / 24Semkat
PDD basiertes PLM System
ECi È MCi
C1 PR1 PL1
Dependencies (Dx)
P1 ∆P1
z z
z z z
z z z z z
z Ri, Ri-1 z
z
z
z
Cm PRn PLn
Pn ∆Pn
PL+1
PDM/PLM System
Mittel und Ressourcen
20 / 24Semkat
Vorteile eines PDD basierten PLM-Systems
• Dynamische Anpassbarkeit von Prozessen / Projekten
• Design-Freiheitsgrade feststellbar
• Verbesserte Unterstützung von Simultaneous Engineering
• Trennung von CAD und PLM, stattdessen Integration von CAx
Tools als Komponenten zur Analyse und Synthese
• Wiederverwendung von Lösungsbestandteilen
• Speichern aller Informationen über den gesamten
Produktlebenszyklus
• Anpassbarkeit von Produkten auch nach dem Abschluss der
Konstruktion
21 / 24Semkat
Zusammenfassung
• PDD: Property-Driven Product Development/Design
• Theoretisches Konzept, kein Softwareprodukt
• Unterscheidung von Eigenschaften und Merkmalen in der
Produktentwicklung
• Produktentwicklungsprozess ist eine Iteration von Synthese-
und Analyseschritten bis zu einer minimalen Ist/Soll Differenz
• als PLM-System:
• Speicherung des Wissens über ein Produkt
• Eigenschaften und Merkmale bilden den Kern eines Produktes
• PLM-System verwaltet Mittel und Ressourcen zur Analyse und
Synthese, z.B. CAx-Tools
22 / 24Semkat
Ende
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
23 / 24Semkat
Literatur
• Weber, Werner, Deubel: A different view on Product Data
Management/Product Life-Cycle Management and its future
potentials. J. Engineering Design, 14(4), Dezember 2003,447-
464.
• Weber: A new methodical concept to develop products:
„Property-Driven Development/Design“ (PDD), Vortrag, Oktober
2005
• Vajna: Vorlesungen CAD/CAM Grundlagen / Produkt-
Modellierung, Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik, Universität
Magdeburg
• VDI 2221: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren
technischer Systeme und Produkte, Mai 1993
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