Einlastungsplanung flexibler Fertigungssysteme: Entscheidungsunterstützung unter Mehrzielaspekten

260 Pages·1999·5.486 MB·German

by  Beate Bossert (auth.)

Bossert
Einlastungsplanung flexibler Fertigungssysteme
GABLER EDITION WISSENSCHAFT
Produktion und Logistik
Herausgegeben von
Professor Dr. Wolfgang Domschke,
Technische Universität Darmstadt,
Professor Dr. Andreas Drexl,
Universität Kiel,
Professor Dr. Bernhard Fleischmann,
Universität Augsburg,
Professor Dr. Hans-Otto Günther,
Technische Universität Berlin,
Professor Dr. Christoph Haehling von Lanzenauer,
Freie Universität Berlin,
Professor Dr. Karllnderfurth,
Universität Magdeburg,
Professor Dr. Klaus Neumann,
Universität Karlsruhe,
Professor Dr. Christoph Schneeweiß,
Universität Mannheim,
Professor Dr. Hartrnut Stadtier,
Technische Universität Darmstadt,
Professor Dr. Horst Tempelmeier,
Universität zu Köln,
Professor Dr. Gerhard Wäscher,
Universität Halle-Wittenberg
Kontakt: Professor Dr. Hans-Otto Günther, Technische Universität Berlin,
FG BWl-Produktionsmanagement, Wilmersdorfer Str. 148, 10585 Berlin
Diese Reihe dient der Veröffentlichung neuer Forschungsergebnisse auf
den Gebieten der Produktion und logistik. Aufgenommen werden vor
allem herausragende quantitativ orientierte Dissertationen und Habilita
tionsschriften. Die Publikationen vermitteln innovative Beiträge zur lösung
praktischer Anwendungsprobleme der Produktion und logistik unter
Einsatz quantitativer Methoden und moderner Informationstechnologie.
Beate Bossert
Einlastungsplanung
flexibler
Fertig un gssysteme
Entscheidu ngsu nterstützung
unter Mehrzielaspekten
Mit einem Geleitwort
von Prof. Dr. Walter Habenicht
Deutscher Un iversitäts-Verlag
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Bossert, Beate:
Einlastungsplanung Aexibler Fertigungssysteme : Entscheidungsunterstützung unter
Mehrzielaspekten / Beate Bossert. Mit einem Geleilw. von Walter Habenicht.
-Wiesbaden: Dt. Univ.-Verl. ; Wiesbaden: Gabler, 1999
(Gabler Edition Wissenschaft: Produktion und Logistik)
Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 1998
D 100
Alle Rechte vorbehalten
© Betriebswirtschaftlicher Verlag Dr. Th. Gabler GmbH, Wiesbaden, und
Deutscher Universitäts-Verlag, Wiesbaden GmbH, 1999
Lektorat: Ute Wrasmann / Michael Gließner
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ISBN 978-3-8244-7049-5 ISBN 978-3-322-93361-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-93361-4
Geleitwort v
Geleitwort
Unternehmen mit einem variantemeichen Fertigungsprogramm setzen häufig zur Fertigung
ihres differenzierten Teilespektrums flexible Fertigungssysteme ein. Hierbei handelt es sich
um rechnergesteuerte Produktionssysteme, in denen eine automatisierte Fertigung von Teile
familien auf verschiedenen ergänzenden und ersetzenden Bearbeitungsmaschinen erfolgt, die
durch ein Werkstückversorgungssystem miteinander gekoppelt sind.
Der wirtschaftliche Einsatz flexibler Fertigungssysteme wirft eine Reihe komplexer Planungs
probleme auf, unter denen der Einlastungsplanung besondere Bedeutung zukommt. Den Kern
der Einlastungsplanung bildet die Festlegung der Werkzeugausstattung der einzelnen Bear
beitungssysteme, die sog. Systemrüstung. Dieser dem eigentlichen Produktionsvollzug vorge
lagerte Planungsschritt determiniert die Rahmenbedingungen, auf denen die Produktions
steuerung aufsetzen muß.
Zur Lösung der Systemrüstimgsproblematik, die sich als kombinatorisches Planungsproblem
darstellt, sind eine Vielzahl von exakten und heuristischen Optimierungsansätzen entwickelt
worden. Diesen haftet gemeinsam der Nachteil an, daß sie die Zielproblematik nicht ange
messen berücksichtigen. Ausgehend von einer ausgewählten Zielsetzung, konzentrieren sich
diese Ansätze darauf, die "optimale" Systemrüstung zu ermitteln. Dabei liegt der
Schwerpunkt der Analyse häufig mehr auf der Ausnutzung spezifischer Modellstrukturen zum
Zwecke der Optimierung, als in der kritischen Hinterfragung der verwendeten
Modellstrukturen, insbesondere der unterstellten Zielfunktion.
Hier setzt die vorliegende Arbeit an, indem sie von der Hypothese ausgeht, daß die
Zielproblematik der Einlastungsplanung nur durch ein mehrdimensionales Zielsystem
angemessen erfaßt werden kann. Aufbauend auf einem kombinatorischen Mehrzielent
scheidungsmodell wird ein Entscheidungsunterstützungssystem entwickelt, das durch den
Einsatz geeigneter Heuristiken zunächst eine Approximation der Menge effizienter Ein
lastungspläne erlaubt. In dieser Menge wird dann ein interaktiver Suchprozeß realisiert.
Bei der Bearbeitung dieser hochaktuellen, komplexen Problemstellung beschreitet die
Verfasserin neue Wege, indem sie die Mehrzielproblematik in den Mittelpunkt ihres Lösungs
konzepts stellt. Der daraus resultierenden Komplexitätssteigerung trägt sie Rechnung durch
VI Geleitwort
die Entwicklung z. T. neuer heuristischer Ansätze zur Lösungsgenerierung. Die Arbeit leistet
damit einen innovativen Beitrag zur Einsatzplanung flexibler Fertigungssysteme.
Prof. Dr. Walter Habenicht
Vorwort VII
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Arbeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin
am Lehrstuhl für Industriebetriebslehre an der Universität Hohenheim. Sie wurde unter dem
Titel "Entscheidungsunterstützungssysteni zur Einlastungsplanung flexibler Fertigungs
systeme unter Mehrzielaspekten" im Juli 1998 von der Fakultät V für Wirtschafts- und
Sozialwissenschaften als Promotionsschrift angenommen.
Herrn Prof. Dr. Walter Habenicht, meinem akademischen Lehrer und Doktorvater, danke ich
herzlich für seine zahlreichen wertvollen Anregungen und seine konstruktive Kritik, die die
vorliegende Arbeit entscheidend geprägt haben. Darüber hinaus sollte an dieser Stelle auch
die sehr angenehme Arbeitsatrnosphäre an seinem Lehrstuhl erwähnt werden. Herrn Prof. Dr.
Ehrhart Hanf danke ich für die Übernahme des Zweitgutachtens. Die Verleihung des Rudi
Häussler-Förderpreises ermöglichte mir vieWiltige fachliche Diskussionen auf internationalen
Tagungen und einen Forschungsaufenthalt in den USA.
Herzlicher Dank für die vielfliltige Hilfe, wie die stete Bereitschaft zur Diskussion und die
kritische Durchsicht des Manuskripts, gilt Martin Elsässer, Dr. Steffen Gackstatter, Tobias
Götting, Gaby de Haan, Kurt Pulinna und Dr. Heinz Walterscheid. Dr. Ralph Scheubrein hat
über die Durchsicht des Manuskripts hinaus die herausfordernde Phase der Programmierung
durch wertvolle Ratschläge unterstützt. Dafür gilt ihm mein ganz besonderer Dank. Letztlich
möchte ich mich auch bei allen bedanken, die während der Entstehung der Arbeit Verständnis
dafiir aufgebracht haben, dass durch die Arbeit eines fehlte: Zeit!
Beate Bossert
Inhaltsverzeichnis IX
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ...................................................................... XIII
Tabellenverzeichnis ............................................................................X V
Abkürzungsverzeichnis ....................................................................X VII
Symbolverzeichnis ............................................................................X IX
1 Einleitung ........................................................................................... 1
1.1 Problemstellung ............................................................................................... 1
1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit ................................................................ 2
2 Flexible Fertigungssysteme .............................................................. 5
2.1 Grundlagen flexibler Fertigung ...................................................................... 5
2.2 Systemkomponenten ..................................................................................... 12
2.2.1 Technisches System ................................................................................. 13
2.2.2 Bedienersystem ........................................................................................ 15
2.2.3 Informationssystem ................................................................................... 16
2.3 Planungsphasen flexibler Fertigungssysteme ............................................ 17
2.3.1 Planung und Steuerung herkömmlicher Produktionssysteme ................... 17
2.3.2 Überblick Ober Planungsphasen flexibler Fertigungssysteme ................... 19
2.3.3 Designphase ............................................................................................. 20
2.3.4 Einlastungsphase ...................................................................................... 24
2.3.4.1 Serienbildung ...................................................................................... 26
2.3.4.2 Maschinengruppierung ....................................................................... 27
2.3.4.3 WerkstOckmixbestimmung .................................................................. 29
2.3.4.4 Ressourcenallokation ......................................................................... 30
2.3.4.5 SystemrOstung .................................................................................... 31
x
Inhaltsverzeichnis
2.3.5 Steuerungsphase ................................................................................ '" ... 32
2.3.6 Kontrollphase ............................................................................................ 33
2.4 Problemkonkretisierung ..••....•...............•..............•........................................ 34
3 Ziele und Lösungsansätze der Einlastungsplanung ..................... 37
3.1 Ziele der Einlastungsplanung ....................................................................... 37
3.1.1 Arbeitsträgerorientierte Ziele der Einlastungsplanung ............................. .43
3.1.2 Auftragsorientierte Ziele der Einlastungsplanung ..................................... .45
3.2 Einlastungsplanung mit einer Zielsetzung ................................................ ..49
3.2.1 Lösungstechniken für eindimensionale Ansätze ....................................... 50
3.2.2 Eindimensionale Lösungsansätze für die Einlastungsplanung ................. 53
3.3 Einlastungsplanung als Mehrzielproblem ................................................... 60
3.3.1 Charakteristika des Mehrzielproblems ...................................................... 60
3.3.2 Lösungstechniken für mehrdimensionale Ansätze .................................... 62
3.3.3 Mehrdimensionale Lösungsansätze der Einlastungsplanung ................... 65
4 Modell ............................................................................................... 69
4.1 Modellannahmen ............................................................................................ 69
4.1.1 Modellelemente ......................................................................................... 70
4.1.2 Parameter ................................................................................................. 71
4.1.3 Entscheidungsvariablen ......................................................................................................... 76
4.2 MOdellbeschreibung ..•.............•..........•.......................................................... 77
4.2.1 Restriktionen ............................................................................................. 78
4.2.2 Ziele .......................................................................................................... 82
4.2.2.1 Zielfunktionen ..................................................................................... 83
4.2.2.1.1 Maximierung der Routenflexibilität ............................................... 83
4.2.2.1.2 Nivellierung der potentiellen Maschinenauslastungen ................. 86
4.2.2.1.3 Maximierung der Komplettbearbeitung auf einer Maschine ......... 88
4.2.2.1.4 Maximierung der Seriengröße ...................................................... 89
4.2.2.1.5 Maximierung der Termineinhaltung .............................................. 90
4.2.2.1.6 Zusammenfassung der Zielfunktionen ......................................... 91
Inhaltsverzeichnis XI
4.2.2.2 Einschränkung der Zielerreichungen durch die Restriktionen ............ 92
4.2.2.3 Zielbeziehungen ................................................................................. 94
4.2.2.3.1 Routenflexibilität. .......................................................................... 95
4.2.2.3.2 Maschinenauslastung .................................................................. 97
4.2.2.3.3 Komplettbearbeitung .................................................................... 99
4.2.2.3.4 Auftragsmaximierung ................................................................. 101
4.2.2.3.5 Termineinhaltung ....................................................................... 103
4.2.2.4 Überprüfung des Zielsystems ........................................................... 105
5 Lösungsansatz ............................................................................... 109
5.1 Überblick .....••..••.......................•...•...•......•.•...............................•••................ 109
5.2 Generierung effizienter Lösungen •..•.......••.•.............................................. 112
5.3 Suche nach einer präferierten Lösung ...................................................... 119
5.4 Generierung weiterer Lösungen ................................................................. 123
5.4.1 Greedy-Heuristik ..................................................................................... 125
5.4.2 Spezielle Heuristiken ............................................................................... 130
5.4.2.1 Heuristik zur Maximierung der Routenflexibilität.. ............................. 130
5.4.2.2 Heuristik zur Maximierung der Maschinenauslastung ...................... 133
5.4.2.3 Heuristik zur Komplettbearbeitung .................................................... 137
5.4.2.4 Heuristik zur Maximierung der Seriengröße ..................................... 142
5.4.3 Heuristik zur Maximierung der Termineinhaltung .................................... 148
5.5 Verwendung des Lösungsansatzes in einem EUS ................................... 152
5.6 Zusammenfassung .....................................................•................................ 154
6 Implementierung und Bewertung des Prototyps ........................ 157
6.1 Implementierung .......................................................................................... 157
6.1.1 Entscheidungsvorbereitung ..................................................................... 159
6.1.1.1 Aufruf des Programms ...................................................................... 159
6.1.1.2 Eingabe der Modellelemente und Parameter ................................... 160
6.1.1.3 Wahl einer Vorgehensweise zur Generierung von Lösungen .......... 163
6.1.2 Programmberechnung ............................................................................ 165
6.1.2.1 Generierung der Lösungen ............................................................... 166