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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Optimieren einer Prozesskette zum Ausmessen, zum Projektieren und/oder zum Herstellen eines Werkstücks, beispielsweise eines Motorblocks oder eines Hartmetallwerkzeugs.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik sind Prozessketten bekannt, die der Herstellung von Werkstücken dienen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine bestehende Prozesskette ermöglicht nicht in jedem Fall eine optimale Produktion eines Werkstücks. Insbesondere kann eine Optimierung nach unterschiedlichen Parametern erforderlich sein. Beispielsweise kann eine optimierte Herstellung nach der Zeitdauer, nach den Kosten oder der Kapitalbindung gewünscht sein.
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Eine Aufgabe ist daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das eine Optimierung einer Prozesskette zur Herstellung eines Werkstücks ermöglicht, wobei eine flexible Anordnung ermöglicht werden soll, um je nach gewünschtem Parameter die Optimierung vornehmen zu können.
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Als erster Aspekt der Erfindung wird ein System zur Optimierung einer Prozesskette zum Ausmessen, zum Projektieren und/oder zum Herstellen eines Werkstücks, beispielsweise eines Motorblocks oder eines Hartmetallwerkzeugs, zur Verfügung gestellt, umfassend eine reale Prozesskette, eine virtuelle Prozesskette und ein oder mehrere Parameter bzw. Kriterium, nach denen die reale und/oder die virtuelle Prozesskette zu optimieren ist, wobei die reale und/oder die virtuelle Prozesskette ein oder mehrere Elemente umfasst, wobei die virtuelle Prozesskette zumindest teilweise eine virtuelle Abbildung der realen Prozesskette ist.
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Der Vorteil der Erfindung ist darin, dass eine Prozesskette im Vorhinein geplant und danach endgültig und papierlos realisiert werden kann. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße System eine Optimierung der Prozessauslegung, der Beschaffung, der Lagerung und der Werkzeugvorbereitung.
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Als zweiter Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Anwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: Abbilden einer virtuellen Prozesskette einer realen Prozesskette, Optimieren der virtuellen Prozesskette unter Vorgabe eines oder mehrerer Kriterien, wobei die Kriterien Herstelldauer, Herstellzeit, Rüstzeit und/oder erforderliche Kapitalbindung sein können und Transformation der optimierten Prozesskette auf die reale Prozesskette.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei der Parameter bzw. das Kriterium die Zeitdauer der Herstellung des Werkstücks, die Kosten zur Herstellung des Werkstücks und/oder die für die Herstellung erforderliche Kapitalbindung ist.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei die virtuelle Prozesskette die reale Prozesskette bei der Herstellung des Werkstücks im Moment der Herstellung unterstützt und/oder wobei die virtuelle Prozesskette die Planung des Ablaufs der Herstellung vornimmt und/oder wobei nach der Planung die entsprechenden Daten an die reale Prozesskette übergeben werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei das System ständig und selbsttätig nach Elementen mit Funktionen sucht, wobei die Funktionen zum schnellen Umrüsten, zur Beseitigung von Transportwegen, zur schnellen Konstruktion, Disposition und/oder Planung und/oder zur schnellen Bearbeitung eines Werkstücks führen, wobei das Element ein Softwaremodul, ein Werkzeug, eine Werkzeugmaschine, eine Bearbeitungsstation zur Bearbeitung eines Werkstücks oder ein chemisches Mittel als Hilfsmittel oder Betriebsstoff der Herstellung des Werkstücks dient.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei das System ein neues Element mit einer auf das neue Element maßgeschneiderten Schnittstelle vorsieht, sodass eine Kommunikation des neuen Elements mit den bisherigen Elementen des Systems ermöglicht wird und kein Schaden innerhalb des Systems entstehen kann.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei die Schnittstelle eine oder mehrere Funktionen des neuen Elements ausschaltet, falls diese Funktionen nicht erforderlich sind oder das System beschädigen können.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei das System die optimierten virtuellen Prozessketten dokumentiert und die einzelnen Dokumentationen der Elemente regelmäßig prüft und korrigiert und/oder wobei das System die Daten der Elemente prüft und korrigiert.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, wobei die virtuelle Prozesskette folgende Elemente umfasst: Element zur Konstruktion von Werkzeugen anhand von Vorgaben eines Kunden, zur Erstellung von Werkzeugzeichnungen, zum Erstellen von digitalen Daten für das Rüsten und Programmieren einer Werkzeugmaschine und/oder Element zur Überprüfung und Korrektur der Stammdaten anderer Elemente des virtuellen Systems, wobei die Stammdaten technischer, geometrischer oder kaufmännischer Natur sein können und/oder Element zur Kollisionskontrolle der einzelnen Elemente, zum Sicherstellen einer gleichmäßigen Belastung der einzelnen Elemente, wodurch die Standzeiten erhöht werden und/oder Element zur Pflege einer zentralen Stammdaten-Bibliothek, zur Disposition, insbesondere das Suchen der richtigen Werkzeuge zur richtigen Zeit, zur Kontrolle des Datenflusses: keine unnötige Kommunikation, aber dennoch ein ausreichender Kommunikationsfluss, minimieren der Rüstzeiten durch Optimierung der Bearbeitungsaufträge und/oder Element zur Berücksichtigung der Randbedingungen der realen Welt, wobei räumliche Gegebenheiten berücksichtigt werden und/oder Element zur Kostenkontrolle, bzw. als Controllinginstrument, wodurch die Prozesskosten überwacht und gesteuert werden und/oder Element zur Prozessoptimierung, wobei eine hohe Produktivität durch Reduzierung der Rüstzeiten und eine Erhöhung der Maschinenlaufzeiten erzielt werden und/oder Element zur Kontrolle der einzelnen Bearbeitungsschritte in der Prozesskette und Vorrichtung zur Messung nach Qualitätsmerkmalen, beispielsweise durch Lasertechnik und/oder Element zur Simulation der Umgebungsbedingungen der Prozesskette, wobei insbesondere die Raum-, Temperatur- und Luftbedingungen simuliert und optimiert werden und/oder Element zur Simulation der Temperaturen des Werkzeugs und/oder des Werkstücks, wobei beispielsweise festgestellt wird, in welchen Temperaturbereichen in welcher Größe Auswirkungen auf das Werkzeug und/oder das Werkstück zu erwarten ist und/oder Element zur Simulation der Temperaturen eines Messgeräts zur Vermessung des Werkstücks, wobei beispielsweise festgestellt wird, in welchen Temperaturbereichen in welcher Größe Auswirkungen auf das Messgerät zu erwarten ist.
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Insbesondere kann durch das virtuelle System die Temperatur des bearbeitenden Werkzeugs und/oder des zu bearbeitenden Werkstücks simuliert werden. Hierdurch kann festgestellt werden, welche Wärmeausdehnung zu erwarten ist. Die Wärmedehnung kann ebenfalls bei Messgeräten und/oder Messlehren simuliert werden, um die Auswirkung von Temperaturen auf das Messen und das Kalibrieren festzustellen. Hierdurch kann eine realitätsnahe Planung einer realen Herstellung erfolgen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein System zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: Aufnehmen eines neuen Elements zur Anwendung der Funktionen des Elements, Erstellen einer Schnittstelle für dieses Element, sodass die gewünschten Funktionen des Elements ermöglicht werden und die unerwünschten Funktionen des Elements unterdrückt werden.
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Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, ein virtuelles System einer Prozesskette zu schaffen, die mit einer realen Prozesskette zur Herstellung eines Werkstücks interagiert. Hierdurch kann eine Optimierung der Herstellung von Werkstücken realisiert werden, wobei die Optimierung situationsgemäß oder mit Ausrichtung auf einen oder mehrere Parameter erfolgen kann. Diese Parameter können insbesondere die erforderliche Zeitdauer der Produktion, die Kosten der Produktion oder die erforderliche Kapitalbindung sein. In einer besonderen Ausführungsform kann ein Hybridsystem bereitgestellt werden, wobei Abschnitte der Prozesskette rein virtuell dargestellt sind, die innerhalb einer realen Prozesskette einer Produktion unterstützend tätig sind. In einer besonderen Ausführungsform ermöglicht das erfindungsgemäße System ein Testen und Optimieren der Prozesskette bezüglich der Prozessauslegung, der Beschaffung, der Lagerung und der Werkzeugvorbereitung. Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine Simulation der geplanten Prozesskette.
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Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
- 1 eine virtuelle und eine reale Prozesskette 1, 4, die über Schnittstellen 5, 6 miteinander verbunden sind,
- 2 ein virtuelles System 1 mit mehreren Hierarchieebenen,
- 3 ein System 1 mit einem Rollentausch der einzelnen Elemente A, B, C und D,
- 4 ein System 1 ohne Hierarchie, das regelbasiert administriert wird,
- 5 Elemente A und B mit einer gestörten Schnittstelle,
- 6 ein Element Z, das eine Schnittstellenfunktion zwischen Elementen A und B übernimmt,
- 7 ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise des erfinderischen Systems zur Sicherstellung des Vorhandenseins sämtlicher erforderlicher Funktionen darstellt,
- 8 ein Verfahren zur Aufnahme eines neuen Systems in das virtuelle/reale System/Prozesskette und
- 9 eine weitere erfinderische Vorgehensweise des Systems in einem Flussdiagramm.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein System zur selbsttätigen Steuerung einer Prozesskette, wobei das System vier Elemente A, B, C und D umfasst. Die einzelnen Elemente A, B, C und können Werkzeuge, Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungsstationen, Software oder chemische Mittel zur Unterstützung einer Produktion sein. Insbesondere kann eine Hierarchie errichtet werden, wobei ein Element A Weisungsbefugnisse 2 innehat und wobei untergeordnete Elemente B, C und D Informationsverpflichtungen 3 auferlegt bekommen. Das System 1 kann die Herstellung eines Hartmetallwerkzeugs zur Aufgabe haben. Das System 1 kann die Herstellung eines Hartmetallwerkzeugs in verschiedenen Varianten durchspielen und dabei eine Optimierungsaufgabe lösen. Wichtige Parameter können Zeitdauer der Herstellung, Kosten der Herstellung und/oder Kapitalbindung sein. Es können derart auf die Zeitdauer, die Kosten und/oder die Kapitalbindung optimierte Lösungsstrategien entwickelt werden. In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem System 1 um eine virtuelle Abbildung des realen Fertigungssystems 4. Durch das virtuelle System 1 können optimierte Abläufe der Prozesskette ermittelt werden, die nach unterschiedlichen Parametern optimiert sind. Beispielsweise kann die Prozesskette nach der erforderlichen Zeit zur Herstellung einer beliebigen Menge von Hartmetallwerkzeugen oder nach der günstigsten Herstellung optimiert sein. Wünscht ein Kunde beispielsweise eine sehr schnelle Lieferung, kann eine geeignete Prozesskette gewählt werden und gleichzeitig die Auswirkung auf die Kosten festgestellt werden. Entsprechend kann ein optimiertes Verfahren in die reale Welt überführt werden 5, sodass eine reale Prozesskette 4 eine Herstellung eines Werkstücks auf die ausgewählte optimale Vorgehensweise herstellen kann.
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2 zeigt ein virtuelles System 1, das ebenfalls hierarchisch aufgebaut ist, wobei es mehrere Ebenen gibt, wodurch ein Element A nur mit Elementen B und C interagiert und das Element B nur mit den Elementen D und E zusammenwirkt, wobei das Element A für die Elemente B und C und das Element B für die Elemente D und E dominant ist.
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3 zeigt ein virtuelles System 1, das einen Rollentausch zwischen den Systemen A, B, C und D ermöglicht, wobei der Rollentausch zufällig, chaotisch oder nach festen Regeln erfolgen kann. Beispielsweise kann festgelegt werden, dass ein Element C, das eine Werkzeugmaschine ist, nicht an einem Rollentausch teilnimmt, da sein Standort oder seine Wirkzusammenhänge mit weiteren Systemen einen bestimmten Ort erfordern, beispielsweise wegen einer Anbindung zu Versorgungsleitungen, beispielsweise elektrische Energie oder Druckluft.
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4 zeigt ein virtuelles System, wobei es zwischen den Elementen A, B, C und D keine hierarchische Ordnung gibt. Die Kommunikation zwischen den Elementen A, B, C und D erfolgt durch Vorschiften 9, die durch ein Element X außerhalb des virtuellen Systems 1 vorgegeben werden. Eventuell kann das Element X einem weiteren virtuellen System angehören, sodass mehrere, ansonsten unabhängige virtuelle Systeme miteinander agieren.
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5 zeigt die Elemente A und B, deren Kommunikation bzw. Schnittstelle 8 gestört ist oder ungeeignet zum Austausch/Kommunikation zwischen den Elementen A und B. Ein Element W erkennt die mangelnde oder gestörte Kommunikation.
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6 zeigt die beiden Elemente A und B, deren Schnittstelle 8 defekt oder inkompatibel ist, sodass ein Element Z zwischen den beiden Elementen A und B geschaltet ist, wodurch eine störungsfreie Kommunikation zwischen den Elementen A und B ermöglicht wird. Das System 1 kann daher Elemente umfassen, deren Aufgabe es ist, eine Schnittstelle zwischen anderen Elementen herzustellen.
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Ein virtuelles System, das eine reale Prozesskette abbildet, kann aus folgenden Elementen bestehen:
- • Element A: Software zur Konstruktion von Werkzeugen anhand von Vorgaben eines Kunden, zur Erstellung von Werkzeugzeichnungen, zum Erstellen von digitalen Daten für das Rüsten einer Werkzeugmaschine und/oder
- • Element B: Software zur Überprüfung und Korrektur der Stammdaten anderer Elemente des virtuellen Systems, wobei die Stammdaten technischer, geometrischer oder kaufmännischer Natur sein können und/oder
- • Element C: Kollisionskontrolle der einzelnen Elemente, Sicherstellen einer gleichmäßigen Belastung der einzelnen Elemente, wodurch die Standzeiten erhöht werden und/oder
- • Element D: Software zur Pflege einer zentralen Stammdaten-Bibliothek, Disposition, insbesondere das Suchen der richtigen Werkzeuge zur richtigen Zeit, Kontrolle des Datenflusses: keine unnötige Kommunikation, aber dennoch ein ausreichender Kommunikationsfluss, minimieren der Rüstzeiten durch Optimierung der Bearbeitungsaufträge und/oder
- • Element E: Software zur Berücksichtigung der Randbedingungen der realen Welt, wobei räumliche Gegebenheiten berücksichtigt werden und/oder
- • Element F: Software zur Kostenkontrolle, bzw. als Controllinginstrument, wodurch die Prozesskosten überwacht und gesteuert werden und/oder
- • Element G: Software zur Prozessoptimierung, wobei eine hohe Produktivität durch Reduzierung der Rüstzeiten und eine Erhöhung der Maschinenlaufzeiten erzielt werden und/oder
- • Element H: Software zur Kontrolle der einzelnen Bearbeitungsschritte in der Prozesskette und Vorrichtung zur Messung nach Qualitätsmerkmalen, beispielsweise durch Lasertechnik oder Tasttechnik und/oder
- • Element I: Software zur Simulation der Umgebungsbedingungen der Prozesskette, wobei insbesondere die Raum-, Temperatur- und Luftbedingungen simuliert und optimiert werden, wobei insbesondere die Temperatur von Werkzeugen und/oder zu bearbeitenden Werkstücken bzw. die Raumtemperatur der Werkzeuge bzw. der Werkstücke simuliert und deren Auswirkung getestet werden.
- • Element K: Software zur Simulation der Temperaturen des Werkzeugs und/oder des Werkstücks, wobei beispielsweise festgestellt wird, in welchen Temperaturbereichen in welcher Größe Auswirkungen auf das Werkzeug und/oder das Werkstück zu erwarten ist.
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7 zeigt ein Flussdiagramm eines erfinderischen Verfahrens, bei dem das virtuelle System prüft, ob es entsprechend den Vorgaben und unter Voraussetzung der zu optimierenden Parameter eine Herstellung eines oder mehrerer gewünschter Werkstücke ermöglichen kann. Hierzu werden in einem ersten Schritt die erforderlichen Funktionen zur Produktion ermittelt. In einem weiteren Schritt wird geprüft, ob die vorhandenen Elemente des Systems die erforderlichen Funktionen aufweisen können. Falls ja, ist das virtuelle und damit das reale System/die reale Prozesskette zum Einsatz bereit. Andernfalls sind Elemente zu suchen, die diese fehlenden Funktionen erfüllen können. Gefundene Elemente sind in das virtuelle System aufzunehmen und deren Kompatibilität mit den bereits vorhandenen Elementen ist zu klären. Danach kann das virtuelle System die gewünschte Produktion optimieren und dadurch auch die reale Prozesskette erforderlichenfalls umgestalten bzw. konfigurieren.
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Die 8 zeigt den Vorgang der Aufnahme eines Elements in ein bestehendes, virtuelles und/oder reales System/Prozesskette. Es muss bedacht werden, dass das erfindungsgemäße System in der Lage ist, Elemente beliebiger Hersteller, die auf eine beliebige Weise aufgebaut, programmiert oder hergestellt wurden, in das System aufzunehmen ist. Hierdurch können die Vorteile von Produkten unterschiedlicher Hersteller genutzt werden. Diese Fähigkeit der Integration von heterogenen Elementen wird durch das Prüfen der Funktionen des Elements und das Integrieren des Elements in eine Hülle, sodass das Element nicht direkt mit den anderen Elementen des Systems interagiert, sondern nach Prüfung durch seine Hülle. Die Hülle eines Elements stellt daher seine (einzige) Schnittstelle zu den anderen Elementen des Systems dar. Es können alle Elemente eines Systems in eine Hülle integriert sein, das ist allerdings nicht notwendigerweise erforderlich. Es können einzelne Elemente ohne Hülle in das System aufgenommen werden, da sie bekanntermaßen keinen Schaden für das System erzeugen können.
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In der 8 wird zunächst ein Vergleich der Funktionen des aufzunehmenden Elements mit den Funktionen durchgeführt, die bereits von den bestehenden Elementen des Systems geboten werden. Werden Funktionen des aufzunehmenden Elements benötigt, wird das Element auch aufgenommen. Es kann erforderlich sein, dass das Element in eine Hülle integriert wird und nur so in das System aufgenommen werden darf. Eine Hülle arbeitet als Schnittstelle und stellt sicher, dass die Kommunikation des Elements mit weiteren Elementen des Systems entsprechend den Kommunikationsvorschriften erfolgt. Es kann möglich sein, dass nach einiger Zeit die Hülle/die Schnittstelle entfallen kann, da festgestellt wurde, dass das Element mit den anderen Elementen ohne Schnittstelle/Hülle so kommuniziert, dass es verstanden wird und keinen Schaden anrichtet. Die Hülle legt außerdem Funktionen des Elements lahm, die nicht benötigt werden oder die schädlich sind.
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9 zeigt eine erfinderische Vorgehensweise eines virtuellen Systems, bei dem zunächst geprüft wird, ob alle Funktionen vorhanden sind, sodass eine Produktion erfolgen kann. Es wird auch geprüft, ob die Herstellung derart erfolgen kann, dass die Herstellung nach einem gewünschten Parameter optimiert werden kann. Beispielsweise kann eine sehr schnelle oder eine sehr kostengünstige oder eine Herstellung gewünscht sein, die wenig Kapital bindet. Falls dies nicht möglich ist, ist nach weiteren Elementen mit benötigten Funktionen zu suchen.
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In einer besonderen Ausführungsform sucht das System konstant und selbsttätig, ob es Elemente gibt, die interessante Funktionen anbieten können. Diese Funktionen können zu höheren Standzeiten, verbesserten Arbeitsbedingungen, kürzeren Rüstzeiten oder verkürzten Transportwegen führen. Elemente können Werkzeuge, Bearbeitungsstationen, chemische Mittel, beispielsweise Öle und Bohrwasser, oder Softwaremodule sein.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren können auf einem Computer, einem Server, einem Host oder ein Netzwerk von Computern abgearbeitet werden.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
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- 1
- virtuelle Prozesskette/virtuelles System
- 2
- Weisungsbefugnis
- 3
- Informationspflicht
- 4
- reale Prozesskette
- 5
- Transformation einer Optimierung in die reale Welt
- 6
- Informationen aus der realen Welt in das virtuelle System 1
- 7
- Tauschen der Rollen zweier Systeme 1
- 8
- gestörte oder ungeeignete Schnittstelle zwischen zwei Elementen
- 9
- Regeln der Kommunikation und Interagitation der einzelnen Systeme 1
- 10
- Schnittstelle zwischen zwei Elementen
- 11, 12
- Elemente A und B, zwischen denen eine ungeeignete Schnittstelle besteht
- 13
- Element Z zur Sicherstellung der ungestörten Kommunikation zwischen den Elementen A und B
