Ausgabe 04 | 2020

Qualitativ hochwertige Daten als Basis

Johannes Mohr, Claudia Kleinschrodt, Frank Rieg

Die Bereitstellung qualitativ hochwertiger Austauschdaten ist eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung der Vision Industrie 4.0. Die Generierung und Weitergabe stellen jedoch immer noch eine grosse Herausforderung dar. In diesem Beitrag werden die Qualitätsaspekte Informationsgehalt und Kompatibilität von Austauschdateien exemplarisch anhand von Werkzeugen aufgezeigt.

Im Zusammenhang mit der zunehmenden Digitalisierung kommen vermehrt Schlagwörter wie Industrie 4.0, Digitale Fabrik oder Digitaler Zwilling zur Anwendung. Industrie 4.0 beschreibt unter anderen die intelligente Vernetzung und Kommunikation unterschiedlichster Maschinen und den zugehörigen Systemen [1]. Ein Ziel der Vision Industrie 4.0 ist es, eine ­Digitale Fabrik zu verwirklichen. Durch eine umfassende Vernetzung der Maschinen werden Güter im Extremfall ohne menschliche Interaktion gefertigt. Um eine Digitale Fabrik zu realisieren, muss ein virtuelles Abbild der Maschinen, Werkzeuge und Prozesse erstellt werden. Hierbei wird auch von einem Digitalen Zwilling gesprochen [2].
Von besonderer Bedeutung sind die abzubildenden Werkzeuge, da diese die Schnittstelle zwischen den Maschinen und den zu bearbeitenden Werkstücken darstellen. Eine ausreichende Qualität der Digitalen Zwillinge ist Voraussetzung für eine durchgängige und effektive Nutzung der virtuellen Objekte. Allerdings sehen sich Anwender immer noch mit Problemen konfrontiert, die ­einem effizienten Datenaustausch entgegenstehen [3].

Kernaspekte der Qualität von Austauschdateien
Um eine hinreichend hohe Qualität von Austauschdateien sicherzustellen, muss zunächst gewährleistet sein, dass der Informationsgehalt einer Austauschdatei ­vollständig ist. Damit die Aust­auschdateien korrekt genutzt werden können, müssen sämt­liche relevante Daten in der Datei gespeichert sein, bevor überhaupt ein Austausch stattfindet [4, 5]. In Bezug auf Werkzeugdaten können die Normreihen DIN 4000/4003 (Deutsches Institut für Normung) als Beispiel genannt werden. In der Normreihe DIN 4000 sind Sachmerkmale, wie die Gesamtlänge oder die Trennstellenkodierung, definiert [6]. Aufbauend auf der Normreihe DIN 4000 sind in der Normreihe DIN 4003 grundlegende 3D-Startelemente, wie Achsen, Ebenen oder Koordinatensysteme definiert, die für die Modellierung der 3D-Modelle benötigt werden [7]. Um den Informationsgehalt einer Datei zu testen, kann überprüft werden, ob sämtliche normrelevante Informationen in der Datei zu finden sind. Fehlen Daten können diese gezielt ergänzt werden.
Neben dem Informationsgehalt stellt die Kompatibilität einen weiteren Kernaspekt hinsichtlich der Qualität von Austauschda­teien dar. Im Kontext einer Digitalen Fabrik werden eine Vielzahl an Systemen von diversen Herstellern eingesetzt, die zum Teil unterschiedliche Daten benötigen, um die gleichen Informationen zu repräsentieren. Häufig unterscheidet sich der Bedarf an Informationen sogar zwischen verschiedenen Versionen des gleichen Systems [4]. Es existieren eine Reihe von Standards, mit dem Ziel eine einheitliche Basis für den Datentransfer zu schaffen. Als Beispiel kann das weit verbreitete Format STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data), welches in der Normreihe ISO 10303 (International Organization for Standardization) standardisiert ist, genannt werden [8]. Mit STEP können vollständige Definitionen von Produkten zwischen unterschiedlichen Programmen, wie zum Beispiel CAD-Anwendungen (Computer Aided Design), ausgetauscht werden [9].
Teilweise lassen die Normen jedoch Raum für eine individuelle Schnittstellenimplementierung und geben lediglich Rahmen­bedingungen vor, wie Informati­onen bereitgestellt werden sollen. Dies führt dazu, dass sich normkonforme Dateien, trotz einheit­licher zugrundeliegender Norm, unterscheiden können. Zwangsläufig müssen Dateien ausgebessert werden, um die Kompatibi­lität zu gewährleisten. Das Angleichen und die Verwaltung der Daten geht unter Umständen mit einem hohen Zeit- und Koordinationsaufwand einher [4, 5].
Es ist festhalten, dass die Qualität von virtuellen Werkzeugen von zwei Kernaspekten abhängt. Einerseits müssen die Digitalen Zwillinge eine inhaltliche Vollständigkeit aufweisen. Ist sichergestellt, dass alle notwendigen Informationen abgebildet sind, muss andererseits darauf geachtet werden, dass die Kompatibilität zwischen den verschiedenen Systemen garantiert ist.

Exemplarische Betrachtung von Verbesserungspotenzialen anhand des Austauschmodells eines Vollbohrers
Die genannten Kernaspekte Informationsgehalt und Kompatibilität werden im Folgenden anhand eines vereinfachten Austauschmodells eines Vollbohrers nach DIN 4000-81/4003-81 erläutert. Der Digitale Zwilling wird im vorliegenden Beispiel durch zwei Dateien beschrieben. Die Geometriedaten nach DIN 4003-81 sind in einer STEP-Datei gespeichert [10]. Zusätzlich wird das Modell durch eine XML-Datei (Extensible Markup Language) beschrieben, in welcher Sachmerkmale nach DIN 4000-81 aufgelistet sind [11].
Bild 1 zeigt die Geometrie des Vollbohrers und verschiedene obligatorische Sachmerkmale. Die STEP-Datei enthält die normrelevanten Koordinatensysteme PCS, MCS und CIP. Ausserdem beinhaltet die Datei die blau (RGB-Wert: 0/0/255) eingefärbte Schneidteillinie (CUTLINE). Laut Norm wird der schneidende Teil (CUT-Bereich) in hellgrau (RGB-Wert: 203,8/203,8/203,8) ein­gefärbt, wohingegen der nichtschneidende Teil (NOCUT-Bereich) in dunkelgrau (RGB-Wert: 127/127/127) eingefärbt wird. ­Eine korrekte Einfärbung ist von zentraler Bedeutung, um Geometrien automatisiert zu identifizieren [7, 10].
Um die Qualität der Austauschdateien zu überprüfen, kann zunächst kontrolliert werden, ob der Inhalt der Dateien vollständig ist. In der STEP-Datei kann getestet werden, ob die Koordinatensysteme PCS, MCS und CIP sowie die Schneidteillinie korrekt hinterlegt sind. In der XML-Datei kann überprüft werden,
ob sämtliche obligatorische Sachmerkmale zu finden sind. Der Aufbau des Koordinatensystems PCS in der STEP-Datei und die Hinterlegung der Gesamtlänge B5 in der XML-Datei sind exemplarisch in Bild 2 dargestellt. Damit die Qualität der Austauschdateien erhöht wird, können Prozesse ­implementiert werden, um nicht vorhandene Daten zunächst inhaltlich zu ergänzen. Eine Optimierung kann auch dateiübergreifend erfolgen. Fehlt beispielsweise die Gesamtlänge B5 in der XML-Datei, kann diese implizit aus den Geometriedaten aus der STEP-­Datei ermittelt werden und in der XML-Datei ergänzt werden. Die Gesamtlänge entspricht dem Abstand zwischen den Koordinatensystemen PCS und CIP [12].
Neben der inhaltlichen Überprüfung und Verbesserung kann die Kompatibilität kontrolliert werden, um die Qualität der Austauschdateien zu verifizieren. Beispielsweise führt der Import der STEP-Datei in verschiedene CAD-Systeme zu Fehlinterpretationen. Kompatibilitätstest offenbaren die zum Teil unzureichende Austauschbarkeit von Werkzeugmodellen. Der Vollbohrer ist in System 1 mit sämtlichen normrelevanten Eigenschaften konstruiert. Anschliessend wird die Geometrie als STEP-Datei (AP242) ausgeleitet und in System 1 und drei weitere exemplarische Systeme importiert.
Bild 3 zeigt die Importergebnisse. Es wird kontrolliert, ob die Koordinatensysteme PCS, MCS und CIP korrekt ausgetauscht werden. Zusätzlich wird die korrekte Einfärbung des NOCUT-Bereichs, des CUT-Bereichs sowie der CUTLINE verifiziert. Ausserdem wird getestet, ob der NOCUT- und der CUT-Bereich als Volumenkörper übertragen werden. Es werden lediglich 72 Prozent der geforderten Informationen exakt übertragen. Eine unzureichende Übertragung ist bei 16 Prozent zu erkennen. Bei 12 Prozent der Daten wurden die Informationen abgeändert, befinden sich jedoch im normkonformen Bereich [4].
Die Ursachen für die unzureichend übertragenen Daten sind vielseitig. Als Beispiel wird die fehlerhafte Einfärbung der Schneidteillinie (Fehler 2 in Bild 3) herangezogen. Die betrachteten Systeme benötigen einen unterschiedlichen Bedarf an Informationen. Es werden verschiedene Daten benötigt, um ein Objekt korrekt interpretieren und anzeigen zu können. In Bild 4 sind die notwendigen Entitäten für die Repräsentation der Schneidteil­linie in der STEP-Datei nach dem Export aus dem Quellsystem dargestellt.
Werden die abgebildeten Informationen um bestimmte Entitäten ergänzt, kann der Import in das Zielsystem fehlerfrei durchgeführt werden. Der zielsystemkonforme Aufbau kann ebenfalls Bild 4 entnommen werden. Folglich können neben inhaltlichen Prüfroutinen kompatibilitätsbezogene Verfahren im Fertigungsprozess eingesetzt werden, um Austauschdateien hinsichtlich eines zielsystemkonformen Aufbaus zu überprüfen. Stellt sich heraus, dass sich der Aufbau zwischen Ziel- und Quellsystem unterscheidet, kann die Austauschdatei entsprechend angepasst werden, um Kompatibilitätsprobleme zu verhindern [12].
Wie den Beispielen zu entnehmen ist, stehen Anwender immer noch vor grossen Herausforderungen, die einem effizienten Datenaustausch entgegenstehen. Indem der Inhalt und die Kompatibilität von Austauschdateien gezielt überprüft und angepasst wird, kann die Qualität von Austauschdateien verbessert werden. Analyse- und Korrektur-Anwendungen können den Anwender unterstützen, den Austausch zwischen verschiedenen Systemen zu verbessern [13, 14].

Aktuelle Forschung am LSCAD
Am LSCAD (Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD) wird bereits seit Jahren an der Problematik des Datenaustauschs geforscht.
Im Rahmen des Projekts ViWAT (Virtueller Werkzeugdaten Austausch Transformator) wird ein effizientes und leicht zu bedienendes Softwareprogramm zur Verbesserung des Datenaustauschs konzeptioniert und entwickelt [15]. Das Projekt ist EFRE (Euro­päischen Fonds für regionale Entwicklung) gefördert und wird an die Anforderungen der beteiligten Unternehmen angepasst. Die Anwendung dient zur eigenständigen Analyse, Kontrolle und Verbesserung von Austauschdaten hinsichtlich des Inhalts und der Kompatibilität. Durch flexibel erweiterbare Konfigurationsdateien können auch Branchen neben der Werkzeugindustrie von den Ergebnissen profitieren [5, 14].


Literatur
[1] Armin Roth: Industrie 4.0 – Hype oder Revolution? In: Armin Roth (Hrsg.): Einführung und Umsetzung von Industrie 4.0: Grundlagen, Vorgehensmodell und Use Cases aus der Praxis. o. A. Berlin Heidelberg: Springer, 2016, S. 1 bis 15.
[2] Claudia Kleinschrodt: Digitale Werkzeuge für die Digitale Fabrik (VDMA-Forum 4.0 auf der EMO 2017). Hannover, 19.9.2017
[3] Walter Frick: Virtuelle Ebenbild: Der digitale Zwilling. www.cimsource.com/coco­deal/downloads.html – Überprüfungsdatum 2020-03-06.
[4] Claudia Kleinschrodt: Analyse und Optimierung des Datenaustauschs von 3D-Modellen: am Beispiel der Übertragung von Werkzeugmodellen mittels STEP. Bayreuth, Universität Bayreuth. 2019.
[5] Johannes Mohr: Konzeptionierung einer Software zur Aufbereitung von 3D-Modellen am Beispiel von Werkzeugdaten nach DIN 4000/4003. Bayreuth, Universität Bayreuth. Masterarbeit.
[6] DIN: DIN 4000-1: Sachmerkmal-Listen – Teil 1: Begriffe und Grundsätze. o. A. Berlin: Beuth, 2012.
[7] DIN: DIN 4003-1: Konzept für den Aufbau von 3D-Modellen auf Grundlage von Merkmalen nach DIN 4000 – Teil 1: Übersicht und Grundlagen. o. A. Berlin: Beuth, 2017.
[8] ISO: Industrial automation systems and integration – Product data representation and exchange (ISO 10303): Part 242: Application Protocol: Managed Model-Based 3D Engineering. 1. Aufl. Schweiz: ISO, 2014.
[9] Reiner Anderl und Dietmar Trippner: STEP STandard for the Exchange of Product Model Data: Eine Einführung in die Entwicklung, Implementierung und industrielle Nutzung der Normenreihe ISO 10303 (STEP). 1. Aufl. Stuttgart, Leipzig: Teubner, 2000.
[10] DIN: DIN 4003-81: Konzept für den Aufbau von 3D-Modellen auf Grundlage von Merkmalen nach DIN 4000 – Teil 81: Bohr- und Senkwerkzeuge mit nicht lösbaren Schneiden. o. A. Berlin: Beuth, 2017.
[11] DIN: DIN 4000-81: Sachmerkmal-Listen – Teil 81: Bohr- und Senkwerkzeuge mit nicht lösbaren Schneiden. o. A. Berlin: Beuth, 2017.
[12] Claudia Kleinschrodt and Frank Rieg: Normalisation of STEP files for improving the data compatibility of transferred tool models. In: Technical Gazette 5 (2017), Nr. 24, S. 201 bis 205.
[13] Johannes Mohr, Claudia Kleinschrodt, Tobias Siegel, Frank Rieg: Entwicklung einer Beschreibungssprache zur Analyse und Behebung von Datenaustauschproblemen. In: Burkhard Corves, Kilian Gericke, Karl-Heinrich Grote, Armin Lohrengel, Norbert Müller, Arun Nagarajah, Frank Rieg, Gerhard Scharr
und Ralpf Stelzer (Hrsg.): Agile Entwicklung physischer Produkte. o. A. Aachen: RWTH Aachen, 2019, S. 74 bis 85.
[14] Claudia Kleinschrodt, Johannes Mohr, Markus Zimmermann und Frank Rieg: Konzeptionelles Design zur softwaregestützten Analyse und Modifikation von Produktdaten, Bd. 16. In: Klaus Brökel, Arun Nagarajah, Frank Rieg, Gerhard Scharr und Ralpf Stelzer (Hrsg.): Digitalisierung und Produktentwicklung. o. A. Bayreuth: Universität Bayreuth, 2018, S. 156 bis 167.
[15] LSCAD: ViWAT: Virtueller Werkzeugdaten Austausch Transformator. www.konstruk­tionslehre.uni-bayreuth.de/de/forschung/projekte/viwat/index.html – Überprüfungsdatum 2020-03-06.

ZU DEN AUTOREN
Johannes Mohr, M.Sc., Dr.-Ing.
Claudia Kleinschrodt und
Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
Universität Bayreuth
Konstruktionslehre und CAD
Universitätsstrasse 30
D-95447 Bayreuth

T +49 (0)921 55 7224
www.uni-bayreuth.de
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