Intelligente Arbeitsvorbereitung auf Basis virtueller Werkzeugmaschinen

Das einführende Kapitel vermittelt eine Übersicht zur Produktionslandschaft Anfang des 21. Jahrhunderts, welche die Basis für das Projekt darstellt. Ausgehend von allgemeinen Beobachtungen und Fragestellungen speziell im Kontext CNC-gesteuerter und spanabtragender Werkzeugmaschinen wird so eine Überleitung zu den Inhalten des Projekts und den behandelten Problemen geschaffen.

Im zweiten Kapitel wird die gewählte Gesamtarchitektur der Dienstleistungsplattform diskutiert, die verschiedensten technischen Anforderungen zwischen der Simulationsschicht und der Fertigungsplanungsebene gerecht werden muss. Darüber hinaus verlangen die Kunden der Branche nach wie vor nach der Flexibilität sich nicht unbedingt in die technische Abhängigkeit eines externen Partners begeben zu müssen.

In diesem Beitrag wird eine Ontologie-basiertes Entscheidungssystem vorgestellt, welches die Auswahl von geeigneten Werkzeugmaschinen durch die Dienstleistungsplattform unterstützt. Die Wissensverwaltung nutzt das Semantic Web zur dynamischen Bereitstellung einer stets aktuellen lokalen Wissensbasis. Die Wissensbasis enthält die Beschreibung aller verfügbaren Maschinen und deren Eigenschaften. Die Informationen über neue verfügbare Ressourcen wie Werkzeugmaschinen und deren Werkzeuge werden bei Bedarf von der Wissensverwaltung aus verfügbaren Linked Data Quellen abgerufen und in der Wissensbasis ergänzt – oder entfernt, wenn Ressourcen nicht verfügbar sind. Die Auswahl der geeigneten Maschinen für ein zu fertigendes Werkstück ist die Aufgabe der Problemlösungskomponente des WBS. Diese nutzt die Informationen der Wissensbasis um aus den Maschinenbeschreibungen die jeweiligen Bearbeitungsfähigkeiten abzuleiten. Die Bearbeitungsfähigkeiten werden anschließend mit den Fertigungsanforderungen des Werkstücks abgeglichen die zuvor vom NC-Interpreter (siehe Abschn. 2.​2.​2.​4) ermittelt wurden. Vor der Freigabe einer alternativen Maschine wird die Bearbeitung zunächst mit einer Software simuliert (Die Simulation erfolgt auf einem Cluster mit virtuellen Werkzeugmaschinen der ebenfalls ein Bestandteil der Dienstleistungsplattform ist, siehe Kap. 6.).

Das vorliegende Kapitel behandelt ein Suchverfahren zur Identifikation nutzbarer Aufspannpositionen und -orientierungen von Werkstücken und Spannmitteln auf dem Maschinentisch des Werkzeugmaschinenarbeitsraumes, die zu einer Fertigungszeitreduzierung und kollisionsfreien Fertigung führen. Das beschriebene Suchverfahren bildet den Kern eines „Setup Optimizers“, der im Rahmen des Leitprojektes InVorMa (Intelligente Arbeitsvorbereitung auf Basis virtueller Werkzeugmaschinen), initiiert durch das Spitzencluster „It’s OWL“, entwickelt wurde. Es werden die einzelnen Entwicklungsmethoden, Experimente und Entwicklungsschritte erläutert sowie wichtige Ergebnisse erster Experimente vorgestellt. Dabei liegt der Fokus auf der Verwendung einer Metaheuristik, hier die Partikelschwarmoptimierung, in Kombination mit einem NC-Interpreter sowie einem Cluster-Algorithmus, der automatisiert Lösungskandidaten generiert.

Das vorliegende Kapitel behandelt die Planung der Fertigung, welche durch die ganzheitliche Betrachtung aller Werkzeugmaschinen zusammen mit anderen Arbeitsplätzen eine kostengünstige Produktion ermöglichen soll. Dieser Teil ist im Leitprojekt InVorMa (Intelligente Arbeitsvorbereitung auf Basis virtueller Werkzeugmaschinen), abgebildet durch den sogenannten „Production Optimizer“. Zur Lösung des Planungsproblems wird entsprechend den Anforderungen der Praxispartner ein Modell erstellt, welches die Planungssituation detailliert abbildet. Dabei findet ein Konzept Anwendung, welches insbesondere auch auf die planbaren und nicht planbaren Ereignisse ausgerichtet ist. Zur Lösung einer solchen Planungssituation können verschiedene Methoden verwendet werden. Zwei von ihnen werden genauer vorgestellt und die Unterschiede ihres Lösungsverhaltens einander gegenüber gestellt. Hierbei handelt es sich um die Lösung mit Hilfe eines gemischt-ganzzahligen mathematischen Modells und eines kommerziellen Solvers auf der einen Seite und der Lösung mit Hilfe einer Metaheuristik auf der anderen Seite. Die Planung ist dabei gekoppelt an die anderen Bestandteile der Dienstleistungsplattform und erhält durch die Auftragseingabe oder die Verifikations- und Optimierungsläufe des „Setup Optimizers“ neue Daten, wodurch eine Planänderung angestoßen werden kann.

Dieses Kapitel fasst alle Aspekte, die im Rahmen des Projekts für die Bereitstellungen von Simulationen in der Cloud entscheidend sind, zusammen. Dabei wird zunächst kurz auf die Problemstellung der Akzeptanz Service-orientierter Architekturen im industriellen Kontext eingegangen, die das Vorhaben neben der technischen Fragestellung begleitet hat. Daraufhin werden die technischen Grundlagen der virtuellen Fertigung von zwei Seiten betrachtet. Einerseits wird erläutert, inwiefern die virtuelle Werkzeugmaschine als Grundlage des Systems für die Umsetzung einer Service-orientierten Architektur angepasst werden muss. Im Anschluss wird die Verwaltung mehrerer Instanzen einer virtuellen Werkzeugmaschine mittels eines virtualisierten Testclusters beschrieben. Im zweiten Teil dieses Kapitels wird es um die algorithmischen Aspekte der intelligenten Verteilung verschiedener Simulation im System gehen, die als Schnittstelle zwischen dem Gesamtsystem und der virtuellen Fertigung fungieren. Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die Anforderungen gelegt, die eine industrielle Anwendung an ein solches Verfahren stellen. Außerdem wird aufgezeigt, inwiefern durch die Architektur der virtuellen Fertigung und des Schedulers automatisch Anforderungen an den Setup Optimizer gestellt werden. Es folgt ein Ausblick, in dem sowohl mögliche technische Weiterentwicklungen wie die Parallelisierung einzelner Simulationen behandelt werden, als auch ein wirtschaftlicher Ausblick, der im Wesentlichen kurz adressieren soll, wie Geschäftsmodelle für das vorgestellte System aussehen können.

Unter dem Schlagwort Industrie 4.0 diskutierte man zu Beginn des Projektes in der Fachwelt teils unklare, aber eindeutig digitalisierungs- und vernetzungsgerichtete Fortschritte, die der Industrie helfen sollten, der weiter steigenden Forderung der Märkte nach schneller verfügbaren und gleichzeitig in höherem Maße individualisierten Produkten weiterhin erfolgreich zu begegnen. Die Annahme, dass die Digitalisierung von Produktionsprozessen und Maschinenbetrieb in Cloud-basierten Systemen Wettbewerbsvorteile bieten wird, hat sich im Projektverlauf weiter bestätigt. Der Ansatz des Projektes war auch rückblickend treffsicher zukunftsträchtig und praxisrelevant.