Forschungsvorhaben opencbm als flexibel konfigurierbare Systemplattform für eine integrierte CAD-CAM-NC-Prozesskette

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1 Forschungsvorhaben opencbm als flexibel konfigurierbare Systemplattform für eine integrierte CAD-CAM-NC-Prozesskette Einleitung und Ausgangssituation Zur Abwicklung der Prozesse in der Auftragsabwicklung von Unternehmen ist die Unterstützung unterschiedlichster IT-Systeme heute unerlässlich. Besonders in der Produktentwicklung und Arbeitsvorbereitung kommen Softwarelösungen (CAD-/CAM-/NC-Systeme) zum Einsatz, die einen Beitrag zur Steigerung der Produktivität in indirekten Bereichen leisten. Die Integration der IT-Systeme in die Prozesse und Teilprozesse der Arbeitsvorbereitung ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass die vielfältige Systemlandschaft deren Produktivität maßgeblich mitbestimmt. Die Systemlandschaft der CAD- CAM-NC-Kette besteht aus CAD-Systemen zur Erstellung technischer Zeichnungen und dreidimensionaler Volumenmodelle bis hin zu NC-Systemen, die die Steuerungsbefehle von CAM-Anwendungen in Bewegungsinformationen für Bearbeitungsmaschinen umwandeln. Die heutigen CAD/CAM-Systeme sind meistens geometriezentriert und unterstützen häufig nur ein spezielles Fertigungsverfahren optimal. Daher müssen viele kmu entsprechend des vorhandenen Maschinenparks und der unterschiedlichen Fertigungsverfahren auf mehrere CAD/CAM-Systeme gleichzeitig zurückgreifen. Die einzelnen Systeme sind in vielen Fällen nicht von einem einzigen Hersteller, so dass es beim Datenaustausch untereinander zu Komplikationen kommen kann (Bild ). Planung/ Konzeption Konstruktion Berechnung/ Arbeitsplanung NC- Planung NC-Programmierung NC- Fertigung Datenmanagement/ Workflowmanagement Ablaufvarianten im Prozess durch Systemvarianten, bestgeeignete Lösungen nicht immer kombinierbar 3 3 CAD CAD CAM CAD PP CAD CAD CAM PP NC NC Informationsverluste und Schnittstellenaufwände durch Medienbrüche CAD n CAE CAM n PP n NC n 3 Zeitaufwändige Iterationsschleifen PLM ERP - MES Bild : Hauptdefizite der CAD-CAM-NC-Kette

2 Aus der Ausgangslage wird deutlich, dass enorme Potentiale für leistungsfähigere CAM-Systeme erschließbar sind, wenn bestehende, heute in proprietären Systemen eingebundene und damit nicht zugängliche CAM-Module aufeinander abgestimmt in einer Systemumgebung betrieben werden könnten. Auf dieser Basis können die sich ergänzenden, teilweise aber auch redundanten und in ihren Datenbeziehungen nicht kompatiblen CAM-Systeme, die in einem Unternehmen aus den unterschiedlichsten Gründen betrieben werden, auf einen Systemansatz zurückgeführt werden. Hier setzt das open Computer-Based Manufacturing (opencbm) an, für das im gleichnamigen Forschungsvorhaben Untersuchungen und Konzepte erarbeitet und beschrieben wurden. opencbm ist demnach kein neues CAM-System, sondern in erster Linie ein Konzeptansatz, alle Anforderungen eines CAM-Systems in einer neuen, umfassenden und offenen Plattform zusammenzuführen und dabei für weitere noch nicht bekannte Anforderungen offen zu bleiben. Bei der Konzepterarbeitung sind sowohl die geometrischen, technologischen, organisatorischen und logistischen Ansprüche bestehender CAM-Systeme als auch moderne Möglichkeiten der verteilten Softwareentwicklung, wie SOA (Service Oriented Architecture), WEB-Technologien (Kommunikation und Service), Datenaustauschstrukturen und Frameworksysteme, untersucht und aufeinander abgestimmt in ein Gesamtkonzept überführt worden. Der Grundgedanke des Ansatzes liegt in der Möglichkeit, ein Softwaresystem nach Bedarf aus einzelnen Bausteinen zusammenzustellen, wobei der modulare Ansatz die schnelle Implementierung und Konfiguration von Softwaresystemen in einer Weise ermöglicht, die die Qualität der Anwendung sowie die Produktivität erhöht (Bild ). C A D Operationsplanung Zeitkalkulation Bohrbearbeitung Aufspannplanung.. Featureerkennung Drehbearbeitung Volumenzerspanung Technologieermittlung Fräsbearbeitung,5 D.. Werkzeugermittlung Spannturmbearbeitung 5-Achs-Bearbeitung ERP/PPS Aufträge, Arbeitspläne PLM/ PDM mit Produktdatenmanagement Framework (Bedienoberfläche, Modellierfunktionen, Funktionsansteuerung, Import- / Exportfunktionen), z.b. basierend auf Hoops ) und/oder Open Cascade ( Kap...3) Zentrale (Meta-) Datenmodelle / -Datenbank z.b. basierend auf dem STEP/NC-Datenmodell ( Kap..3) Modulare CAx-Funktionen (Beispielhafte Darstellung) Standardisierte Schnittstellen zwischen den Funktionsmodulen und zur Metadatenbank Bild : Ansatz der opencbm-plattform Tool- und Technologiemanagement

3 3 Zunächst wurde das opencbm-szenario entlang einer durchgängigen CAD-CAM-NC-Prozesskette präzisiert (Bild 3). Der im Vergleich zum vorherrschenden Status Quo neuartige Ansatz bedingt dabei den Aufbau detaillierter Use Cases, die in ihrer Gesamtheit das Szenario beschreiben, unter dem o- pencbm umgesetzt werden kann. Auf Basis der Use Cases wurden Referenzprozesse definiert, die die Anwendung des opencbm-ansatzes im Unternehmen ermöglichen. Die Referenzprozesse sehen eine skalierbare Integration der Funktionsmodule in die Unternehmensprozesse vor, um eine Einführung von opencbm auch in sukzessiven Teilschritten zu ermöglichen. Die opencbm-referenzprozesse sind generische Teilprozesse, die als Basis für die Gestaltung der Unternehmensprozesse und der IT-Systemlandschaft entlang der CAD-CAM-NC-Kette dienen sollen. Planung von Use-Cases auf Basis identifizierter Anforderungen Service Provider Prozess IT Anwender Anforderungsprofile aus Use Cases Assoziativität Auslegung geeigneter Referenzprozesse Vermeidung von Medienbrüchen Nutzung von best-in-class Funktionalität Gestaltung eines Frameworks zur prozessorientierten Unterstützung auf Basis flexibel konfigurierbarer Funktionsmodule Workflow-Unterstützung Metadatenmodell Bild 3 : Teilziele des Forschungsvorhabens zur Erreichung des Gesamtergebnisses Aus der Analyse der Use Cases gehen zahlreiche Stakeholder hervor, die für ein durchgängiges opencbm zusammenwirken müssen. Wegen der damit verbundenen technischen und organisatorischen Komplexität bietet sich die Definition von Stufen an, die bei einer Frameworkumsetzung nacheinander durchlaufen werden können, aber auch bereits für sich einen Mehrwert aufweisen (Bild 4). Die einzelnen Stufen nehmen in Bezug auf die realisierte Integrativität der Applikationen hinsichtlich der ausgetauschten Daten und der vernetzten Funktionalität sukzessive zu.

4 4 opencbm-3 opencbm- opencbm- CAM-System/ Modul A CAM-System/ Modul B Funktionale Systemvernetzung Workflow Management, EDI Gemeinsamer Zugriff auf CAD-CAM-Daten CAM-System/ Modul C EDI Electronic Data Interchange Bild 4: Realisierungsstufen eines opencbm-frameworks Aus der Untersuchung unterschiedlicher CAD/CAM-Systeme wurde deutlich, dass die Planungsschritte in den Systemen trotz teilweise unterschiedlicher Funktionalitätsausgestaltung im Wesentlichen übereinstimmen. Somit können die ermittelten systemspezifischen Planungsvorgehensweisen in einem verdichteten generischen Planungsworkflow zusammengefasst werden, der mit geringfügigen Modifikationen auf die einzelnen Systeme übertragen werden kann. In Bild 5 sind die Funktionsblöcke der NC-Planung in einer Prozessfolge abstrahiert und vereinfachend dargestellt. - Fertigteilgeometrie - Rohteilgeometrie - Spannmittelgeometrie Aufspannsituation festlegen Bahn- und Technologieplanung - Bearbeitungsbahn (Schnittwege, An- und Abfahrbewegungen, Rückzugsebenen) - Schnittwerte (Vorschub, Drehzahlen) - Spezifische Maschineneinstellungen - Fertigungsdokumentation (Bearbeitungsfolgen, Werkzeugliste, Aufspannsituationen) NC- Programmgenerierung Bearbeitungsgeometrien definieren Werkzeugauswahl Allgemeine Bearbeitungssimulation - NC-Programm - Baugruppe (Aufspannung) - Bearbeitungsbereiche (Flächen, Konturen) - Nullpunkte - WZ-Geometriedaten - WZ-Steuerungseinstellungen Zusammenführung bzw. Auftrennung paralleler Prozesse Zusammenführung bzw. Auftrennung optionaler Prozesse Bild 5: Datenflüsse bei der NC-Bearbeitungsplanung

5 5 Schließlich wurde ein konkretes Framework der Systeme definiert. Hierzu wurden die vorgesehenen, flexibel konfigurierbaren Funktionsmodule entlang der CAD-CAM-NC-Prozesskette definiert und softwaretechnisch beschrieben. In Bezug auf das Framework wurden folgende Ergebnisse erarbeitet: Detailanalyse zu kapselbaren Teilfunktionalitäten im Bereich der Software zur NC-Planung, - und -Fertigung Konzeption der Rahmenapplikation zur Integration der einzelnen Module (opencbm-framework) Konzept zur automatisierten Einbindung und Nutzung von Teilmodulen Definition und softwaretechnische Beschreibung von geeigneten Schnittstellen und Datenformaten Analyse der STEP-NC ISO Standards zum Planungsdatenaustausch (ISO 4649, ISO 0303 AP38) in Bezug auf ihre Eignung und ihre Einschränkungen zur Realisierung der angestrebten Funktionalitäten, insbesondere zur Abbildung der Metadatenbank, in der alle Teilprozesse ihre Ergebnisse abliefern und für die weiteren Planungsschritte zwischenspeichern Richtlinie zur detaillierten Beschreibung der anzubietenden Module (Dienste) Konzeption von Techniken zum Auffinden bestimmter Module Im Rahmen von Demonstrationslösungen wurde ein Framework erarbeitet, das sich zum einen die Grundsätze einer service-orientierten Architektur und moderner Bedienkonzepte (modularer Aufbau einer GUI, Graphical User Interface) zu Nutze macht und zum anderen Grundfunktionalitäten leistungsfähiger CAD-Modellierkerne, Feature-Erkennung, CAD-Solid-Handhabung sowie Zugriffsmodule für die Anbindung von Technologie- und Werkzeugdatenbanken einschließt (Bild 6). OpenCBM-Demonstrator opencbm-framework SyncFusion Manufacturing View AFR Module Module n Calcium Grafik- Handler CAD- Modeller GUI-Grundfunktionalität Solid- Loader Datenbankservice Tool- Explorer VisualStudio.Net, WPF Hoops- Framework SQLServer NetBeans Automatic Feature Recognition Bauteilbibliothek Ressourcen-DB Betriebsmittel Technologiedaten Produktionsdaten Bild 6: Systemarchitektur des opencbm-demonstrators

6 6 Das Projekt opencbm leistet einen nachhaltigen Beitrag zur Weiterentwicklung der CAD-CAM-NC- Verfahrenskette und der zugehörigen Softwareprodukte und Prozesse. opencbm ist zunächst der Nachweis, dass die Idee und die technischen Konzepte für ein offenes CAM-System umsetzbar sind, dass aber für eine tragfähige Lösung noch ein entsprechender Aufwand zu leisten ist. Ein CAM- Systemanbieter, der aufgrund von Restrukturierungs- und Modernisierungserfordernissen seines Systems gezwungen ist, ein Redesign durchzuführen und der ggf. eine Kooperation mit anderen CAM- Anbietern anstrebt, ist erster Ansprechpartner für das vorgestellte opencbm-konzept. Da die Konzepte praxisnah (Einbeziehung existierender Softwarelösungen) erarbeitet worden sind, ist eine hohe Wahrscheinlichkeit der Ergebnisnutzung gegeben, zumal die Erarbeitung in enger Abstimmung mit den Industrievertretern des projektbegleitenden Ausschusses sowie weiteren Projektpartnern der Antragssteller erfolgte. Insbesondere die rapide Verbreitung des SOA-Gedankens in anderen Unternehmensbereichen lässt auf eine Verbreitung des diesem Gedanken folgenden opencbm- Ansatzes im Fertigungsbereich hoffen. Das Forschungsprojekt wurde durch die Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen in Kooperation mit dem Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen durchgeführt und im Programm zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die AiF als Projektträger gefördert. Das Projekt begann im Dezember 008 und endete im November 00. Weitere Informationen und der Sachbericht zu dem Projekt können über die Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen e. V. ( bzw. über das Werkzeugmaschinenlabor der RWTH ( angefordert werden. Internet: oder