H elm ut BLEY, A rm in MISCHO
Lehrstuhl für Fertigungstechnik/CA M
U niversität des Saarlandes, Saarbrücken, D eutschland
AKQUISITION UND IM PLEM ENTIERUNG VON NC-DETAILPLANUNGSWISSEN
K urzfassung. N C-Program m iersystem e erleichtern die E rstellung von N C -Program m en, eine um fassende H ilfestellung, die auch den kom plexen D etailplanungsprozeß unterstützt, bieten sie jedoch nicht. D ie vorliegende A rbeit liefert einen Beitrag zur E rforschung von Planungssy
stemen, die die D etailplanung unterstützen, wobei die ad ä q u ate R epräsentation des P lanungs
wissens für das N C-D rehen im V ordergrund steht. D azu w erden die grundlegenden H an d lungsabläufe und Strategien m odelliert. W issensschichten und A usw ahlm odelle helfen weiterhin, das technologische W issen zu klassifizieren, aber auch in bezug auf die W issensver
arbeitung abzubilden.
L Stand der Technik
l.L CAD/NC-Technik
In der technischen A uftragsabw icklung bildet die Inform ationsintegration zwischen CAD und nachgeschalteten Bereichen, wie beispielsw eise CAP, einen w ichtigen Schritt auf dem Weg zur Realisierung einer CIM-Komponente. Die CA D /N C -V erfahrenskette ist ein Beispiel für eine funktionierende System kopplung: Z um indest G eom etriedaten, die ein CAD-System b ereit
stellt, w erden an die N C-Program m ierung w eitergeleitet. M it E inführung der Schnittstelle STEP [1] wird in nah er Z ukunft eine Norm zur V erfügung stehen, die neben geom etrischen Inform ationen auch technische A nforderungen an das Produkt überträgt. In Teilbereichen exi
stieren allerdings schon heute Systeme, mit deren Hilfe P roduktm odelle für einfache W erk
stücke zur autom atischen W eiterverarbeitung erstellt w erden können.
CAD-System
_
Zeichnung
manuell
i
N C-Code
I
manuell
I I I
Standard Fo rm elem ente Varianten
maschinell teilautom atisch vollautomatisch
t t t
NC-Systern " " ... |
A b b ildung I . A uto m a tisieru n g sstu fen d er C A D IN C -K opplung
Prinzipiell können die A utom atisierungsstufen nach A bbildung 1 bei der N C -Program m ierung unterschieden werden: N eben der vollständig m anuellen Eingabe des P rogram m codes, also der P rogram m ierung von d er Zeichnung, kann die Erstellung eines T eileprogram m es z. B. m it einem auf die N C-Problem atik abgestim m ten G eom etriepaket und einer sich anschließenden Definition der B earbeitung m ittels eines N C -Program m iersystem s erfolgen. Teilw eise finden CAD-Ausleitungen der K ontur in der DIN 66025-Sprache [2] der M aschinensteuerungen statt, die somit ein N C -R um pfprogram m bilden. Ü b er S tandardschnittstellen besteh t die M öglich
keit, K onturen z. B. im w eit verbreiteten IG ES-Form at einzuladen. Ü b er an K onturelem ente angehängte A ttribute kann w eiterhin die A barbeitung von M akroaufrufen im P rogram m iersy
stem initiiert w erden, um dam it die Program m ierung etwa in V erbindung m it d er V aria b len technik quasi vollautom atisch ablaufen zu lassen. Bei speziell aufeinander abgestim m ten CAD/CAM -Systemen w erden so auch Technologiedaten wie Toleranzen, O berflächengüten, W erkstoffdaten etc. übernom m en. W eitreichendere H ilfestellungen, die insbesondere den P ro
gram m erstellungsprozeß in seinem kom plexen W irkungsgefüge berücksichtigen, beginnend bei der W erkstückinterpretation über die U m setzung von H andlungen in konkrete Schritte bis hin zur Betriebsm ittelausw ahl, existieren jedoch nicht. Die Bereitstellung von R echnersyste
m en für diese A ufgabenstellung steht allerdings im M ittelpunkt vieler laufender F orschungsak
tivitäten [3, 4, 5].
1.2. CAPP-Technik
Die Forderung, R echner bei der A rbeitsplanung (Com puter A ided Process Planning/CA PP) einzusetzen, reicht über 25 Jahre zurück [7, 8]. K onsequente S ystem atisierungen der P lanungshilfen legten diesen Schritt nahe. Bestanden bei der konventionellen P lanung die Planungsunterlagen aus E rfahrungsw erten und persönlichen A ufzeichnungen, liegen der system atisierten P lanung N orm en, W erkzeugkataloge, Schnitt- und Z eitrichtw erttabellen usw.
zugrunde. D er Gedanke des R echnereinsatzes stützt sich nun darauf, diese P lanungsunterlagen als D ateien im System zu hinterlegen, die Planungsm ethoden in Software zu verankern und beide Elem ente m iteinander kom m unizieren zu lassen. Die A rbeitspläne selbst w erden m ittels D atenbank verw altet und stehen über K lassifizierungs- und Identifizierungsschlüssel jederzeit zur Verfügung. In CA PP-System en w erden A rbeitsvorgangsfolgebestim m ung, F ertigungsm it
telzuordnung, N C -Program m ierung, V orgabezeitenerm ittlung als Subsystem e realisiert, die sowohl funktional als auch logisch m iteinander in V erbindung stehen.
Trotz vielfältigster A nstrengungen, die im B ereich der Entwicklung von CAPP-System en u n te r
nom m en w orden sind (über 200 System e w urden bislang weltweit entwickelt), läß t der große D urchbruch bezüglich ihres breiten E insatzes a u f sich warten. Das L eistungsverm ögen ist noch zu weit von dem entfernt, was die betriebliche Praxis fordert. Ein besonders w ichtiger T eilas
pekt b esteht hierbei darin, wie die einzelnen W issensquellen im R echner ad ä q u at re p räse n tie rt w erden können. D ieser Punkt stellt zugleich die Eignungsvoraussetzung für eine erfolgreiche A nwendung in der betrieblichen Praxis dar [3, 6].
Beim L iteraturstudium ist gleichfalls festzustellen, daß derzeit keine tiefgreifenden U n tersu chungen bezüglich der V orgänge bei der N C -D etailplanung in ihrer A ufgabenkom plexität exi
stieren. W enn, dann bleiben sie in allgem eingültigen, unverfänglichen A ussagen stecken. Z u
gleich fehlt es auch an einer M ethodik, wie jenes Einzelw issen in W issensbasen zu strukturieren ist, um Inkonsistenzen bei der W issensverarbeitung zu verm eiden.
2. M o d e llb a sierte r A nsatz z u r W issensakquisition
R echnersystem e können nur m it dem W issen arbeiten, das in ihren System strukturen bei der Im plem entierung verankert w urde [9]. Mit dem R ealisierungsziel, ein Softw aresystem so intel
ligent, einfach und übersichtlich wie nur m öglich zu gestalten, ist es unabdingbar, ein G esam t
problem in Teilproblem e aufzuspalten und das benötigte Lösungsw issen strukturiert im Sy
stem ansatz zu verankern. Die Analyse des Problem bereichs und die Form ulierung der System aufgabe bilden hierzu die ersten Schritte au f dem Weg hin zur Erstellung eines System konzeptes und eines entsprechenden Problem lösem odells. D aher ist im ersten Schritt ein for
m ales logisches Modell zu erstellen, das sowohl die Struktur als auch das funktionale V erhal
ten des zu m odellierenden System s m it seinem W issen enthält. E rst danach kann m it der Zuordnung von W issen und dessen Im plem entierung begonnen werden.
A bstraktion
Í Analyse-Raum • Design-Raum
Epistemologische Ebene
[ M t J Konzeptuelles ModelT) — [~ M2 | Funktionales Design Modell
Voruntersuchung
Analyse und .
grober Entwurf \ Detailanalyse/Logik
I [~M 3 I Physikalisches Design M o d e lP ) Rapid-Prototyping >
^ A
^
[M O T L in g u is tis c h e s M odelT) 1 [T t4 | Im plem en tieru ngsm o delQ Kodierung
A b bildung 2. M odelle des K A D S-A nsatzes na ch [10] S ystem entw icklu ng
Eine m odellbasierte W issensakquisition (s. A bb. 2) u nterstützt diese Forderung [10]: W issens
erhebung, Problem lösem odell und Im plem entierung w erden voneinander getrennt. M it einem im plem entierungsfem en E rfassen und Strukturieren von W issen gelingt es zum einen, relevan
te H andlungsabläufe und Strategien aufzuzeigen. D urch ein system atisiertes H erangehen an die Problem atik wird aber auch erreicht, daß die P roblem stellungen tran sp aren ter und auf
grund ihrer Strukturierung durchschaubarer werden. D adurch wird der P roblem löseprozeß diskutierbar und erleichtert dam it die Erstellung eines P roblem lösem odells. D iese V orgehens
weise verhindert zudem eine direkte O rientierung an den W issensrepräsentationsform alism en und Inferenzm echanism en des Entwicklungswerkzeuges.
U m die A nw enderakzeptanz w eiterhin zu steigern, m uß m an sich im H inblick au f die Im ple
m entierung die Frage stellen, durch welche speziellen M ethoden oder Techniken bestim m tes
W issen im R echner gespeichert w erden kann. D abei wird stets das Ziel verfolgt, geeignete R epräsentationsm ethoden zu verwenden. D ies kann dazu führen, daß eventuell W issen fallbe- zogen m odelliert und dadurch m anchm al das gleiche W issen in unterschiedlicher F orm re p rä sentiert wird. W issensbasierte Systeme leisten zu diesem Problem feld einen Beitrag, da sie die R epräsentation von W issen in sym bolischen A usdrücken erlauben und dam it die D arstellung und V erarbeitung von W issen in einer großen Breite erm öglichen. So zeigen sich bestim m te P rogram m iersprachen, W issensrepräsentationsform alism en und Program m iertechniken als besonders geeignet, was sich in den heute zur Verfügung stehenden Softw areentw icklungsum gebungen, den sogenannten Shells, ausdrückt. D iese w erden als universelle W erkzeuge auf dem M arkt angeboten, die die Entwicklung von E xpertensystem en unterstützen und dam it ihren E ntstehungsprozeß vereinfachen.
3. M odellstrukturen für das NC-Drehen
Eine vollständige R epräsentation des Planungsw issens ist dam it die G rundvoraussetzung (aber auch das K ernproblem ) für den erfolgreichen E insatz eines intelligenten Softw aresystem s. So
m it können System e für die Praxis nur aus der Beobachtung der Praxis heraus entstehen.
G rundvoraussetzung hierfür ist zunächst, daß eine „gem einsam e” Sprache vorliegt, die eine Beschreibung des Problem feldes aus dem Blickwinkel und in der S prache eines N C-Program - m ierers entspricht. D as A ufstellen dieses fachspezifischen, sicherlich auch betriebsspezifi
schen V okabulars bildet so die G rundlage für die explizite W issensdarstellung.
Die Beobachtung eines E xperten bei der Erstellung eines D reharbeitsplanes und seine U m set
zung in NC-Code lassen folgende P hasen der D etailplanung erkennen [11]:
• W erkstückanlayse und -interpretation
• Rohteildefinition
• Festlegung der Werkzeugmaschine
• Bestimmung der Einspannsituation
• Spannmittelauswahl
• Festlegung d er B earbeitungsstrategie
• Erstellung der Bearbeitungsreihenfolge
• Detaillierung der Schritte mit
Werkzeugauswahl und technologischer Werteermittlung
• Umsetzung in NC-Code
D ieses G erüst bildet zugleich das Planungsverlaufsm odell, wobei die erste P hase um das E in leiten des W erkstückm odells aus dem CAD-System ergänzt wird und die letzte P hase aus der U m setzung des generierten A rbeitsplanes in die P rozedursprache eines NC-Program m iersy- stem s besteht.
D er P lanungsphilosophie liegt dabei folgendes Prinzip zugrunde [12]: B earbeitungssituationen m üssen e rfaß t und ein er B earbeitungsstrategie zugeordnet w erden. Eine U nterteilung des
W erkstückes in Z erspanflächen und -räum e wird hierzu durchgeführt und eine Zuordnung von F ertigungshinw eisen an die W erkstückbeschreibung bezüglich d er F orm erzeugungsverfahren in A nbetracht der Toleranzen und O berflächengüte vorgenom m en. Folgende A bbildung 3 ver
deutlicht dieses Konzept:
X f ---^ — ' ---
plandrehen plandrehen, zentrieren
A b b ild u n g 3. Zuordnung d er Fertigungshinw eise zur W erkstückbeschreibung (B eispiele)
Diese V orgehensw eise orientiert sich zugleich an dem P rozeß des E rlernens der D rehtechnolo
gie. D ort w erden zunächst die möglichen B earbeitungsverfahren und dam it die M öglichkeiten, F lächen zu erzeugen, vorgestellt, dam it der A uszubildende in Z ukunft W erkstückflächen mit diesen B earbeitungsverfahren identifizieren kann. D iese B earbeitungsoperatoren können sich dabei au f einzelne Flächen beziehen (z. B. G ew indedrehen), au f zwei (wie beim Bohren) oder m ehrere F lächen (Schlichten) sowie auf Fertigungsbereiche (Schruppen). F ertigungsbereiche w erden insbesondere durch K onturm onotonien gebildet und sind dam it von der E igenschaft geprägt, zusam m enhängende F lächen zu repräsentieren, die gem einsam erzeugt w erden kön
nen.
A ufgrund d er Z uordnung von zu erzeugenden F lächen zu B earbeitungsverfahren (Drehen, Bohren, Senken, S te c h e n ,...) sowie Z erspanflächen und -räum en zu den E inspannungen kann nun die B earbeitungsreihenfolgeplanung je Einspannung erfolgen. D ie zur V erfügung stehen
den Fertigungsoperatoren w erden auf das W erkstück zur Z erspanung angew endet. A ufgrund der Anw endung von O peratoren auf drehtopologische Z erspanungsräum e kann zudem auf eine W erkzeugoptim ierung verzichtet werden. Das zur D etaillierung der B earbeitungsschritte benötigte Technologiew issen läßt sich nach verschiedenen A spekten ordnen, so etw a nach w erkstückorientierten, program m iertechnischen oder verfahrenstechnischen G esichtspunkten.
Es dient zum einen der Festlegung technologischer D etails, zum anderen wird es für A usw ahl
vorgänge und strategische A ufgaben, z. B. für die A uslösung bestim m ter Planungsvorgänge, herangezogen. Bei seiner Anw endung wirkt dieses aktive W issen au f Inform ationen, die die D om äne m it ih ren Betriebsm itteln und der aktuellen P lanungssituation beschreiben.
Aus diesen G ründen w erden zur M odellierung des W issens die b eiden prinzipiellen W issensar
ten O bjektwissen und A nw endungswissen unterschieden [12] (s.a. Abb. 4): Objektwissen be
schreibt zum einen die W erkstatt m it ihren Ressourcen, die zur Bearbeitung eines W erkstückes zur V erfügung stehen. Som it wird hier das W issen über vorhandene R ohm aterialien, W erk
zeugm aschinen, Spannm ittel und W erkzeuge niedergelegt, das in S um m e das W erkstattm odell bildet. Z usätzlich w ird das V okabular zur verbalen Beschreibung eines W erkstückes m it seinen planungstechnischen E igenschaften sowie eines A rbeitsplanes m it seinen N C-spezifischen
Funktionen definiert. W ährend Objektwissen „statisches” W issen beschreibt, ist im A nw en
dungsw issen das W issen niedergelegt, das die Objekte aus der W erkstatt m iteinander in bezug au f die H erstellung eines W erkstückes kom biniert und die V orgehensweise im N C-D etailplan definiert.
R e p rä s e n ta tio n s
form W isse n sa rte n
Regeln Strategiewissen
- - - - Prozeduren
Regeln Reihenfolgeplanungswissen
*t>
Relationen
Regelkonzepte Handlungswissen
K *.
Regeln
M ethoden Detailwissen
Fram es Beschreibungswissen
Anwendungswissen
Objektwissen
A b bildung 4. W issensarten u n d ihre R epräsentationform en
Anwendungsw issen kann in w eitere E inheiten gegliedert werden, die m iteinander in V erbin
dung stehen: So legt die Strategieschicht beispielsw eise heuristisch fest, m it welchem V erfah
ren drehtopologische R äum e zerspant w erden sollen oder wie die E inspannsituation für die Detailplanung zu erm itteln ist. Die R eihenfolgeplanung, die prinzipiell heuristisch geprägt ist, aber auch prozedurale A nteile besitzt, verknüpft ihrerseits Fertigungselem ente und konkrete Handlungsanw eisungen. H andlungsw issen zeigt nach dem Situationskalkül auf, w elches D e
tailw issen in bestim m ten Situationen einzusetzen ist. In der D etailw issensebene befindet sich schließlich z. B. das W issen, das für A usw ahlvorgänge zur Eingrenzung der L ösungsm enge (Grobauswahl, Feinausw ahl, Bestausw ahl) und für die A ufrechterhaltung einer konsistenten Lösung verantw ortlich ist (vgl. Abb. 5). D ieses teilweise auch heuristische W issen liegt wie in einer Bibliothek gegliedert nach sachlichen Bereichen vor und inferiert letztlich über das W is
sen, das in der Objektw issensebene definiert bzw. im Planungsprozeß schon erm ittelt w orden ist.
| Auswahlmodell |
I
~
fffVorbereitung [ff
-
1
• ] Restriktionen
-j Aust^ahmen [
Sam m eln/Auswerten von Fakten
Vorauswahl von Elementen
Reduktion der Elem entem enge
Kon)i:kt"|c—► | Auswe;chwissen|
j Präferenz | I I Folgerur gen |
Entscheidung für ein Element
Schlußfolgerungen
A b b ildung S. A usw ahlm odell
Bezüglich der A blaufstruktur zur Lösung d er T eilproblem e wird ein vereinheitlichtes Modell (Abb. 5) eingeführt, mit dessen H ilfe die D etailplanung als verketteter A usw ahlprozeß be
trach tet wird. Jeder Schritt zeigt dazu auf, welche V oraussetzungen, R estriktionen und P räfe
renzen gelten, welche Folgen resultieren und wie au f K onflikte reagiert w erden soll. D urch diese A rt d er Identifikation des E xpertenproblem lösew issens gelingt ein übersichtliches Sam m eln in W issensbibliotheken. H ierdurch kann zugleich die K om plexität der D etailplanung mit ihren Lösungsm ethoden auf wenige überschaubare Z usam m enhänge reduziert und W idersprü
che frühzeitig erkannt werden.
Die generelle A nforderung, die an ein w issensbasiertes System gestellt wird, besteht darin, daß es sich durch eine einfache B eschreibung (Syntax) auszeichnen soll, die sich an der T erm inolo
gie der D om äne orientiert. Dies setzt voraus, daß zugleich eine konzeptuelle N ähe von R eprä
sentationsform alism en und Expertenterm inologie existiert. Z u r Realisierung w erden daher, wie in A bbildung 4 gezeigt, für das A nw endungsw issen Regelkonzepte, aber auch die objekt
orientierte Program m ierung verwendet. U m die V ielzahl an R essourcen und ihre realen A us
prägungen in der O bjektwissensebene zu repräsentieren, bietet sich eine R epräsentation m it
tels F ram es an.
4. Zusam m enfassung
D a es nie nu r die eine D etailplanung geben kann, ist eine strukturierte Sam m lung und A ufbe
reitung des Planungsw issens die G rundvoraussetzung, ab e r auch das K ernproblem bei der E rstellung eines intelligenten Softw aresystem s. F ür diesen W issensakquisitionsprozeß leistet die vorliegende A rbeit eine Hilfestellung: Sie stellt ein Planungsm odell vor, in dem sich wohl viele A rbeitsplaner w iederfinden können, und u nterstützt dam it die E rforschung von System en zur generativen A rbeitsplanung. E insatzfelder gibt es som it im m er dort, wo es darum geht, bei im m er g rößer w erdender Produktvielfalt optim ale und aktuelle A rbeitspläne unter d erzeit exi
stierenden W erkstattbedingungen zu erzeugen.
Im vorliegenden Fall beruht das System m odell auf ein er A ufspaltung der G esam tproblem atik in T eilaufgaben, die ein hierarchisches Planen erlauben. Z u r W issensstrukturierung wird das für die Lösung eines Problem s benötigte W issen A ufgabenkontexten zugeordnet, aber auch Relationen in bezug auf ein A blaufm odell w erden hergestellt. D am it wird die A blaufstruktur zur V erkettung des W issens zur Problem lösung definiert und som it bestim m t, w ann welches W issen zur Anw endung kommt. Zu einem Z eitpunkt w ird som it nu r das W issen b etrachtet, das auch wirklich einen Beitrag zur jeweiligen P roblem stellung leisten kann. Mit dieser strukturier
ten V orgehensw eise gelingt zum einen eine offene W issensdarstellung, zum anderen können W idersprüche leichter verm ieden w erden. Z u r Problem lösung w erden im im plem entierten Sy
stem Technologieregeln au f einen fram ebasierten W issensrepräsentationsform alism us ange
w endet, der um R elationenaspekte und um M ethoden (Objektorientierung) erw eitert ist. H euri
stiken, die eine sinnvolle Lösung generieren, verm eiden die kom binatorische Explosion.
D etails w erden ebenfalls über Inferenz bestim m t. D am it gelingt es, den Inform ationsgehalt der W erkstückzeichnung m it H ilfe des D etailplanungsw issens zu einem NC-D etailplan zu erwei
tern, um daraus das N C-Teileprogram m abzuleiten.
D ieses Konzept wurde am Lehrstuhl für Fertigungstechnik/CAM in Form des funktionsfähigen Prototyps WLPLAN implementiert. WEPLAN untermauert das vorgestellte Konzept und zeigt damit neue Wege auf, eine intelligente CAD/NC-Kopplung zu realisieren.
LITERATURVERZEICHNIS
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[12]Mischo, A.: M odellbasierte A kquisition und Im plem entierung des technologischen W is
sens für die N C -D etailplanung. D issertation. U niversität des S aarlandes, L ehrstuhl für Fertigungstechnik/CA M , Schriftenreihe Produktionstechnik, Band 3, S aarbrücken 1993.
Gutachter: Wojciech Cholewa
