Wechselwirkungen innerhalb des Cyber-­Physischen Prüfnetzwerks CPPrN mit seinen Elementen Cyber-Phy­sisches Prüf­system (CPPrS) und Cyber-Phy­sisches Prüfobjekt (CPPrO) sowie die ­Ein­bettung in seine Produktions­umwelt (CPPS).

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Das Leitthema 'Industrie 4.0' zielt darauf ab, Cyber-Physische Systeme (CPS) für die Produktion auf- und auszubauen, um künftig Maschinen, Lagersysteme, Betriebsmittel und Produktzustände in Unternehmen horizontal und vertikal entlang der Wertschöpfungskette miteinander zu vernetzen und die zugehörigen Informationen (Big Data) auszutauschen, Prozessschritte anzustoßen und selbstständig zu steuern und zu regeln. Das Modell 'Smart Factory' führt zu einer Produk-tionslogistik, bei der die Produkte ihre Fertigungshistorie mit sich tragen, ihren Zustand kennen und eigenständig die Fertigungswege festlegen.

Industrieunternehmen, die Sensoren und Systeme für die zerstörungsfreie Komponenten- und Bauteilprüfung entwickeln, herstellen und vertreiben, müssen sich diesem Trend stellen, da ihre Technologien ein wesentlicher Bestandteil zur Steuerung oder sogar Regelung der Produktion und der gefertigten Qualität werden.

Cyber-Physische Prüfsysteme ermöglichen eine Wechselwirkung zwischen Prüfung und Fertigung. Dazu gilt es, die Prüfsysteme um Eigenschaften wie Intelligenz, Flexibilität und Wandelbarkeit zu erweitern. So kann sich das Prüfsystem, wie es vom Fraunhofer-Institut IFF in Magdeburg entwickelt wurde, auf Basis eines integrierten Modellwissens adaptiv und selbstständig an sich ändernde Anforderungen anpassen - Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Produkteigenschaften oder der Prüfumgebung.

Wandelbares Prüfsystem

Die Kombination von virtuellem und realem Prüf­system auf Basis der Bauteildaten führt zur modellgestützten Prüfung. Die multimodale Datenauswertung schließt sich an. Daraus abgeleitet erfolgt die Aktualisierung des Bauteilzu­standes im CPPrO.

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Das heißt, das Prüfsystem muss hoch flexibel sein, um ein möglichst breites Spektrum an Anforderungen abzudecken, zum Beispiel unterschiedliche Produkte beziehungsweise Varianten. Und das Prüfsystem muss insofern wandelbar sein, als es sich über einen konstruktiven Schritt ändern beziehungsweise umbauen lässt. Dazu besitzen alle Objekte - also Produkt, Prozess und Prüfsystem - ein digitales Abbild, das Modell. Dieses Modell ermöglicht interdisziplinär eine Verknüpfung virtuell simulierter und real gemessener Prüfdaten zur Konzeption, Optimierung, Ablaufplanung und Durchführung von Prüfungen auf einem hohen semantischen Niveau.

Damit für alle beteiligten Objekte sämtliche relevanten Informationen zu jedem beliebigen Zeitpunkt zur Ver­fügung stehen, ist das Prüfsystem mit dem Cyber-Physischen Prüfnetzwerk (CPPrN) vernetzt. Abstrakt beschrieben sieht das so aus: Prüfsysteme mit den zuvor genannten Eigenschaften ­tragen die Bezeichnung Cyber-Physische Prüfmodalitäten (CPPrM). Sie werden als autarke Funktionsmodule in Kombination mit Cyber-Physischen Kinematik-Modulen CPPrK (Manipulationseinheiten, Prüf-roboter) zum Cyber-Physischen Prüfsystem (CPPrS) spezifisch zusammengestellt. Sie ar­beiten im Cyber-Physischen Produk­tionssystem (CPPS), erhalten aus der Produktakte des Cyber-Physischen Prüfobjekts (CPPrO) einerseits Eingangs-Informationen über den Produkt-Sollzustand sowie in vorhergehenden Prüfungen erfasste Informationen über den jeweils aktuell vorliegenden Produktzustand. Andererseits geben sie neu ­erfasste Informationen über den momentanen Produktzustand über das Netzwerk an das Prüfobjekt weiter.

Über diese Prüf-Methodik lassen sich zwei neue Eigenschaften des Cyber-Physischen Prüfsystems erreichen:

1. Die Informationen aus der Produktentwicklung, Fertigungsplanung sowie dem Fertigungsablauf werden zur Gestaltung der Prüfprozesse verwendet - die Prüfung ist also produktionsgesteuert.
2. Die Prüf-Ergebnisse (Produkt-Attribut 'Qualität') steuern die Produktion (das heißt den Prozess im jeweils folgenden Produktionsschritt oder auch Prüfschritt) - die Produktion ist also qualitätsgesteuert.

Die vollständige Ermittlung und Steuerung der Produktqualität erfordert die Vernetzung aller Prüfmodalitäten einschließlich der Prüfdaten innerhalb des Cyber-Physischen Prüfnetzwerks. Es ermöglicht die flexible Nutzung komplementärer Prüfmodalitäten als sogenannte multimodale Prüfung mit unterschiedlichen Prüfverfahren und Auswerte-Methoden.

Ziel dieser Prüfmethodik ist die Gewährleistung einer gleichbleibend hohen Produkt- und Prozessqualität mit Hilfe einer modellbasierten Ver­knüpfung von virtueller und realer Prüffunktionalität sowie einer sich ­anschließenden umfassenden Datenfusion und Datenanalyse zur Vervollständigung der Produkt-Akte des Cyber-Physischen Prüfobjekts. Durch die stringente Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette werden daher die Prüfprozesse ein integraler Bestandteil der Produktions- und Fertigungsabläufe. Der damit vollzogene Paradigmenwechsel bedeutet, dass das Prüfen ­keine einmalig definierte beziehungsweise programmierte Funktionalität darstellt, sondern adaptiv und flexibel auf sich ändernde An­forderungen reagiert.

Ebenso ist das Prüfen kein 'notwendiges Übel' mehr zur Überprüfung der erreichten Qualität; vielmehr steuert respektive regelt multimodales Prüfen den Fertigungsprozess in der ­individuell geplanten, optimalen Qualität. In diesem Konzept sind die Maßnahmen zur Qualitäts­sicherung durch Prüfen ein elemen­tarer Bestandteil und Basis für die wirtschaftliche und qualitätsgesicherte Fertigung.

Wie setzt sich ein Cyber-Physisches Prüfsystem nun im Einzelnen zu­sammen?

Modellbasiertes Messen und Prüfen

In der Regel arbeiten konventionelle Mess- und Prüfsysteme zur Prozesssteuerung und Qualitätsprüfung autark und sind für einen definierten und ­abgegrenzten Mess- oder Prüfumfang konzipiert. Änderungen am zu prüfenden Produkt oder an der Prüfaufgabe erfordern ein Eingreifen sowie das ­Anpassen von Konfigurationen, Prüfplänen und Sollvorgaben, was Produktionsunterbrechungen und Aufwendungen in der Arbeitsvorbereitung nach sich zieht.

Modelldaten und Simulationen sind ein Schlüssel dazu, künftige Mess- und Prüfsysteme mit der erforderlichen ­Flexibilität und Adaptivität ausstatten zu können - seien es 3D-Geometrie-Informationen des Prüfobjekts oder Modell-Informationen der Prüfanordnung (geometrische und funktionelle Beschreibung). Die Sicherstellung der Flexibilität auch bei sich ändernden Produktanforderungen erfordert eine Vernetzung der Mess- und Prüfsysteme mit dem übergreifenden Produktionssystem.

Konkrete Anwendungen des modellbasierten Ansatzes sind beispielsweise die maßliche Geometrie-, die optische Montage-, die Oberflächen- oder die Fehlerprüfung auf Basis von Geometrie-Informationen des Bauteils.

Modellgestützte Prüfplanung

Ein Prüfplan gibt im Allgemeinen vor, wo am Prüfling mit welcher Bestimmungsmethode welche Merkmale zu prüfen sind. Ein flexibles System sollte dazu in der Lage sein, aus einer ab-strakten Beschreibung (zum Beispiel: Prüfe, ob die Bohrung an Position X den korrekten Durchmesser aufweist) die für die Bestimmung des Ergebnisses notwendigen Schritte selbst und möglichst automatisiert umzusetzen. Dies ist mit Hilfe einer modellbasierten Prüfplanung möglich: Das digitale Geometriemodell des Prüflings, das Modell zur Beschreibung der geome-trischen Anordnung der sensorischen Elemente (wie Kamera und Beleuchtung) sowie die funktionelle Beschreibung der sensorischen Datenaufnahme bilden die Grundlage für eine virtuelle Messung durch Simulation. Ergebnis dieser Messsimulation sind synthetische Messdaten. Diese lassen sich bei der Prüfplanung für die automatisierte Bestimmung einer geeigneten beziehungsweise optimalen Sensorposition einsetzen. Durch eine Variation der räumlichen Lage der virtuellen Sensorik und eine Simulation der Messung entsteht eine Reihe synthetischer Messdatensätze. Ihre Auswertung hinsichtlich Vollständigkeit und Qualität der Messdaten ermöglicht die Berechnung einer optimalen Prüfperspektive für die Bestimmung des gewünschten Prüfmerkmals. Damit kann das bisher notwendige Einlernen von neuen Prüfpositionen entfallen.

Verfügt das Prüfsystem über eine ­Kinematik, die den prüfenden Sensor zu aufeinanderfolgenden Prüfpositionen bewegt, lassen sich die Modell­informationen für eine kollisionsfreie Bahnplanung des kinematischen Systems nutzen. Können zudem die Scan-Wege und Trajektorien für die relative Bewegung von Sensor und Prüfobjekt modellbasiert simuliert werden, ist eine flexible Verknüpfung von Sensorik (Prüfmodalität) und Kinematik zum Prüfsystem gegeben. Eine automatische und hochflexible Prüfplanung wird möglich.

Synthetisch erzeugte Sollzustände

Grundlage jeder Prüfung ist die Beschreibung eines angestrebten Soll-Zustandes. Der Vergleich von vorliegendem, gemessenem Ist- und angestrebtem Soll-Zustand liefert das Prüf-Ergebnis. Systeme mit flexiblen Prüfaufgaben erfordern somit einen generischen Ansatz zur Bereitstellung der Soll-Informationen, die einen fehlerfreien Zustand des Produkts beschreiben. Die Nutzung von Modelldaten und Messsimulationen macht dies möglich. Darüber hinaus sind in vorhergehenden Prüfschritten erfasste Produkt-Zustandsdaten - beispielsweise zulässige geometrische Abweichungen vom idealisierten 3D-CAD-Produktmodell - für nachfolgende Prüfschritte bereitzustellen. Damit kann der Soll-/Ist-Abgleich flexibler erfolgen - insbesondere dort, wo Sollzustände eine gewisse Variabilität in den Ist-Zuständen zulassen wie etwa bei erlaubten Bauteil-Toleranzen in der Fertigung.

Multimodale Datenauswertung durch Datenfusion

Im engeren Sinne der optischen Prüfung mit Bildverarbeitung bezeichnet Datenfusion beziehungsweise Sensor-Fusion das Zusammenbringen von Daten mehrerer verschiedener oder gleichartiger Sensoren, um so genauere, zuverlässigere oder komplexere Ergebnisse erzielen zu können. Die so gewonnenen fusionierten, das Bauteil charakterisierenden Informationen und Daten lassen eine umfassende Bewertung des Bauteilzustandes zu und sind Grundlage zur automatischen Anpassung der weiteren Bearbeitungsschritte und Prüfungen.

Ein Blick in die Montageprüfung

Ein auf einem Roboter montierter Sensorkopf mit Bildsensoren und 3D-messenden Sensoren ermittelt die ­realen Messdaten beim ­Flugzeugbau. Das Prüfsystem vergleicht diese mit den synthetischen Daten und markiert fehlerhafte Bauteile rot.

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Die vom Fraunhofer-Institut IFF in Magdeburg entwickelten Technologien wurden in ersten Pilotsystemen in der Praxis getestet. Eine weitverbreitete Prüfaufgabe in der Industrie ist die ­Inspektion der Anwesenheit und Vollständigkeit von Montagebaugruppen, beispielsweise im Flugzeugbau. Im konkreten Fall prüft ein roboterbasiertes Prüfsystem automatisch alle montierten Anbauteile und Fügeverbindungen an Flugzeug-Rumpfschalen. Entwickelt wurde das Prüfsystem in Zusammenarbeit mit der Firma Premium Aerotec.

Die nötigen Informationen entnimmt das System den vorliegenden 3D-CAD-Daten für die Rumpfschale. In ihnen ist genau verzeichnet, wo sich welches Bauteil befinden muss. Aus diesen Daten erstellt das System synthetische Messdaten in Form von synthetischen Bildern und 3D-Punktwolken von den Prüfmerkmalen, so dass jede Nietstelle und jedes einzelne Anbauteil exakt repräsentiert ist. Für die realen Messdaten sorgt ein eigens entwickelter Sensorkopf, der mit Bildsensoren und 3D-messenden Sensoren ausgestattet ist. Auf einem Roboter montiert, fährt der Sensorkopf jede einzelne der 1000 bis 5000 Positionen ab und erzeugt Messdaten über den Montagezustand der realen Anbauteile. Diese realen Messdaten vergleicht das System mit den synthetischen. Passen die beiden Messdaten zueinander - sind die darauf abgebildeten Bauteile also richtig montiert - markiert das System die Bauteile grün als fehlerfrei. Findet es Unstimmigkeiten, werden sie entsprechend rot als fehlerhaft markiert, bei Unklarheiten gelb. In einem Prüfprotokoll, das sich ähnlich interaktiv bedienen lässt wie eine App, kann sich der Werker verschiedene Auswertungen anzeigen lassen - beispielsweise alle relevanten Bohrungen oder auch alle Teile, die gelb und rot markiert wurden. Das System liefert den Bedienern dabei nicht nur die Fotos der Bauteile, sondern auch die Koordinaten, so dass sie das zu überprüfende Bauteil schnell wiederfinden - was dringend erforderlich ist, da eine Flugzeug-Rumpfschale bis zu 11 Meter lang sein kann.

Autoren:
Dr. Dirk Berndt ist Abteilungsleiter und Geschäftsfeldleiter Mess- und Prüftechnik am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg;
Dr. Ronald Rösch leitet die strategische Forschung Bildverarbeitung am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern;
Prof. Bernd Valeske leitet die Abteilung Komponenten- und Bauteil­prüfung am Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Saarbrücken.