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Forschung und Praxis
Band 192
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fOr Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und
Institut fOr Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H.J. Warnecke und H.-J. Bullinger
Wilhelm Steger
Wissensbasiertes
Selbstheilungs- und
Diagnosesystem fur
CNC-KoordinatenmeBgerate
Mit 79 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest 1994
Dipl.-Ing. Wilhelm Steger
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. h. H. J. Warnecke
o. Professor an der UniversiUU Stuttgart
Fraunhofer-Institut lOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universitllt Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
093
ISBN-13: 978-3-540-57829-1 e-ISBN-13: 978-3-642-47886-4
001: 10.1007/978-3-642-47886-4
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© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1994.
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Geleitwort der Herausgeber
Uber den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer markt
wirtschaftlichen Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt.
Das bedeutet, maglichst frtihzeitig absatzmarktorientierte Anforde
rungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und darauf zu reagie
reno
Neue Technologien und Werkstoffe ermaglichen neue Produkte und er
affnen neue Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechno
logien verwandeln signifikant und nachhaltig unsere industrielle
Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Veranderungen signa
lisieren und begleiten dabei einen Wertewandel, der auch in unse
ren Industriebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und an
spruchsvoller geworden. Die Integration des europaischen Marktes,
die Globalisierung vieler Industrien, die zunehmende Innovations
geschwindigkeit, die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft und die
tibergreifenden akologischen und sozialen Probleme, zu deren Lasung
die Wirtschaft ihren Beitrag leisten muB, erfordern von den Ftih
rungskraften erweiterte Perspektiven und Antworten, die tiber den
Fokus traditionellen Produktionsmanagements deutlich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten
Bereich sind heute schon feste Bestandteile innovativer Unterneh
men. Die Entkopplung der Arbeitszeit von der Betriebszeit, inte
grierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte, die die aktuellen Entwicklungsrich
tungen kennzeichnen. Erfreulich ist der Trend, immer mehr den Men
schen in den Mittelpunkt der Arbeitsgestaltung zu stellen - die
traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze weichen ei
ner starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizie
rungsprogramme, Training und andere Formen der Mitarbeiterent
wicklung gewinnen als Differenzierungsmerkmal und als Zukunftsin
vestition in Human Recources an strategischer Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses Bemtihen durch die Ent
wicklung von Methoden und Vorgehensweisen zur systematischen
Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb ein
schlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
sttitzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert, in enger Zusam
menarbeit mit anderen Disziplinen, z.B. der Informatik, der Wirt
schaftswissenschaften und der Arbeitswissenschaft, Lasungen zu er
arbeiten, die den veranderten Randbedingungen Rechnung tragen.
Die von den Herausgebern geleiteten Institute, das
- Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der
Universitat Stuttgart (IFF),
- Institut fur Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT)
- Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung
(IPA) ,
- Fraunhofer-Institut fur Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an
den oben aufgezeigten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der
Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter haben bereits in der
Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefuhrt, die fur die Praxis
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird
die Schriftenreihe "IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben.
Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort. Eine Ubersicht uber
bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer
Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine Angebots
palette und der Druckerei fur saubere und zugige Ausfuhrung. Moge
das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H.J. Warnecke H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wiihrend meiner Tiitigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter
arn Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA).
Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Dr.-Ing.E.h. H.-I. Warnecke danke ich fUr die groBziige Unterstiit
zung und Forderung, welche die DurchfUhrung dieser Arbeit ermoglichte.
Dem Mitberichter, Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Lechner, danke ich fiir seine eingehende Durch
sicht und die Kommentare, die sich daraus ergaben.
Dariiberhinaus danke ich allen Mitarbeitern des Instituts, die mich mit anregender Kritik und
Hilfsbereitschaft unterstiitzt haben. Das gilt insbesondere fUr Herrn Dr. K.W. Melchior, Herrn
Dr. M. Schmutz und Frau Dipl.-Math. B. Grau, ebenso aber auch fUr die Herren Dipl.-Ing. E.
Englert, Dipl.-Inf. V. Giinther, Dipl.-Ing. H. Holeczek, Dipl.-Inf. A. Spiegel, Dipl.-Inf. M.
Diener, Dipl.-Ing. W.-H. Lee, Dipl.-Ing. B. Kuchar, Dipl.-Ing. A. Filipovic, Dipl.-Ing. M.
Kiihnel, Dipl.-Ing. I. Bursch und Dipl.-Inf. N. Waldenmaier.
AbschlieBend mochte ich meinen besonderen Dank an Prof. Dr. Thomas Garbrecht und meine
Familie und Freunde fiir deren moralische Unterstiitzung richten.
Stuttgart, im Dezember 1993 Wilhelm Steger
Inhaltsverzeichnis
o
Formelzeichen und Abkiirzungen. ............................................ . 13
Einleitung......................................................................................... 15
2 Problemstellung und Zielsetzung ............................................. .. 17
2.1 Einfiihrung in die KoordinatenmeBtechnik ........................................ . 17
2.1.1 Grundprinzip der 3D-MeBtechnik. ..................................................... . 17
2.1.2 Arbeitsweise und Aufbau von KoordinatenmeBgeraten .................... . 17
2.2 Integration von KoordinatenmeBgeraten in flexible .......................... . 19
Fertigungssysteme
2.3 Zuverlassigkeit integrierter Fertigungssysteme und .......................... . 20
Situation der KoordinatenmeBgerate
2.4 Konzept ftir einen stOrungsarmen Betrieb von .................................. . 22
CNC-KoordinatenmeBgeraten
2.5 Ziele der Arbeit. ................................................................................ . 26
3 Stand der Forschung und Technik ............................................ . 27
3.1 Selbstheilungsmechanismen bei automatischen MeBablaufen .......... . 27
3.1.1 Moglichkeiten und Grenzen der Selbstheilung. ................................. . 27
3.1.2 Ansatze fiir Selbstheilungsmechanismen. .......................................... . 28
3.2 Wissensbasierte Diagnosesysteme ..................................................... . 30
3.2.1 Zum Begriff der Diagnose ................................................................. . 30
3.2.2 Historische Entwicklung der Diagnoseverfahren .............................. . 31
3.2.3 Modelle zur Reprasentation von Wissen tiber technische Systeme. . .. 32
3.2.4 Klassifikation und Bewertung moglicher Diagnoseverfahren .......... .. 34
fiir CNC-KoordinatenmeBgerate
3.2.5 Quantitative und qualitative Verfahren zur Modellierung ................ .. 37
technischer Systeme
3.3 Methoden der qualitativen Modellierung .......................................... .. 38
3.3.1 Qualitative Beschreibung statischer und dynamischer. ..................... . 38
Systemeigenschaften
-10-
3.3.2 Grundsiitzliche Moglichkeiten zur Auswahl der... ............................ .. 39
Systernkonstituenten
3.3.2.1 Der komponentenorientierte Ansatz (ENVISION) ............................ . 39
3.3.2.2 Der prozeBorientierte Ansatz (QPT) ................................................. .. 40
3.3.2.3 Der constraintorientierte Ansatz (QSIM) ........................................ .. 41
3.3.3 Weitere Ansiitze ................................................................................. . 42
3.4 Diagnose mit QR-Methoden am Beispiel HELIX ............................ .. 42
3.5 Weitere Arbeiten tiber modellgestiitzte Diagnosesysteme ................. . 44
3.6 Offene Problempunkte ....................................................................... . 44
4 Anforderungen an ein Selbstheilungs-und Diagnose-......... 46
system
4.1 Forderungen an das Gesamtkonzept. ................................................ .. 46
4.2 Forderungen an die Selbstheilung von Ablaufstorungen .................. .. 48
4.3 Forderungen an das Diagnosesystem flir schwerwiegende ............... . 49
StOrungen des KoordinatenmeBgeriites
5 Ein Modell zur Selbstheilung und Diagnose fertigungs-..... 52
integrierter KoordinatenmeBgedite
5.1 Uberblick ............................................................................................ . 52
5.2 Konzept der Selbstheilung ................................................................. . 52
5.2.1 Elemente der Selbstheilung ................................................................ . 52
5.2.1.1 .f.reifahren der Tasterkonfiguration .................................................... . 53
5.2.1.2 Uberpriifen der Tasterkonfiguration .................................................. . 55
5.2.1.3 Wiederholen von Aktionen ................................................................ . 56
5.2.1.4 Wechsel der Tasterkonfiguration ....................................................... . 56
5.2.1.5 Wechsel des Werkstticks .................................................................... . 57
5.2.1.6 Fortsetzung der unterbrochenen Messung eines Werkstiicks ............ . 57
5.2.2 Die Aktionsplanung ........................................................................... . 57
5.2.2.1 Mogliche Zustande und Zustandstibergange des Koordinaten-........ .. 58
meBgerlites wlihrend eines MeBlaufs
5.2.2.2 Ableitung der Zustandsbeschreibung aus der Storfallmeldung ........ .. 61
5.2.2.3 Wege durch den Zustandsraum .......................................................... . 62
5.3 Das hybride Diagnosesystem. ............................................................ . 63
5.3.1 Uberblick tiber die Architektur des Expertensystems ....................... .. 64
5.3.2 Modellbildung und modellgestiitzte Diagnose ................................. .. 65
5.3.2.1 Reprlisentation der Struktur. .............................................................. . 65
5.3.2.2 Repriisentation des inneren Verhaltens von Komponenten .............. .. 69
-11 -
5.3.2.3 Reprasentation der Wechselwirkung zwischen den Komponenten .. .. 70
5.2.3.4 Eigenschaften des gewahlten Modellierungsansatzes ........................ . 70
5.2.3.5 Der modellgesttitzte Diagnosealgorithmus ........................................ . 73
5.3.2.6 Der Diagnosefortschritt und seine Bewertung .................................. .. 75
5.3.2.7 Bearbeitungsstatus und Testauswahl... ............................................. .. 76
5.3.3 Modellbildung und empirisch-assoziative Diagnose ........................ .. 77
5.3.3.1 Prinzipielle Vorgehensweise ............................................................. .. 78
5.3.3.2 Der empiriegestiitze Diagnosealgorithmus ....................................... .. 79
5.3.3.3 Der Diagnosefortschritt und seine Bewertung .................................. .. 81
5.3.3.4 Bearbeitungsstatus und Testauswahl. ................................................ . 82
5.3.4 Wechsel zwischen empirisch-assoziativer und modellgesttitzter ...... . 84
Diagnose
5.3.5 Die statische Wissensbasis ................................................................. . 85
5.3.5.1 Ubersicht tiber das zu verwaltende Wissen ...................................... .. 85
5.3.5.2 Die Objektklassen. ............................................................................. . 86
5.3.6 Die dynarnische Wissensbasis .......................................................... .. 88
5.3.6.1 Moglichkeiten zur systernintemen Kommunikation .......................... . 88
5.3.6.2 Der Aufbau der dynamischen Wissensbasis ...................................... . 89
5.3.7 Giiltigkeit der ZustandsgroBen .......................................................... .. 91
5.3.7.1 Moglichkeiten und Grenzen von Temporal Reasoning .................... .. 92
5.3.7.2 Nonmonotonic Reasoning -Notwendigkeit und Umsetzung ............ . 93
5.3.8 Der Diagnoseablauf im hybriden System. ......................................... . 94
5.3.8.1 Zentrale Koordination versus Individualitat.. .................................... . 94
5.3.8.2 Vergabe des Hypothesenstatus ........................................................... . 96
5.3.8.3 Auswahl der aktuellen Arbeitshypothese .......................................... .. 97
5.3.8.4 Kriterien zur Testauswahl. ................................................................. . 98
5.4 Integration von Selbstheilung und Diagnose .................................... .. 99
6 Realisierung des wissensbasierten Systems und. ................. .. 100
Einbindung in die Fertigungsumgebung
6.1 Funktionsstruktur des integrierten Selbstheilungs-und .................... .. 100
Diagnosesystems
6.2 Ablaufbezogene Funktionalitat des Expertensystems ........................ . 101
6.2.1 Informationsverhalten bei Selbstheilung. .......................................... . 101
6.2.2 Informationsverhalten bei Diagnose .................................................. . 102
6.3 Mechanismen der Wissensakquisition ............................................... . 104
6.3.1 Der Objekteditor. ............................................................................... . 104
6.3.2 Empirie aus Fallbeispielen. ................................................................ . 105
6.4 Einbindung des Selbstheilungs-und Diagnosesystems in die .......... .. 106
Informationsstruktur eines flexiblen Fertigungssystems
6.4.1 Funktionale Einbindung ..................................................................... . 106
6.4.2 Kommunikative Einbindung und Implementierung .......................... . 109
-12 -
7 Piloteinsatz und Bewertung ........................................................ . 111
7.1 Die Selbstheilung ................................................................................ 111
7.1.1 Durchftihrung der Versuche zur Selbstheilung unterbrochener ......... . 111
MeBHiufe
7.1.2 Bewertung der Ergebnisse ................................................................. . 114
7,4 Die Diagnose ..... , ................................................................................ . 115
7,2.1 Ausgangssituation fUr die Wissensakquisition tiber das .................... . 115
KoordinatenmeBgeriit
7.2.2 Beispielhaftes Vorgehen bei der Modellierung ................................. . 117
7.2.3 Durchftihrung von Diagnosesitzungen ............................................... . 119
7.2.4 Bewertung der Ergebnisse ................................................................. . 120
7.3 Integration von Selbstheilung und Diagnose ..................................... . 122
7.4 Bewertung fUr weitere Entwicklungen .............................................. . 123
8 Zusammenfassung ......................................................................... . 124
9 Literatur. .......................................................................................... . 126
10 Anhang ............................................................................................. . A-I
10.1 Begriffe aus der Theorie technischer Systeme und ihre .................... . A-I
Relation zur Diagnose
10.2 Beispiel aus der statischen Wissensbasis ........................................... . A-6
10.3 Beispiel aus der dynamischen Wissensbasis ...................................... . A-9
