Web‐ und wissensbasierter Engineering‐Konfigurator für roboterzentrierte Automatisierungslösungen

Abstract

Der Markt für roboterzentrierte Automatisierungslösungen (RA) ist ein globaler Wachstumsmarkt. Aufgrund der hohen Kosten und Komplexität von RA bleiben häufig kleine und mittlere Unternehmen (KMU) hinter diesem Trend zurück. Gegenstand und Zielstellung der Promotion ist die Schaffung von effizienten sowie skalierbaren Engineering-Konzepten und -Lösungen für die Planung von RA auf Basis von Webtechnologien. Hierfür wurden das Konzept des Engineering-Konfigurators, eine microservicebasierte Webplattform-Referenzarchitektur sowie eine für Engineering-Konfiguratoren benötigte Entwicklungsmethode basierend auf drei Teilmethoden (W1-W3) eingeführt. Über nutzerzentrierte Entwicklungsansätze, eine modulare Architektur für RA sowie Ansätze aus der wissensbasierten Konfiguration (Teilbereich aus der künstlichen Intelligenz (KI)) werden der Vertrieb, die Planung und das Engineering von RA einem breiteren Publikum zugänglich gemacht. Validiert wurden die Konzepte und Methoden im Rahmen der Webplattform ROBOTOP sowie anhand diverser 3D-Web-, AR (Augmented Reality)- und VR (Virtual Reality)-Mehrbenutzer-Demonstratoren. Die Konzepte und Methoden befähigen somit auch eine effiziente Digitalisierung bzw. Prozessautomatisierung des Engineerings von RA durch die eingeführten, strukturierenden Methoden zur Wissenserfassung, -modellierung sowie -implementierung und unterstützen dabei die Vision des digitalen Zwillings im Kontext von Industrie 4.0.

Full text

FAU UNIVERSITY PRESS 2021
ISBN 978-3-96147-410-3
UNIVERSITY
PRESS
Eike Wolfram Schäffer
Web- und wissensbasierter
Engineering-Konfigurator
für roboterzentrierte
Automatisierungslösungen
Der Markt für roboterzentrierte Automatisierungslösungen (RA) ist ein globaler Wachs-
tumsmarkt. Aufgrund der hohen Kosten und Komplexität von RA bleiben häufig kleine
und mittlere Unternehmen (KMU) hinter diesem Trend zurück.
Gegenstand und Zielstellung der Promotion ist die Schaffung von effizienten sowie
skalierbaren Engineering-Konzepten und -Lösungen für die Planung von RA auf
Basis von Webtechnologien. Hierfür wurden das Konzept des Engineering-Konfigu-
rators, eine microservicebasierte Webplattform-Referenzarchitektur sowie eine für
Engineering-Konfiguratoren benötigte Entwicklungsmethode basierend auf drei Teilme-
thoden (W1-W3) eingeführt. Über nutzerzentrierte Entwicklungsansätze, eine modulare
Architektur für RA sowie Ansätze aus der wissensbasierten Konfiguration (Teilbereich
aus der künstlichen Intelligenz (KI)) werden der Vertrieb, die Planung und das Engineering
von RA einem breiteren Publikum zugänglich gemacht. Validiert wurden die Kon-
zepte und Methoden im Rahmen der Webplattform ROBOTOP sowie anhand diverser
3D-Web-, AR (Augmented Reality)- und VR (Virtual Reality)-Mehrbenutzer-Demonstra-
toren. Die Konzepte und Methoden befähigen somit auch eine effiziente Digitalisierung
bzw. Prozessautomatisierung des Engineerings von RA durch die eingeführten, struk-
turierenden Methoden zur Wissenserfassung, -modellierung sowie -implementierung
und unterstützen dabei die Vision des digitalen Zwillings im Kontext von Industrie 4.0.
Eike Wolfram Schäffer Engineering-Konfigurator für roboterzentrierte Automatisierungslösungen
FAU Studien aus dem Maschinenbau 364
364

Eike Wolfram Schäffer
Web‐ und wissensbasierter Engineering‐Konfigurator für
roboterzentrierte Automatisierungslösungen

FAU Studien aus dem Maschinenbau
Band 364
Herausgeber der Reihe:
Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke
Prof. Dr.-Ing. Nico Hanenkamp
Prof. Dr.-Ing. habil. Tino Hausotte
Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein
Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt
Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack

Eike Wolfram Schäffer
Web- und wissensbasierter
Engineering-Konfigurator
für roboterzentrierte
Automatisierungslösungen
Dissertation aus dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung
und Produktionssystematik (FAPS)
Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke
Erlangen
FAU University Press
2021

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der-Universität Erlangen-Nürnberg ( https://ror.org/00f7hpc57),
https://orcid.org/0000-0002-4439-0069
Bitte zitieren als
Schäffer, Eike Wolfram. 2021. Web- und wissensbasierter Engineering-Kon-
figurator für roboterzentrierte Automatisierungslösungen. FAU Studien
aus dem Maschinenbau
Band 364. Erlangen: FAU University Press. DOI:
10.25593/978-3-96147-411-0
.
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FAU University Press, Universitätsstraße 4, 91054 Erlangen
Druck: docupoint GmbH
ISBN: 978-3-96147-410-3 (Druckausgabe)
eISBN: 978-3-96147-411-0 (Online-Ausgabe)
ISSN: 2625-9974
DOI: 10.25593/978-3-96147-411-0


Web‐undwissensbasierter
Engineering‐Konfiguratorfür
roboterzentrierteAutomatisierungslösungen
DerTechnischenFakultät
derFriedrich‐Alexander‐Universität
Erlangen‐Nürnberg
zur
ErlangungdesDoktorgradesDr.‐Ing.
vorgelegtvon
EikeWolframSchäffer,M.Sc.,M.Sc.
ausNürnberg





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



AlsDissertationgenehmigt
vonderTechnischenFakultät
derFriedrich‐Alexander‐UniversitätErlangen‐Nürnberg

Tagdermündlichen 
Prüfung:15.03.2021 
Vorsitzenderdes
Promotionsorgans: Prof.Dr.‐Ing.habil.AndreasPaulFröba

Gutachter:Prof.Dr.‐Ing.JörgFranke
Prof.Dr.‐Ing.JürgenFleischer,KITKarlsruhe



iii
Vorwort
DievorliegendeDissertationentstandwährendmeinerTätigkeitalswis‐
senschaftlicherMitarbeiteramLehrstuhlfürFertigungsautomatisierung
undProduktionssystematik(FAPS)derFriedrich‐Alexander‐Universität
Erlangen‐Nürnberg(FAU).
MeinbesondererDankgiltdemLehrstuhlinhaberundmeinemDoktorva‐
terHerrnProf.Dr.‐IngJörgFrankefürdasinmichgesetzteVertrauenund
dieMöglichkeitzurPromotion.SeinestetigeUnterstützungsowiederge‐
währtewissenschaftlicheFreiraumhabeneinensehrgroßenBeitragzur
EntstehungmeinerDissertationundzumeinerpersönlichenWeiterent‐
wicklunggeleistet.
BeiHerrnProf.Dr.‐IngJürgenFleischer,InstitutsleiterMaschinen,Anla‐
genundProzessautomatisierungdeswbkInstitutsfürProduktionstechnik
desKarlsruherInstitutsfürTechnologie(KIT),möchteichmichfürdie
ÜbernahmedesKorreferats,dieaufmerksameDurchsichtsowiedieange‐
regteDiskussionrechtherzlichbedanken.
DanebengiltmeinDankmeinenKollegenbzw.meinemForschungsbe‐
reichsleiterMatthiasBrossogundBürokollegenMaximilianMetznersowie
meinenwissenschaftlichenSparringspartnernAndreasMayr,TobiasLech‐
ler,JochenZeitler,JonathanFuchsunddenübrigenFAPSKollegen/‐innen
fürdiesehrguteundkollegialeZusammenarbeitsowieausgezeichneteAr‐
beitsatmosphäre.Ihrhabtmichsowohlinpersönlicheralsauchfachlicher
Hinsichtenormbereichert.
AuchmöchteichdemBundesministeriumfürWirtschaftundEnergiedan‐
ken,welchesdasForschungsprojektROBOTOPideellundfinanziellgeför‐
derthatsowiedemROBOTOPProjektkonsortiumundmeinenStudieren‐
denfürdieguteZusammenarbeit.
BesondersmeinenEltern,PetraundDr.JosefSchäffer,gilteingroßerDank
fürdasErmöglichen,dieUnterstützungunddenRückhaltfürmeinenaka‐
demischenWerdegang.AuchmöchteichmeinemBruderJanSchäfferdan‐
ken,aufdenichmichstetsverlassenkann.

Nürnberg,imMärz2021EikeWolframSchäffer



















v
Inhaltsverzeichnis
Vorwort...............................................................................................iii
Inhaltsverzeichnis................................................................................v
Formelzeichen‐undAbkürzungsverzeichnis....................................ix
1Einleitung....................................................................................1
1.1SituationundHandlungsbedarf...............................................................1
1.2Lösungsansatz..........................................................................................2
1.3Vorgehensweise........................................................................................3
1.4Forschungsfrage.......................................................................................5
2EngineeringautomatisierterProduktionsanlagen...................7
2.1PhasendesFabrik‐undProduktlebenszyklus.......................................7
2.1.1ProzesseundRollenverteilungbeiderSystemintegrationvon
Produktionsanlagen......................................................................8
2.1.2ReifegradevonTechnologienundSystemlösungen...................9
2.2VertriebsprozessvonProduktionsanlagenundrelevante
Industrieroboterperipherie.....................................................................10
2.2.1VertriebsprozessvonProduktionsanlagen..................................11
2.2.2AuftragsspezifischeEntwicklung................................................14
2.2.3Industrieroboterperipherie..........................................................16
2.3MaßnahmenzurKomplexitätsreduktion..............................................17
2.3.1ModuleundModularisierung.....................................................18
2.3.2Baukastensystem..........................................................................19
2.4Model‐BasedSystemsEngineeringmechatronischer
Produktionsanlagen................................................................................21
2.4.1Modelle,SystemmodelleundSichten.......................................22
2.4.2Produkt‐,Prozess‐undRessourcen‐(PPR‐)Modell..................23
2.4.3ModulareEbenenstrukturmechatronischerSysteme..............24
2.4.4Schnittstellendiagrammund‐matrix........................................25
2.4.5FähigkeitenzurAbstraktionmechatronischerSysteme..........26
3KonzepteundMethodenzurDigitalisierungdesEngineerings
....................................................................................................27
3.1DigitalisierungalsChancefürInnovation............................................28
3.1.1StrategischePerspektivederWissensautomatisierung............29

Inhaltsverzeichnis
vi
3.1.2SkalierbareWiedernutzungvonWissenalsBasisdigitaler
Geschäftsmodelle.........................................................................30
3.1.3ProzessautomatisierunginderWissensarbeit..........................32
3.1.4KomplexitätsreduktionvonSoftwarewerkzeugen....................34
3.2MethodenzurEntwicklunginnovativerSoftwaresystemefürdas
Engineering.............................................................................................35
3.2.1System‐undSoftwarearchitektur...............................................36
3.2.2Serviceorientierte‐undMicroservice‐Architekturals
konsequente,softwareseitigeModularisierung.........................37
3.2.3NutzerorientierteGestaltungalsagileEntwicklungsmethode
fürinnovativeSoftwarelösungen................................................42
4Wissensautomatisierung,künstlicheIntelligenzund
wissensbasierteKonfiguration.................................................45
4.1WissenundInformationen....................................................................45
4.1.1WissenimKontextdesMenschen............................................46
4.1.2HerausforderungenbeiderWissensakquise.............................48
4.1.3EinsatzgebietevonWissen........................................................49
4.1.4WissenimKontextderInformationstechnologie.....................50
4.1.5Unbeständiges,unvollständiges,unsicheres,unpräzisesund
vagesWissen.................................................................................51
4.2KünstlicheIntelligenz,Expertensystemeundwissensbasierte
Konfiguratoren........................................................................................53
4.2.1EinordnungvonExpertensystemenundKonfiguratorenim
BereichderkünstlichenIntelligenz...........................................53
4.2.2AnforderungenanExperten(‐systeme)undsomitan
Konfiguratoren.............................................................................56
4.2.3WissensbasierteKonfiguratorenalsAnwendungsbereichder
künstlichenIntelligenz................................................................57
4.2.4GenerellePhasenbeiderEntwicklungvon
ProduktkonfiguratorenvonMaschinenundAnlagen..............59
4.2.5VorhandeneMethodenzumWissenserwerbundzur
WissensaufbereitungfürwissensbasierteSysteme..................60
4.3WissensrepräsentationfürinformationstechnischeSystemeund
Konfiguratoren........................................................................................62
4.3.1Wissenstrennung.........................................................................62
4.3.2ZuständealsstatischeWissensrepräsentation.........................64
4.3.3TestprädikatealsValidierungswissen........................................65
4.3.4ZustandsoperatorenalsVeränderungswissen...........................65
4.4Suchverfahrenund‐probleme..............................................................66
4.4.1KategorienvonSuchverfahren..................................................66
4.4.2ConstraintSatisfactionProbleme...............................................67

Inhaltsverzeichnis
vii

5Web‐undwissensbasierterEngineering‐Konfigurator
fürroboterzentrierteAutomatisierungslösungen...................71
5.1InhaltlicheundwissenschaftlicheAbgrenzung...................................72
5.1.1WissensbasierterProduktkonfigurator(PK)versus
wissensbasierterEngineering‐Konfigurator(EK).....................72
5.1.2AbgrenzungvomStandderForschung.....................................74
5.2WissensbasierterEngineering‐Konfiguratorfürroboterzentrierte
Automatisierungslösungen....................................................................75
5.2.1EinordnungvonEngineering‐Konfiguratoreninnerhalbdes
ReferenzarchitekturmodellsIndustrie4.0................................76
5.2.2ModulareBest‐Practice‐Architekturvonroboterzentrierten
AutomatisierungslösungenfürEK.............................................77
5.2.3Phase1desEK:EinordnungdesLösungsbedarfs......................79
5.2.4Phase2derEK:Anpassungskonfiguration................................79
5.3MS‐basiertesWebplattformökosystemundWertschöpfungsnetzfür
dasEngineering......................................................................................80
5.3.1BedarfsfallundGeschäftsmodellbetrachtungfürEK...............82
5.3.2WertschöpfungsnetzeinerEngineering‐Webplattform...........85
5.3.3EK‐undMS‐basierteWebplattformökosysteme......................86
5.4Validierungdesweb‐undwissensbasiertenEngineering‐
KonfiguratorsentlangderMSA............................................................88
5.4.1PrototypischeTeilvalidierungderMSAfürweb‐und
wissensbasierteEngineering‐Konfiguratoren...........................88
5.4.2MSAfürEngineering‐KonfiguratorenamBeispielderMS‐
basiertenWebplattformROBOTOP...........................................91
5.4.3ValidierungderMSAdesEngineering‐Konfiguratorsentlang
derImplementierungvonROBOTOP.......................................97
5.4.4HerausforderungenbeiderEntwicklungweb‐und
wissensbasierterEngineering‐Konfiguratoren..........................99
6MethodefürdieagileEntwicklungvonEngineering‐
Konfiguratoren.........................................................................103
6.1ArchitekturundRollenfürdieagileWissensakquise........................103
6.1.1DreiWissensbereiche(W1‐W3)alsunabhängigeBereichefür
dieagileEntwicklungvonEK....................................................103
6.1.2RollenentlangderagilenWissensarbeit..................................104
6.2MethodezurEntwicklungnutzerzentrierterEngineering‐
Konfiguratoren(W1).............................................................................106
6.2.1UnterscheidungzwischenExpertenkonfiguratorenund
Engineering‐Konfiguratoren.....................................................107

Inhaltsverzeichnis
viii
6.2.2MethodezurEntwicklungnutzerzentrierter
BenutzerschnittstellenfürEngineering‐Konfiguratoren........108
6.2.3ValidierungmittelsprototypischerImplementierunganhand
desAnwendungsfalls1fürPlanerdesPU..................................111
6.2.4WeitereAnwendungsfälleundBenutzerschnittstellenfür
Engineering‐Konfiguratoren......................................................118
6.3MethodezurAufbereitungvonBestPracticesalsmodulare
Datenbasisfür3D‐EK(W2)...................................................................121
6.3.1GrundarchitekturundBestandteilevonBestPractices...........121
6.3.2BeschaffungundBewertungvonBestPractices.......................122
6.3.32D‐Konzeptdarstellungsmuster.................................................124
6.3.4ModulareBest‐Practice‐ArchitekturvonRAfür3D‐EK..........124
6.3.5AnwendungsbeispielederBest‐Practice‐Aufbereitung...........127
6.4MethodezurarbeitsteiligenAufbereitungvonlogischem
Expertenwissen(W3).............................................................................132
6.4.1ConstraintbasierteKonfiguration:eineVoraussetzungfürdie
arbeitsteiligeWissensakquisefürEK........................................132
6.4.2EntwicklungsmethodezurkollaborativenWissensakquiseund
‐modellierung.............................................................................134
6.5ImplementierungdesEKundAnwendungsbeispiele........................144
6.5.1VorgehenbeiderImplementierungdes3D‐EK.......................145
6.5.2Fallstudie1:Bearbeitungsmaschinebeladenundentladen
(handhaben)...............................................................................149
6.5.3Fallstudie2:Werkstückemontieren(handhabenundfügen)151
6.5.4AbschließendesFazitundArgumentenbilanzzumEK...........153
7ZusammenfassungundAusblick.............................................157
8Summaryandoutlook..............................................................161
9Anhang.....................................................................................165
9.1DanksagungundEinordnung..............................................................165
9.2WeitereVeröffentlichungen................................................................167
Literaturverzeichnis.........................................................................169



1
1 Einleitung
ImRahmenvonIndustrie4.0undderGlobalisierungderMärktewerden
immerkürzereInnovationszyklennotwendig,umalsUnternehmenwett‐
bewerbsfähigzubleiben.HierbeimüssenUnternehmeninderLagesein,
länder‐undortsspezifischeProduktvariantenfürverschiedeneKundenseg‐
menteanzubieten.ZugleichsindunterschiedlichegesetzlicheRahmenbe‐
dingungensowiekundenindividuelleBedürfnissezuberücksichtigen.
DieseAspekteundBedingungensollenbeieinemoptimalenKosten‐zu
NutzenverhältnisimRahmenderLeistungskriterienZeit,KostenundQua‐
litäterfülltwerden.Eineschnelle,technischkorrekteAngebotserstellung,
welchedenAnforderungendesKundenentspricht,stellthierbeieinenwe‐
sentlichenWettbewerbsvorteildar.[1]
1.1 SituationundHandlungsbedarf
ImGegensatzdazustehtderGebrauchvonsemantischnichtvernetzten
WerkzeugenwieWord,PowerPointoderExcelbeiderWissensarbeitwie
derAngebotserstellung.DurchdieeinfacheundverbreiteteAnwendung
dieserWerkzeugekönnenoftqualitativguteEndresultateerzieltwerden.
EineeinfacheskalierbareÜbertragbarkeitaufzukünftigeProjekte,eine
automatisierteAusführungsowieQualitätskontrollesindmitdiesemVor‐
gehennurbedingtmöglich.ImGegensatzzurüberschaubarenAngebots‐
erstellungfüreinfacheProduktebenötigeninsbesonderekomplexeAn‐
wendungenimindustriellenUmfeldeindurchdachtesWissenskonzept.
DieLimitationbestehenderFabrikplanungskonzepteundderenWerk‐
zeugezeigtaucheineStudievonREINEMAetal.[2],inwelcherbei60Pro‐
zentderAutomatisierungsprojektedieTerminzieleundin72Prozentdie
Kostenzielenichteingehaltenwurden.DasDefizitbeiderFabrikplanung
lässtsichzu52ProzentaufZeit‐undInformationsverlustezurückführen.
InderPraxiserzieltdieFabrikplanungfunktionsfähigeLösungen,jedoch
bestehtbeiderPlanungseffizienzerheblichesPotentialzurVerbesserung.
[2,3]
DieITwirdhäufigalsreine,nachgelagerteoderausgelagerteSupportfunk‐
tioneingeordnet.NurseltenwirddieseindieProzesseunddieWeiterent‐
wicklungeinesUnternehmensalsKernkompetenzintegriert:„Nachaußen
sindoftnurdietechnischenGeräte(Kraftfahrzeuge,Haushaltsgeräteoder
Flugzeuge)oderAnlagen(Fabriken,Mobilfunknetze)sichtbar,dagegen
wirdderhoheSoftwareanteiljedochleichtübersehenunddieBedeutung

1Einleitung

2
derInformatikunterschätzt.“[4,S.13]Insbesonderenachhaltigeundska‐
lierbarewissensbasierteLösungenhabenkurzfristignurgeringeErfolge,da
sehrvielKondensations‐ undInfrastrukturarbeitgeleistetwerdenmuss.
HierlassensichParallelenzuWebplattformenwieGoogleoderAmazon
ziehen,welcheindenerstenJahrennurbedingtprofitabelwaren[5].Ge‐
radebeieinemzugeringenBetrachtungshorizontwerdenvieleProjekteauf
kurzfristigeLeistungskennzahlenoptimiertoderrationalisiert,wasauch
als„Kostenhöcker‐Phänomen“bekanntist[6,7].[8,9]
UnterschiedeentstehendurchfehlendeStandardisierung,fehlendeBemü‐
hungenzurKomplexitätsreduktion,alternativeLösungsmöglichkeiten,un‐
zureichendeMarktreifeundeinemarketingtechnische,unternehmensspe‐
zifischeWortwahlzurDifferenzierungvonWettbewerbern.DerTrendzu
steigendenProduktvariantenundzusteigenderunternehmensexterner
und‐internerKomplexitätstelltnacheinerStudiefür83ProzentderUn‐
ternehmeneinegroßeHerausforderungdar[9].DiesewirdmiteinerÜber‐
spezialisierungaufNischenmärkteundderzunehmendenGenerierungvon
technischinteressanten,aberauftragsirrelevantenProduktvariantenbe‐
gründet.DurcheineübertriebeneNischenpolitikunddenFokusaufdie
Dimension„Produkt“bzw.„Technik“,anstellederDimension„Kundennut‐
zen“,wirdeineAbwärtsspiralederKomplexitätinGanggesetzt.Dadurch
entstehenüberdieZeitmehrProduktvariantenunddieKomplexitätskos‐
tensteigenaufeinschwerzukontrollierendesMaßan.[9]
1.2 Lösungsansatz
VonderEvolutionderWerkstattfertigungzurFließband‐undMassenfer‐
tigungbishinzurindividuellenMassenproduktionkönnenzuraktuellen
WissensarbeitParallelengezogenwerden.ZuBeginnderAutomobilindust‐
riewarenAutomobileUnikate.Diesändertesich,alsdiesevonHenryFord
imRahmenderEinführungdesModellTimJahre1908entlangderFließ‐
bandfertigungstandardisiertundsomitzurMassenproduktionbefähigt
wurden.ImBereichderFertigungkonntedurcheineStandardisierungder
ProdukteundProduktionsschrittebishinzueinemgetaktetenProdukti‐
onsprozessmittelsFließbandfertigungdieAusbringungundQualitäter‐
heblichgesteigertwerden.DieKostendesModellTkonntendurchdiese
Maßnahmenvon850Dollarauf360Dollargesenktwerden.[10–12]
DieAntwortaufdieFrage„wieAutomobileingroßerStückzahlproduziert
werdenkonnten“warfürFordderentscheidendeWettbewerbsvorteil.
DieseFragesollimRahmendieserDissertationaufdieWissensarbeitüber‐
tragenwerden.DasBundesministeriumfürWirtschaftundEnergie

1.3Vorgehensweise

3
(BMWi)siehteinenHandlungsbedarfimBereichvonPlattformenzurPla‐
nungvonAutomatisierungslösungenundimpliziertsomitauchdieAuflö‐
sungderindividuellenWissenswerkstatt[13].DieindividuelleAnpassung
vonProduktenandieKundenwünschespieltimBereichdesVertriebs,des
ProduktdesignsundinderProduktioneinegroßeRolle[14].Auchausstra‐
tegischerPerspektivebesitzenkonfigurierbareProduktealseinederacht
wesentlichenProduktindividualisierungsstrategieneinewesentlicheBe‐
deutung[15].DerAutomobilmarktisteinerderprominentestenAnwen‐
dungsfällevonProduktkonfiguratoren[16].IndiesemMarktkonfigurieren
biszu70ProzentderKaufinteressentenonlineihrgewünschtesFahrzeug
voreinemHändlerbesuch.DabeierhältdasThemaProduktkonfiguration
bisherinsbesondereausderbetriebswirtschaftlichenPerspektive[17]und
ausdemKontextderInformatik[18]erhöhteAufmerksamkeit.Trotzdem
stelltdieAngebotserstellungfürInvestitionsgüterimmernocheinenho‐
henKostenfaktordar,beieinervergleichsweisegeringenUmwandlungs‐
ratevon5‐20ProzentbeiIndustriegütern.AuchwerdenimSchnitt3,5Ter‐
mineimUmfangvonje10StundeninklusiveVor‐,Nachbereitungund
DurchführungfüreineNeukundengewinnungbenötigt[19].Hierauslässt
sichfürdieAutomatisierungderWissensarbeitbzw.desEngineeringsein
wesentlicherHandlungsbedarfableiten.[1,20]
DieAutomatisierungdesErstkontakts,desVertriebsbzw.derAngebotser‐
stellungmittelssoftwaregestützterLösungenwieKonfiguratorenstelltein
hohesRationalisierungspotentialdar[1,19].Konfiguratorensollenindivi‐
duelleKundenanforderungenineinezielkriterienoptimale,konsistente
Gesamtlösungumwandeln.HierbeisollenalleerforderlichenDokumente
entlangderAuftragsabwicklung,wiebeispielsweiseLastenhefteoderAn‐
gebotsdokumente,automatisiertgeneriertwerden.VorteilevonKonfigu‐
ratorensindeineReduktionderKostenbeisteigenderKundenzufrieden‐
heitdurchdieautomatisierteGenerierungkonsistenterAngeboteundso‐
mitdurcheineschnellereReaktionaufKundenwünsche.Nebeneiner
SteigerungderAngebotsqualität,kanngleichzeitigderSchulungsaufwand
fürdieVertriebsmitarbeiterreduziertwerden.[9,11,14]
1.3 Vorgehensweise
DieMethodenderWissensverarbeitung(MdW)sindvonaußenbetrachtet
inderRegelnichtsichtbar,fördernaberdenErfolgeinesProduktesbzw.
einerDienstleistungmaßgeblich.EingelungenesZusammenspielvieler
einzelnerKomponentenistentscheidendfürdieLeistungsfähigkeiteines

1Einleitung

4
Produktsbzw.desGesamtsystems[4].DabeitragendieMdWzurEntwick‐
lungs‐ undLerngeschwindigkeitsowiezurPerformancebei.Aberohne
sinnvolleGeschäftsmodelleentlangeinesProduktsoderServicesschaffen
dieMdWkeinenMehrwert.DieMontagebenötigtaktuell15bis70Prozent
derGesamtfertigungszeit,verursachtgleichzeitigmit70Prozentdengröß‐
tenAnteilderKostenundbietetdahereingroßesOptimierungspotential.
[12,21]
DahererfolgtdiewissensbasierteOptimierungdesEngineeringsamBei‐
spielderGrobplanungvonProduktionsanlagenbzw.Automatisierungslö‐
sungenimMontageumfeld,sieheBild1.HierzuwerdeninKapitel2dieer‐
forderlichenTechnologienundKonzepteausdemEngineeringerläutert.
DieseAufbereitungdienteinerseitsderZugänglichkeitfürdenLeserund
anderseitsalsExpertenwissenfürdieArchitekturundImplementierung
deswissensbasiertenKonfigurationssystems.Gleichzeitigunterstreichtdas
Kapitel2denHandlungsbedarffürdiedurchgeführteForschungstätigkeit.

Bild1:VorgehensweisederArbeit
AlsBrückezwischendemEngineering‐ExpertenwisseninKapitel2undder
wissensbasiertenKonfigurationinKapitel4dientderThemenblockderDi‐
gitalisierunginKapitel3.AusgehendvoneinerstrategischenPerspektive
2)Wissensbasis:Engineeringmechatronischer
Produktionsanlagen
3)Digitalisierung:KonzepteundMethodenzurDigita‐
lisierung desEngineerings
4)Konfigurationstechnologien:Wissensautomatisierung,
künstlicheIntelligenzundwissensbasierteKonfiguration
5)Engineering‐Konfigurator:Web‐und
wissensbasierterEngineering‐Konfiguratorfür
roboterzentrierteAutomatisierungslösungen
Ausgangs‐
situation
Wissens‐
beitrag
Engineering‐
Konfigurator
DreiWissens‐
bereiche
(W
1
‐W
3
)
Handlungs‐
bedarf
Experten‐
wissen
1)Einleitung
Zusammenfassung
7)ZusammenfassungundAusblick
Bedarf
Methodische
Grundlagen
6)EntwicklungsmethodefürEngineering‐
Konfiguratoren:MethodefürdieagileEntwicklung
vonEngineering‐Konfiguratoren

1.4Forschungsfrage

5
sowiedarausresultierendenGeschäftsmodellenwerdennotwendigeAn‐
sätzezurEntwicklunginnovativer,digitalerLösungenaufgezeigt.Hierauf
aufbauendwirdinKapitel4erläutert,wiebestehendeProzesseundLösun‐
genmittelswissensbasierterMethodenundSystemenachhaltigoptimiert
werdenkönnenundwelcheGrenzenbisherbestehen.Hierausleitetsich
derLösungsansatzeinesweb‐undwissensbasiertenEngineering‐Konfigu‐
ratorsinKapitel5unddiehierfürbenötigteEntwicklungsmethodeinKa‐
pitel6ab.Kapitel5und6werdenaufBasisdernachfolgendenprimären
Forschungsfragestrukturiert.
1.4 Forschungsfrage
InsbesonderebeiAnsätzenzurOptimierungdesEngineeringsvonAuto‐
matisierungslösungenbestehteinHandlungsbedarf.Auchdieskalierbare,
arbeitsteiligeundvereinfachteNutzbarmachung,EntwicklungundWie‐
derverwendungvonWissenzur„Massenproduktion“desWissensprodukts
„Engineering‐Lösung“wirdbishernichtbetrachtet.Hierausleitetsichder
primäreHandlungsbedarfsowiediezubeantwortendeForschungsfrageab:
1) KanndasEngineeringvonroboterzentriertenAutomatisierungslösun‐
genvereinfachtundskalierbaroptimiertwerden?
UmdieForschungsfragezubeantworten,wirdderEngineering‐Konfigura‐
tor(EK)fürroboterzentrierteAutomatisierungslösungen(RA)eingeführt,
illustriertundvalidiert.HierzuwirdinKapitel5dargelegt,wiemitHilfe
einesEKinnerhalbeinesWebplattformökosystemsbasierendaufMicroser‐
vices(MS)dienotwendigeKundenbasisgeschaffenwerdenkann.Inner‐
halbdiesesWebplattformökosystemsstellenKonfiguratorenmögliche
Microservicesdar.UmwiederumdieEntwicklungdesEKfeingranularer
undarbeitsteiligerzugestalten,werdeninKapitel6dreiWissensbereiche
(W1‐W3)mitindividuellenTeilmethodendefiniert:dasWissenüberden
Anwendungsfallbzw.dieNutzer(W1),dieBestPracticesalsfallspezifisches
Lösungswissen(W2)unddasgenerischebzw.logischeExpertenwissen
(W3).Dieseermöglicheneineeffiziente,skalierbareundagileEntwicklung
vonEK.ZusätzlichwirdeinestrukturierteWiederverwendungdergeschaf‐
fenenWissenselementeermöglicht.DieValidierungderMethodenund
KonzepteerfolgtimRahmenvonTeilprototypensowieeinerGesamtvali‐
dierungentlangderWebplattformROBOTOPzurGrobplanungvonRA.




 
157

7 ZusammenfassungundAusblick
WissensbasierteKonfiguratorenentwickelnsichseitmehrerenJahrzehn‐
tenzunehmendzueinemwichtigenInstrumentderDigitalisierung.Immer
mehrUnternehmenbesitzensowohlfürinterneMitarbeiteralsauchfür
KundenzumTeilhochindividualisierteProduktkonfiguratoren.DerEin‐
satzvonKonfiguratorenfürdasEngineeringspieltbislangnureineunter‐
geordneteRolle.DabeibestehtinsbesonderebeiAnsätzenzurOptimie‐
rungdesEngineeringsvonroboterzentriertenAutomatisierungslösungen
(RA)Handlungsbedarf.HierausleitetsichdiezubeantwortendeFor‐
schungsfragedieserDissertationab:„KanndasEngineeringvonRAverein‐
fachtundskalierbaroptimiertwerden?“DieseForschungsfragewirdent‐
langderzweiHauptkapitel5und6beantwortet.
InKapitel5wirddergenerelleLösungsansatzvorgestellt:derweb‐undwis‐
sensbasiertenEngineering‐Konfigurator(EK).UmdieSkalierbarkeitvon
EKzuberücksichtigen,werdendieseimKontextvonWebplattformenbe‐
trachtet.AnhandderIdeeeinesWebplattformökosystemswirdvorgestellt,
wieKonfiguratorenundweitereEngineering‐Funktionenbzw.‐Microser‐
vices(MS)ineineMS‐basierteWebplattformeingebundenwerdenkön‐
nen.EineMS‐basierteSoftwarearchitekturstellteinenvielversprechenden
LösungsansatzfürEndkundenplattformenwieAmazon,Otto,Zalando
oderNetflixdar.HierbeiwirddieGesamtfunktionalitäteinerWebplatt‐
formineinzelneSubfunktionalitätenbzw.MSmitdefiniertenSchnittstel‐
lenaufgeteilt.SomitkönnendieMSvonverschiedenenTeamsarbeitsteilig
undunabhängigentwickeltwerden.EinzelneMS‐Anbieterkönnenver‐
schiedeneEngineering‐MSfürWebplattformenbereitstellen.Hierdurch
kanneinWebplattformbetreiberaufvielehochspezialisierteModulebzw.
MSzurückgreifenunddieseimKontexteinerganzheitlichenEngineering‐
LösungfüreinespezifischeZielgruppezusammenstellen.Beispielefürdie
Engineering‐Funktionenbzw.MSsindKonfiguration,Simulation,3D‐Dar‐
stellungoderDatenexport.DieVorstellungdesMS‐basiertenLösungsan‐
satzessowiederMSfürdasEngineeringerfolgtamBeispielderWebplatt‐
formROBOTOPzurPlanungvonRA.InsbesonderedieWissensaufberei‐
tungstelltbeiderEntwicklungvonEKbzw.derWebplattformROBOTOP
dieprimäreHerausforderungdar.
UmdiesesDefizitzuadressieren,wirdinKapitel6dieEntwicklungvon
wissensbasiertennutzerzentriertenEKindreiWissensbereiche(W1–W3)

7ZusammenfassungundAusblick
158
unterteilt,welchealssolchearbeitsteiligerstelltwerdenkönnen:dasWis‐
senüberdenAnwendungsfallbzw.dieNutzer(W1),dieBestPractices(BP)
alsfallspezifischesLösungswissen(W2)unddasgenerischebzw.logische
Expertenwissen(W3).Dieseermöglicheneineeffiziente,skalierbareund
agileEntwicklungvonEK.ZusätzlichwirdeinestrukturierteWiederver‐
wendungdergeschaffenenWissenselementeermöglicht.
ImerstenWissensbereich(WissenüberdenAnwendungsfallbzw.dieNut‐
zer(W1)),wurdennutzerzentrierteMethodenundKonzepteaufdieKonfi‐
guratorenentwicklungübertragen.DabeiwirdeineEntwicklungsmethode
fürnutzerzentrierteEKeingeführtundanhandvondreiAnwendungsfällen
demonstriert.DiedetaillierteVorstellungundValidierungderMethodeer‐
folgtdurcheinenerstenAnwendungsfall.DieZielgruppebzw.Proto‐Per‐
sonaisteinPlanereinesproduzierendenmittelständischenUnterneh‐
mens.DiesermöchteeineRAfürdieFertigungkonzeptionierenundbe‐
schaffen.DerzweiteAnwendungsfalladressiertdenVR‐unterstützten
VertriebvonRA.DieserwirdaufBasiseineswebbasiertenMehrbenutzer‐
systemsumgesetzt.DerFunktionsprototypvonAnwendungsfallzweiwird
basierendaufdemVR‐HardwaresystemHTCVIVEProerstellt.FürdenAn‐
wendungsfalldreiwirddieAR‐BrilleHololens2verwendet,umdieEngi‐
neering‐KonfigurationimrealenIndustrieumfelddurchzuführen.
DieEntwicklungdesTop‐downEKerforderteinemodulare,generischeBP‐
ArchitekturvonRAalswesentlicheDatengrundlage(W2).EineModulari‐
sierungvonBPentlangder3‐EbenenBP‐ArchitekturkannaufBasisvon
Prozessmodulen,Komponenten,Layout‐undvisuellenGestaltungs‐sowie
Informationsobjektenerfolgen.ZurValidierungderBP‐Entwicklungs‐
methodewurdeninsgesamtsechsBP‐Szenen(BP1‐6)exemplarischauf‐
bereitet.DieBPkönneninKombinationmitgenerischemEngineering‐
Wissen(z.B.inFormvonConstraints)anschließendfürdiejeweiligeSitu‐
ationimRahmeneinerAnpassungskonfigurationindividualisiertwerden.
UmdiedafürnotwendigenKonfigurationsmodelle(W3)zuerstellen,muss
dasExpertenwissenextrahiert,vorverarbeitetundverdichtetwerden.Für
dieErarbeitungdeslogischenExpertenwissensbasierendaufConstraints
wirdmitder150%TopologieunddendamitverbundenenachtSchritten
einededizierteEntwicklungsmethodevorgestellt.DiesesVorgehenermög‐
lichteinestrukturierteAufbereitungsowieÜbertragbarkeitvonExperten‐
wissenaufweiterewissensbasierteProjekte.
DieValidierungderMethodenundKonzepteerfolgtimRahmenvonmeh‐
rerenTeilprototypensowieeinerGesamtvalidierungentlangderWebplatt‐
formROBOTOP.ImRahmendesWissenserwerbsundderModellierung

7ZusammenfassungundAusblick

159
wurdendievorgestelltenSchrittederBP‐Aufbereitung(Kapitel6.3)sowie
derAufbereitungdeslogischenExpertenwissens(Kapitel6.4)durchge‐
führt.DieAufbereitungderBP‐SzenefürdenEKerfolgteentlangdervor‐
geschlagenenMethode,zuerstals2D‐,gefolgtvonder3D‐Aufbereitungder
BPinInventor.UmdieseineinenEKzuüberführen,wirdinKapitel6.5.1
eineVorgehensweisefürdieImplementierungvon3D‐EKvorgestellt.Zur
ValidierungdesEKsowiederMethodewurdenzweiFallstudienfürRAer‐
stellt,inwelchendieBP1‐„Bearbeitungsmaschinebeladenundentladen“
(handhaben)sowieBP4‐„Werkstückemontieren“(handhabenundfügen)
verwendetwerden.AlsErgebniswurdeeinEKgeschaffen,welcherdiePla‐
nungeinerRAaufeinfacheWeiseübernehmenkann.Hierdurchwirddie
AnwendbarkeitdesEKsowiederEntwicklungsmethodenachwiesen.
ZusammenfassendkannderEKaufBasisderdreiWissensbereiche(W
1
–
W
3
)entwickeltwerden.FüreineeffektiveEKsindhierbeidieWissensbe‐
reicheW
2
undW
3
ausreichend,umeinenfunktionalenundpräzisenEKbe‐
reitzustellen,sieheBild104.FüreineeffizienteAufgabenerfüllungwirdein
dediziertesVerständnisdeswirtschaftlichrelevantenAnwendungsfallsso‐
wiederinvolviertenNutzer(W
1
)benötigt.AufbauendaufdiesemNutzer‐
verständniskannz.B.übereineVR‐oderAR‐AnwendungdieZufrieden‐
heitderNutzergesteigertwerden.

Bild104:DreiEntwicklungsstufenvonEKvonderEffektivitätbeiderAufgabenerfüllungzur
ZufriedenheitderNutzer[P10]
UminZukunftdurchgängigeEngineeringlösungenundEKaufBasisvon
MSzuermöglichen,bedarfessemantischkonsistenterDatenmodelle[188].
FolgendesZitatausderdeutschenNormungsroadmapIndustrie4.0,ver‐
deutlichtderenRelevanz:„DieauszutauschendenDatenmüssenbeider
Maschine‐zu‐Maschine‐KommunikationundMaschine‐zu‐Mensch‐Kom‐

7ZusammenfassungundAusblick
160
munikationfürallekommunizierendenPartnerdiegleicheBedeutungha‐
ben.Dieswirderreicht,wenn(1)eingemeinsamesVokabularverwendet
wird,(2)derKontextbekanntist,indemdieeinzelnenVokabelnverwen‐
detwerden,(3)vereinbarteBildungsregelnfürSätzefürdenNachrichten‐
austauscheingehaltenwerdenund(4)dieFolgedesAustauschesderVo‐
kabelnbeziehungsweisederSätzeinderbeabsichtigtenArtundWeisein‐
terpretiertwerden.“[147,S.24]DurchdieFusiondisziplinübergreifender
MethodenkanneinesystematischeEntwicklungvonsemantischkonsis‐
tentenDatenmodellenerreichtwerden.HierzukönnenMethodenund
WerkzeugeausderProzessweltwiederProzessgesteuerteAnsatzbzw.
BPMN[P4,8]mitdurchgehendenarbeitsteiligenModellierungsansätzen
aufBasisvonAutomationML[P3]kombiniertwerden.DieStrukturierung
undOrchestrierungdesModellierungsprozesseserfolgthierbeiübergrafi‐
scheundausführbareProzessmodellebasierendaufBPMN.DieAufberei‐
tungderDatenmodelleerfolgtindemDatenformatAutomationML.
ZusätzlichkönnendieBPsowielogischenKonfigurationsmodelleweiter‐
entwickeltwerden.Einetechnisch‐funktionelle2D‐Darstellungfürdiewei‐
terführendeAufbereitungvonBPistdurchdieAnreicherungüberdas
SchnittstellendiagrammausKapitel2.4.4undmittelsFähigkeitenausKa‐
pitel2.4.5denkbar,sieheBild105.

Bild105:Technisch‐funktionelleAufbereitungvonBPmittelsSchnittstellendiagrammund
desfähigkeitsbasiertenAnsatzesfürdieDetailplanung
HieraufaufbauendkönnendieConstraintssowielogischenKonfigurati‐
onsmodellevonEKimRahmenvonzukünftigenForschungsprojekten
nochgenerischerentwickeltwerden.
Fähigkeiten(F):GriffindieKiste
Legende
F:Pick&Place
F:
Bewegen
F:
Halten
Roboter
Greifer
F:Position
bestimmen
Sensor
VerbundeneModulezuhöheren
Fähigkeiten
Werkstück
Sockel
2
22
0
Roboter‐
steuerung
Anlagen‐
steuerung
0
22
0
2
00
00
20
0
2
00
0
Sensor
0
20
0
0
22
0
2
00
0
P
I
E
M
Physikalische
Verbindung Energie‐
transfer
Informations‐
austausch Material‐
austausch
0
20
0
2
22
0
2
00
0
F:Position
bestimmen
F:Bewegen
F:Halten
F:Steuern
F:Bahnplanung
F:Bewegen
Förderband
2
00
0
2
00
0
0
22
0

 
161
8 Summaryandoutlook
Knowledge‐basedconfiguratorshaveincreasinglydevelopedintoanim‐
portantinstrumentofdigitizationoverthepastdecades.Anincreasing
numberofcompaniesutilisehighlyindividualisedproductconfigurators
forbothinternalemployeesandcustomers.Theuseofconfiguratorsfor
engineeringhasplayedonlyaminorrolesofar.Thereisaparticularneed
foractioninapproachestooptimisetheengineeringofrobot‐centred
automationsolutions(RA).Fromthistheresearchquestiontobeanswered
inthisthesisisderived:"CantheengineeringofRAbesimplifiedandscal‐
ablyoptimised?Thisresearchquestionisansweredalongthetwomain
chapters5and6.
Inchapter5thegeneralapproachispresented:theweb‐andknowledge‐
basedEngineeringConfigurator(EK).Inordertoconsiderthescalabilityof
EK,thesearelookedatinthecontextofwebplatforms.Basedontheidea
ofawebplatformecosystem,itispresentedhowconfiguratorsandother
engineeringfunctionsormicroservices(MS)canbeintegratedintoanMS‐
basedwebplatform.AMS‐basedsoftwarearchitecturerepresentsaprom‐
isingapproachforendcustomerplatformssuchasAmazon,Otto,Zalando
orNetflix.Theoverallfunctionalityofawebplatformisdividedintoindi‐
vidualsub‐functionsorMSwithdefinedinterfaces.Thus,theMScanbe
developedindependentlybydifferentteamswithadivisionoflabour.Indi‐
vidualMSproviderscancaterfordifferentengineeringMSforwebplat‐
forms.Thisenablesawebplatformoperatortoaccessmanyhighlyspecial‐
isedmodulesorMSandcomposetheminthecontextofaholisticengin‐
eeringsolutionforaspecifictargetgroup.Examplesoftheengineering
functionsorMSareconfiguration,simulation,3Dvisualisationordataex‐
port.ThepresentationoftheMS‐basedsolutionaswellastheMSfor
engineeringisbasedontheexampleofthewebplatformROBOTOPfor
planning.Inparticular,theprocessingofknowledgerepresentstheRApri‐
marychallengeinthedevelopmentofEKortheROBOTOPwebplatform.
Inordertoovercomethisdeficit,chapter6dividesthedevelopmentof
knowledge‐based,user‐centredEKintothreeareasofknowledge(W1‐W3),
whichcanbeelaboratedinadivisionoflabour:knowledgeaboutthecase
orusers(W1),BestPractices(BP)ascase‐specificsolutionknowledge(W2)
andgenericorlogicalexpertknowledge(W3).Theseallowforanefficient,
scalableandagiledevelopmentofEK.Inaddition,astructuredreuseofthe
createdknowledgeelementsisenabled.

8Summaryandoutlook
162
Inthefirstareaofknowledge(knowledgeaboutusecasesortheusers
(W1)),user‐centredmethodsandconceptsweretransferredtoconfigurator
development.Adevelopmentmethodforuser‐centredEKisintroduced
andimplementedonthebasisofthreeusecases.Thedetailedpresentation
andvalidationofthemethodisprovidedbyaprimaryusecase.Thetarget
grouporproto‐personaisaplannerofamedium‐sizedmanufacturing
company.HewantstodesignandprocureanRAfortheproduction.The
secondusecaseaddressestheVR‐supporteddistributionofRA.Thisisim‐
plementedonthebasisofaweb‐basedmulti‐usersystem.Thefunctional
prototypeofusecasetwoiscreatedbasedontheVRhardwaresystemHTC
VIVEPro.Forusecasethree,theARglassesHololens2willbeusedtoper‐
formtheengineeringconfigurationinarealindustrialenvironment.
Thedevelopmentofthetop‐downEKrequiresamodular,genericarchitec‐
tureofBPfromRAastheessentialdatabasis(W2).AmodularisationofBP
alongthe3‐levelBP‐architecturecanbedonebasedonprocessmodules,
components,layout,visualdesignandinformationobjects.Tovalidatethe
BPdevelopmentmethod,atotalofsixBPscenes(BP1‐6)wereprepared
asexamples.Incombinationwithgenericengineeringknowledge(e.g.in
theformofconstraints),theBPcanthenbeindividualisedfortherespect‐
ivesituationwithintheframeworkofanadaptationconfiguration.
Inordertocreatethenecessaryconfigurationmodels(W3),theexpert
knowledgemustbeextracted,pre‐processedandcondensed.Adedicated
developmentmethodispresentedforthedevelopmentofthelogicalexpert
knowledgebasedonconstraintswiththe150%topologyandtheassociated
eightsteps.Thisprocedureenablesastructuredprocessingaswellastrans‐
ferabilityofexpertknowledgetofurtherknowledge‐basedprojects.
Thevalidationofthemethodsandconceptsisachievedwithintheframe‐
workofseveralpartialprototypesaswellasanoverallvalidationalongthe
webplatformROBOTOP.Withintheframeworkofknowledgeacquisition
andmodelling,thestepspresentedwerecarriedoutforBPpreparation
(chapter6.3)andtheprocessingofthelogicalexpertknowledge(chapter
6.4).ThepreparationoftheBPscenefortheEKwasattainedalongthe
proposedmethod,firstas2D,followedbythe3DpreparationoftheBPin
Inventor.InordertotransfertheseintoanEK,aprocedureforimplement‐
ing3DEKispresentedinchapter6.5.1.TovalidatetheEKandthemethod,
twocasestudieswerepreparedforRA,inwhichBP1‐"Machinetoolload‐
ingandunloading"(handling)andBP4‐"Workpieceassembly"(handling

8
Summaryandoutlook
163
andjoining)areused.AsaresultanEKwascreatedwhichcaneasilyexe‐
cutetheplanningofanRA.ThisprovestheapplicabilityoftheEKandthe
developmentmethod.
Insummary,theEKcanbedevelopedonthebasisofthethreeareasof
knowledge(W
1
‐W
3
).ForaneffectiveEK,theknowledgeareasW
2
andW
3

aresufficienttoprovideafunctionalandpreciseEK,seefigure106.Foref‐
ficienttaskfulfilment,adedicatedunderstandingoftheeconomically
relevantapplicationandtheusersinvolved(W
1
)isrequired.Basedonthis
userunderstanding,thesatisfactionoftheuserscanbeincreased,e.g.
throughVRorARapplications.

Bild106:ThreedevelopmentstagesofEKfromeffectivenessintaskfulfilmenttouser
satisfaction[P10]
Semanticallyconsistentdatamodelsarerequiredtoenableconsistenten‐
gineeringsolutionsandEKonthebasisofMS[188].Thefollowingquota‐
tionfromtheGermanIndustry4.0standardisationroadmapillustratesits
relevance:Thedatatobeexchangedmusthavethesamemeaningforall
communicatingpartnersinmachine‐to‐machinecommunicationandma‐
chine‐to‐humancommunication.Thisisachievedif(1)acommonvocabu‐
laryisused,(2)thecontextinwhichtheindividualwordsareusedis
known,(3)agreedrulesofformationofsentencesfortheexchangeofmes‐
sagesarefollowedand(4)theconsequencesoftheexchangeofthewords
orsentencesisinterpretedintheintendedway.[147]
Thefusionofcross‐disciplinarymethodscanachieveasystematicdevelop‐
mentofsemanticallyconsistentdatamodels.Forthispurpose,methods
andtoolsfromtheprocessworldsuchastheprocess‐controlledapproach
orBPMN[P4,8]canbecombinedwithcontinuousmodellingapproaches

8Summaryandoutlook
164
basedonAutomationML[P3].Thestructuringandorchestrationofthe
modellingprocessisachievedbygraphicalandexecutableprocessmodels
basedonBPMN.Thepreparationofthedatamodelsisconductedinthe
dataformatAutomationML.
Inaddition,theBPandlogicalconfigurationmodelscanbefurtherdevel‐
oped.Atechnical‐functional2Drepresentationforthefurtherpreparation
ofBPisconceivablethroughenrichmentviatheinterfacediagramfrom
chapter2.4.4andbymeansofcapabilitiesfromchapter2.4.5,seefigure107.

Bild107:Technical‐functionalpreparationofBPbyusinganinterfacediagramandthe
capability‐basedapproachfordetailedplanning
Basedonthis,EKconstraintsandlogicalconfigurationmodelscanbede‐
velopedevenmoregenericallyinfutureresearchprojects.




Skills(S):Grippingintothebox
Legend
P
I
E
M
Physical
connection Energy
transfer
Information
exchange Material
exchange
S:Pick&Place
S:
Move
S:
Hold
Robot
Gripper
S:Position
determi‐
nation
Sensor
Linkedmodulestohigherskills
Workpiece
Base
2
22
0
Robot
control
Linecontrol
system
0
22
0
2
00
00
20
0
2
00
0
Sensor
0
20
0
0
22
0
2
00
0
0
20
0
2
22
0
2
00
0
S:Position
determination
S:Move
S:Hold
S:Control
S:Pathplanning
S:Move
Conveyorbelt
2
00
0
2
00
0
0
22
0

 
165
9 Anhang
9.1 DanksagungundEinordnung
DievorliegendeDissertationistimRahmendesForschungsprojektesRO‐
BOTOP‐„Modulare,offeneundinternetbasiertePlattformfürRoboter‐
AnwendungeninIndustrieundService“entstanden.DasForschungs‐und
EntwicklungsprojektROBOTOPwirdvomBundesministeriumfürWirt‐
schaftundEnergie(BMWi)gefördert.EsistTeildesTechnologiepro‐
gramms„PAiCEDigitaleTechnologienfürdieWirtschaft“undwirdvom
DLR‐Projektträger„Informationstechnologien/Elektromobilität“ausKöln
geleitet.ImRahmenderForschungstätigkeitvonROBOTOPentstandmit
dreiUniversitätenundvierIndustriepartnerneinehervorragendeArbeits‐
gemeinschaft,sieheBild108.DahermöchteichmichsowohlbeidemBun‐
desministeriumfürWirtschaftundEnergiebedanken,welchesdasFor‐
schungsprojektROBOTOPideellundfinanziellgeförderthatalsauchbei
demROBOTOPProjektkonsortiumfürdieguteZusammenarbeitundden
ausgezeichnetenfachlichenundwissenschaftlichenAustausch.

Bild108:EinordnungdereigenenForschungsaktivitätentlangvonROBOTOP;erstelltes
DesigndurchSCHÄFFERfürdasROBOTOPKonsortium
DerSchwerpunktdereigenenForschungstätigkeitliegtaufderSystemar‐
chitekturzurKondensationdesGesamtbildesundaufderKonfiguration
alsSpezialthema.ParallelhierzuerfolgteeinprojektübergreifenderWis‐
senstransfermitdenweiteren16ForschungsprojektendesPAiCEPro‐
gramms.DerAustauschwurdedurchdieBegleitforschungdesVDI/VDE
Innovation+TechnikGmbHkoordiniert.DanebensindeinegroßeAnzahl
vonAbschlussarbeiteninderForschungundIndustrieentstanden,welche
(4)
Systemarchitektur
und
Schnittstellen
Robotik
PLM,Engineering
undSimulation
ROBOTOP
SmartComponents
ERPund
Webplattform
Basiskonfigurator
ROBOTOP
Greifer
ErsteValidierungsanwendungsfälle
IPS
LPS
wbk
infosim
Icarus
Bosch
FAPS
schunk

Anhang
166
weitere,relevanteEinblickeinaktuelleHerausforderungen,Denkweisen
undLösungsansätzederindustriellenForschungaufzeigen.
InTabelle24sinddieProjektpartnerdesForschungsprojektsROBOTOP
zusammengefasstbzw.aufgeführt.

Tabelle24:ÜbersichtüberdieProjektpartnerdesForschungsprojektsROBOTOPimRahmen
desTechnologieprogrammsPAiCE
Nr.ProjektpartnerdesForschungsprojektsROBOTOP
1.
LehrstuhlfürFertigungsautomatisierungundProduktionssystematik(FAPS‐
www.fau.de)derFriedrich‐Alexander‐UniversitätErlangen‐Nürnberg(FAU‐
www.faps.fau.de)
2.ICARUSConsultingGmbH(Icarus‐www.icarus‐consult.de)
3.InfosimGmbH&Co.KG(infosim‐www.infosim.net)
4.InstitutfürProduktionstechnik(wbk‐www.wbk.kit.edu)
desKarlsruherInstitutsfürTechnologie(KIT‐www.kit.edu)
5.RobertBoschGmbH(Bosch‐www.bosch.de)
6.LehrstuhlfürProduktionssysteme(LPS‐www.lps.ruhr‐uni‐bochum.de)der
Ruhr‐UniversitätBochum(www.ruhr‐uni‐bochum.de)
7.SCHUNKGmbH&Co.KGSpann‐undGreiftechnik(schunk‐www.schunk.com)
8.InstitutfürProduktionssysteme(IPS‐www.ips.tu‐dortmund.de)derTechni‐
schenUniversitätDortmund(IPS‐www.tu‐dortmund.de)



 




Abstract
Themarketforrobot‐centricautomation(RA)solutionsisaglobalgrowth
industry.Nevertheless,duetothehighcostandcomplexityofrobot‐
centricautomationsolutions,smallandmedium‐sizedenterprises(SMEs)
oftenfallshortofthistrend.
Subjectandobjectiveofthedissertationisthecreationofefficientandscal‐
ableengineeringconceptsandsolutionsfortheplanningofRAsolutions
basedonwebtechnologies.Forthispurpose,theengineeringconfigurator
concept,amicroservice‐basedwebplatformreferencearchitecture,anda
developmentmethodrequiredforengineeringconfiguratorsbasedon
threesub‐methods(W1‐W3)wereintroduced.Viauser‐centereddevelop‐
mentapproaches,amodulararchitectureforRAsolutionsaswellas
approachesfromknowledge‐basedconfiguration(subfieldfromartificial
intelligence(AI)),sales,planningandengineeringofrobot‐centered
automationsolutionsaremadeaccessibletoabroaderaudience.The
conceptsandmethodswerevalidatedinthecontextoftheROBOTOPweb
platformaswellasbymeansofvarious3Dweb,AR(AugmentedReality)
andVR(VirtualReality)multi‐userdemonstrators.Theconceptsand
methodsthusalsoenableefficientdigitalizationorprocessautomationof
theengineeringofRAsolutionsthroughtheintroduced,structuringmeth‐
odsforknowledgeacquisition,modelingaswellasimplementationand
therebysupportthevisionofthedigitaltwininthecontextofIndustry4.0.

FAU UNIVERSITY PRESS 2021
ISBN 978-3-96147-410-3
UNIVERSITY
PRESS
Eike Wolfram Schäffer
Web- und wissensbasierter
Engineering-Konfigurator
für roboterzentrierte
Automatisierungslösungen
Der Markt für roboterzentrierte Automatisierungslösungen (RA) ist ein globaler Wachs-
tumsmarkt. Aufgrund der hohen Kosten und Komplexität von RA bleiben häufig kleine
und mittlere Unternehmen (KMU) hinter diesem Trend zurück.
Gegenstand und Zielstellung der Promotion ist die Schaffung von effizienten sowie
skalierbaren Engineering-Konzepten und -Lösungen für die Planung von RA auf
Basis von Webtechnologien. Hierfür wurden das Konzept des Engineering-Konfigu-
rators, eine microservicebasierte Webplattform-Referenzarchitektur sowie eine für
Engineering-Konfiguratoren benötigte Entwicklungsmethode basierend auf drei Teilme-
thoden (W1-W3) eingeführt. Über nutzerzentrierte Entwicklungsansätze, eine modulare
Architektur für RA sowie Ansätze aus der wissensbasierten Konfiguration (Teilbereich
aus der künstlichen Intelligenz (KI)) werden der Vertrieb, die Planung und das Engineering
von RA einem breiteren Publikum zugänglich gemacht. Validiert wurden die Kon-
zepte und Methoden im Rahmen der Webplattform ROBOTOP sowie anhand diverser
3D-Web-, AR (Augmented Reality)- und VR (Virtual Reality)-Mehrbenutzer-Demonstra-
toren. Die Konzepte und Methoden befähigen somit auch eine effiziente Digitalisierung
bzw. Prozessautomatisierung des Engineerings von RA durch die eingeführten, struk-
turierenden Methoden zur Wissenserfassung, -modellierung sowie -implementierung
und unterstützen dabei die Vision des digitalen Zwillings im Kontext von Industrie 4.0.
Eike Wolfram Schäffer Engineering-Konfigurator für roboterzentrierte Automatisierungslösungen
FAU Studien aus dem Maschinenbau 364
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