Digital Twin in Objektvermessung: Virtuelle Darstellung physischer Messprozesse

Der statische digitale Zwilling und der dynamische digitale Zwilling unterscheiden sich in Aktualisierungshäufigkeit, Datenbasis, Speichervolumen und Anwendung – beide verwenden dasselbe Datentripel (Zeitstempel + Teile-ID + Messdatensatz), jedoch mit unterschiedlicher Synchronisationshäufigkeit.

Statischer Digital Twin – wird einmalig aus Messdaten erstellt; keine Live-Aktualisierung nach der Erstellung. Anwendung: Qualitätsdokumentation, Rückverfolgbarkeitsarchiv, konformes Prüfprotokoll (ISO 9001, IATF 16949). Speicherbedarf pro Bauteil: 1–600 MB (Punktwolke + Z-Map + thermische Heatmap + Metadaten).

Dynamischer Digital Twin – wird kontinuierlich anhand von Live-Sensordaten aktualisiert. Synchronisationsfrequenz: bis zu 100 Hz (IRSX-Infrarotkamera, thermische Zeitreihen) oder 10.000 Profile/s (C6-Lasertriangulationssensor, geometrische Zeitreihen).

Anwendung: Echtzeit-Prozesssteuerung, vorausschauende Instandhaltung, geschlossene Qualitätsregelung.

Die Echtzeit-Prozesssteuerung und die SPS-Signalverarbeitung werden im Artikel „Prozessüberwachung / Prozesssteuerung“ behandelt.

Ein digitaler Zwilling, der auf den AT Sensors basiert, speichert fünf Datenformate, die sich hinsichtlich Dateninhalt, Dateityp, Dateigröße und Anwendung innerhalb des Zwillingsmodells unterscheiden.

Jedes Format enthält das Datentripel – Zeitstempel + Teil-ID + Sensor-ID – als obligatorische Metadaten.

Abweichungskarte

Die Abweichungskarte ist das zentrale Auswertungsergebnis des Product Twin.

Sie wird erzeugt durch pixelweiser Subtraktion der tatsächlichen Punktwolke vom CAD-Referenzmodell, wobei jedem Messpunkt (x, y) eine Abweichung in µm zugewiesen wird.

\[\Delta d(x,y) = d_{tatsächlich} – d_{Nennwert}\]

Ein C6-Laser-Triangulationssensor erfasst diese Abweichung bereits ab 0,1 µm.

Die Abweichungskarte stellt jeden Messpunkt als Farbwert dar – von −Toleranz (blau) bis 0 (grün) bis +Toleranz (rot).

Abweichungen außerhalb des GD&T-Toleranzbereichs werden als NIO-Pixel.

Speichereffizienz:

Die Speichereffizienz des Twin-Modells wird durch selektive Archivierung gesteigert:

• IO components without deviation → only metadata + IO/NIO signal (< 1 KB)
• NIO-Komponenten → vollständige Punktwolke + Abweichungskarte + thermische Heatmap (bis zu 600 MB)

Interne Links: Punktwolken, Netzmodelle (STL/OBJ)

Der statische digitale Zwilling dokumentiert den vollständigen Ist-Zustand jeder Komponente zum Zeitpunkt der Inspektion – ohne manuellen Aufwand, konform mit ISO 9001 und IATF 16949. Der Twin-Datensatz besteht aus: Punktwolke + Z-Map + thermischer Heatmap + IO/NIO-Entscheidung, verknüpft mit Zeitstempel und Teile-ID.

Vergleich von Soll- und Ist-Werten:

Das Twin-Modell überlagert die tatsächliche Punktwolke mit dem CAD-Referenzmodell und berechnet für jeden Messpunkt die Abweichung – dargestellt als Abweichungskarte.

Ein C6-Laser-Triangulationssensor erkennt:

• Tiefenabweichungen von 0,1 µm
• seitliche Auflösung von 5 µm

Jeder Messpunkt wird wie folgt klassifiziert:

• IO — innerhalb des GD&T-Toleranzbereichs
• NIO — außerhalb des Toleranzbereichs

Serienbewertung:

K-Formel (Closed Loop) wurde bewusst durch Prosabeispiel ersetzt — zu abstrakt für B2B-Webartikel. 

Der digitale Zwilling fasst Abweichungskarten über n aufeinanderfolgende Komponenten und berechnet den mittleren Abweichungsvektor pro Messpunkt:

\[\bar{d}(x,y) = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \Delta d_i(x,y)\]

Begriffsbestimmungen:

• \(\bar{d}(x,y)\) – mittlere Abweichung am Messpunkt (x,y) über n Komponenten, in µm
• \(\Delta d_i(x,y)\) — Abweichung der i-ten Komponente am Punkt (x,y) in µm
• \(n\) – Anzahl der ausgewerteten Komponenten

Wenn \(\bar{d}(x,y)\) über drei aufeinanderfolgende Messwerte hinweg monoton in dieselbe Richtung ansteigt, stuft das Twin-Modell dies als Prozessdrift ein – einen systematischen Fertigungsfehler, der durch Werkzeugverschleiß, thermische Ausdehnung oder Verschleiß der Spannvorrichtung verursacht wird. Die Erkennung erfolgt, bevor die Toleranzgrenzen überschritten werden, da der Trend bereits innerhalb des Toleranzbandes erkennbar ist.

Verbleibende Lebensdauer:

The remaining lifetime until the tolerance limit is reached is calculated as: \[\frac{T_{limit} – \bar{d}_{current}}{a}\]

Begriffsbestimmungen:

• \(T_{limit}\) – Toleranzgrenze, in µm
• \(\bar{d}_{current}\) — aktuelle mittlere Abweichung in µm
• \(a\) – Driftrate in µm pro Komponente

Der dynamische digitale Zwilling schließt den Regelkreis zwischen Sensor, Auswertung und Produktionsprozess – in zwei Anwendungsrichtungen:

Prozessoptimierung im Regelkreis (geometrische Zeitreihen, C6-Reihe) und vorausschauende Instandhaltung (thermische Zeitreihen, IRSX-Serie).

Prozessoptimierung im geschlossenen Regelkreis

Die Abweichungskarte wird als Regelgröße an die SPS/das MES zurückgemeldet.

Das Twin-Modell berechnet den Korrekturwert proportional zur mittleren Abweichung am kritischen Messpunkt – mit negativem Vorzeichen, da die Korrektur der Richtung der Abweichung entgegenwirkt.

Konkretes Beispiel:

Ein C6-Sensor erkennt eine Profilabweichung von +8 µm auf einer gefrästen Oberfläche → der Twin berechnet einen Korrekturwert → die SPS reduziert den Werkzeugvorschub → die nächste Charge liegt innerhalb des GD&T-Toleranzbandes.

Gesamter Regelkreis:

sensor → twin evaluation → PLC correction: < 10 ms

Die Infrarotkamera IRSX liefert eine Temperaturzeitreihe mit einer Frequenz von 100 Hz.
Das Twin-Modell berechnet die Abweichung \Delta T(t) vom Basistemperaturprofil T_{base} – dem Referenzprofil unter normalen Betriebsbedingungen.

Wenn \Delta T(t) \geq 0,5\,K ist und über drei aufeinanderfolgende Messintervalle monoton ansteigt, stuft das Zwillingsmodell die Anomalie als Wartungsereignis ein.

Typische Vorlaufzeit: 48–72 Stunden vor dem Ausfall.

Das geometrische Gegenstück:

Der C6-Sensor erkennt Werkzeugverschleiß anhand der Profilzeitreihe, sobald die Driftrate a \geq 0,5\,\mu m/\text{Komponente} beträgt.

Der Werkzeugwechsel kann daher geplant werden, , bevor es zu einer Toleranzüberschreitung kommt.

IATF 16949 Abschnitt 8.6.2 schreibt die Rückverfolgbarkeit aller Prüfergebnisse für spezielle Produktmerkmale vor.

Der Datensatz des digitalen Zwillings — Punktwolke + Z-Karte + thermische Wärmekarte mit Zeitstempel und Teile-ID — erfüllt diese Anforderung als konforme digitale Prüfprotokollierung, ohne dass eine zusätzliche manuelle Dokumentation erforderlich ist.

Digital Twin und Rückverfolgbarkeit nutzen die gleiche Datenbasis, unterscheiden sich jedoch in ihrer Perspektive und ihrem Zweck:

• Der digitale Zwilling stellt den tatsächlichen Zustand eines Bauteils zu einem bestimmten Zeitpunkt
• Die Rückverfolgbarkeit verknüpft alle Momentaufnahmen des digitalen Zwillings über den gesamten Produktlebenszyklus

Die Struktur des gemeinsamen Schlüssels ist wie folgt:

Zeitstempel + Teile-ID + Sensor-ID

Jeder Twin-Snapshot enthält dieses Trio als obligatorische Metadaten.

Die Rückverfolgbarkeitsdatenbank indexiert alle Momentaufnahmen anhand der Teile-ID und stellt die vollständige Prüfhistorie wieder her.

AT Sensors zwei Produktgruppen, die den Digital Twin mit geometrische und thermische Messdaten:

• 3D-Sensoren (C6-Serie, XCS-Serie, CA-Serie)
• IRSX-Infrarotkameras

Beide Produktgruppen sind GigE Vision-konform und versehen jeden Datensatz mit einem Zeitstempel und einer Teile-ID.