Interoperability in coordinate metrology

In the light of the industrial change happening nowadays, whose synthesis is the term “Industry 4.0”, this work aims at introducing and studying interoperability potentialities in the coordinate metrology field. The possibility of giving and receiving data to and from measuring machines, so that information is integrated and usable by all functions that necessitate them, become a fundamental opportunity. This perfectly combines with a context in which more and more companies adopt new PLM – Product Lifecycle Management – solutions for the integrate management of processes, resources and information along the whole product lifecycle. The problem of missed interoperability often come up when two (or more) software, developed by different companies, have to share information. If in a company, two software systems do not come from the same vendor, each one uses its own proprietary language, which is inevitably different from the one used by the other software. However, there are languages, known as standard languages, that should be able to act as intermediaries between different software: this way, the involved systems should manage the import and the export of information they want to deliver/receive in the standard language. The standard language file received by a software then can be read or converted in the proprietary format, in order to acquire the information it contains. Studying interoperability between two different software means to assess what the standard languages are, if existing; then it can be understood if they can carry needed information, how they are managed by the software and which is the possible information loss during the transmission process. In order to explore the interoperability issue in the geometrical metrology field, a real industrial case proposed by a company is taken as case study. It involves the data transmission between Siemens NX CAD/CAM/CAE software and ZEISS Coordinate Measuring Machines controlling software, CALYPSO. Since Siemens and ZEISS are two of the major players in PLM industry on one side, and in metrology industry on the other, this case is to be considered as representative and significant for what concerns the interoperability level generally existing and implemented by companies nowadays. This thesis opens with a glimpse into the current industrial context, describing Industry 4.0 general outline and focusing on the PLM concept. Subsequently, before introducing the considered industrial case, an overview on existing standard languages is presented, completed with their possibility of acting as intermediaries. Then, the study and experiments conducted on the back and forth information flows between NX CAD/CAM/CAE and ZEISS CALYPSO software are described. Since interoperability is the heart of this thesis, in selecting transmission formats, the objective is to choose standard formats, as STEP AP 242 and DMIS. Nonetheless, dealing with a real case, proprietary format transmission possibilities are checked: even if not interesting from interoperability point of view, results could be useful for the company whose case is investigated. Moreover, when no standard languages reach the transmission objective, other formats are taken into consideration and, if functioning, their potentiality is analysed. Results obtained were satisfying for what concerns the information flow from NX to CALYPSO using STEP AP 242 format: with just few exceptions, the language proves to be a functional intermediary between the two software in providing information as CAD and PMI. This communication is possible also through Siemens proprietary format, but this result, even though useful from industrial point of view, lies outside interoperability domain. Therefore, it is not that relevant in this thesis. DMIS NX to CALYPSO information flow, on the contrary, turns out to be more complicated. What was expected to pass from Siemens software to CALYPSO, was an inspection program, but even if inspection paths were correctly received, problematics regarding features and tolerances came up. Finally, it was no possible to use standard languages for the CALYPSO to NX information flow. This, consisting of data measured in the inspection process, was managed through a text file that contains the points coordinates. Therefore, even in this case, the result, although effective in this specific situation, loses its relevance if looked from the interoperability perspective. It can be concluded that a unique standard language is still missing in order to guarantee a comprehensive implementation of interoperability. This can be reached by enhancing one of the two standard languages explored in this thesis, STEP AP 242 and DMIS. Having a single language representing all information needed in the metrology field allows to create the model and related information of the part to be produced with the approach of the digital twin; in the end, a complete bit model is generated, extendible with all new information that can come up. Nonetheless, a common effort by industry is expected to overcome the barriers of proprietary formats.

Alla luce del cambiamento in corso al giorno d’oggi, la cui sintesi è nota con il termine di Industry 4.0, questo lavoro si pone l’obiettivo di introdurre e studiare le potenzialità dell’interoperabilità nel campo della metrologia a coordinate. La possibilità di poter fornire dati alle macchine utensili da un lato, e riceverne dall’altro, in maniera che le informazioni siano integrate e fruibili da tutte le funzioni che potrebbero necessitarne, diventa un’opportunità fondamentale nell’integrazione e la coordinazione di ogni processo. Questo si concilia perfettamente in un contesto in cui sempre più aziende adottano le nuove soluzioni PLM – Product lifecycle management – per una gestione integrata di processi, risorse e informazioni lungo tutto il ciclo di vita del prodotto. Spesso, il problema legato all’interoperabilità nasce quando due (o più) software sviluppati da aziende diverse devono scambiarsi informazioni. Se in un’azienda, due software non provengono dallo stesso fornitore, ciascuno utilizza come linguaggio il proprio linguaggio proprietario, che è ovviamente diverso da quello dell’altro. Tuttavia, esistono dei linguaggi, i linguaggi standard, che dovrebbero essere in grado di fungere da intermediari tra software diversi: entrambi i sistemi dovrebbero saper esportare e importare le informazioni che vogliono comunicare/ricevere nel linguaggio standard. Il file in linguaggio standard ricevuto da un software, successivamente può essere letto o convertito nel formato proprietario, per poterne acquisire le informazioni contenute. Studiare l’interoperabilità tra due diversi software, significa valutare quali sono, se esistono, i linguaggi standard in cui possono essere scritte le informazioni necessarie, come questo linguaggio viene gestito da entrambi i software e qual è l’eventuale perdita di informazione associata. Per indagare la tematica dell’interoperabilità nel campo della metrologia, in questa tesi viene preso come caso di studio un caso industriale reale, sollevato da un’azienda. Questo riguarda la trasmissione di dati tra il software NX CAD/CAM/CAE di Siemens, e CALYPSO, software che controlla le macchine a misura di coordinate di ZEISS. Dal momento che Siemens e ZEISS rappresentano due dei maggiori players nel mercato dei PLM da un lato, e in quello della metrologia dall’altro, questo caso può essere considerato rappresentativo e significativo per comprendere quale sia il livello di interoperabilità raggiunto e messo in pratica dalle aziende nei relativi settori. Questa tesi si apre con uno sguardo sul contesto industriale odierno, descrivendo le linee generali di Industry 4.0, con un approfondimento del concetto di PLM. Successivamente, prima di entrare nello specifico del caso considerato, viene presentata una ricerca di quelli che sono i linguaggi standard esistenti e le loro potenzialità di fungere da intermediari. Quindi, vengono descritti lo studio e gli esperimenti condotti sul flusso informativo in entrambe le direzioni tra il software NX CAD/CAM/CAE e CALYPSO. Poiché l’interoperabilità è il cuore di questa tesi, l’obiettivo nel selezionare i formati di trasmissione è quello di scegliere i formati standard, come STEP AP 242 e DMIS. Tuttavia, facendo riferimento ad un caso reale, sono state prese in considerazione anche le possibilità di trasmissione dei formati proprietari: anche se non particolarmente interessanti dal punto di vista dell’interoperabilità, i risultati possono comunque essere interessanti per l’azienda a cui fa riferimento il caso analizzato. Inoltre, quando la trasmissione dei dati non è resa possibile da nessun linguaggio standard, vengono esaminati altri formati e, se funzionanti, ne vengono esplorate le potenzialità. I risultati ottenuti sono stati soddisfacenti per quanto riguarda il flusso informativo da NX a CALYPSO tramite il formato STEP AP 242: a meno di poche eccezioni, il linguaggio risulta essere un intermediario adatto tra i due software nel trasmettere informazioni come il modello CAD e le PMI associate. Lo stesso esito si può ottenere analogamente utilizzando il formato proprietario di Siemens, ma, sebbene utile dal punto di vista industriale, è un risultato che esula dal concetto di interoperabilità, ed è perciò meno interessante dal punto di vista di questo lavoro. Al contrario, il flusso informativo da NX a CALYPSO tramite DMIS si è rivelato più complicato. Questo, doveva essere costituito da un programma di ispezione, ma, sebbene i percorsi di ispezione venivano correttamente ricevuti da CALYPSO, vengono segnalate alcune problematiche riguardanti features and tolleranze. Infine, non è stato possibile utilizzare nessun linguaggio standard per il passaggio delle informazioni da CALYPSO a NX. Queste, costituite dai dati misurati durante il processo di ispezione, sono state trasmesse tramite file di testo contenenti le coordinate dei punti misurati. Quindi, anche questo risultato, sebbene efficace in questa situazione specifica, perde di rilevanza se guardato dalla prospettiva dell’interoperabilità. Si può concludere che manca ancora un linguaggio standard univoco che garantisca la completa interoperabilità. Questo obiettivo può essere raggiunto potenziando uno dei due linguaggi standard studiati in questa tesi, STEP AP 242 e DMIS. Avere un singolo linguaggio che rappresenti tutte le informazioni necessarie nel campo della metrologia permette di creare un modello di una parte con tutte le relative informazioni seguendo l’approccio del “Digital twin”; alla fine, viene creato un modello digitale estendibile con le potenziali informazioni future. Tuttavia, è necessario uno sforzo comune da parte dell’industria per superare le barriere dei formati proprietari.