CAD/CAM

Echtzeit-Simulation verkürzt Entwicklung und interne Kommunikation

 

23.05.2007 | Autor: Thomas Menzel

 

Maschinensimulation ist durch praxisgerechte und skalierbare Werkzeuge inzwischen auch für mittelständische Unternehmen im Engineering wirtschaftlich geworden. Ihre konsequente Einbindung in den Entwicklungsprozess verbessert nicht nur die Technik, sie verbessert die interdisziplinäre Zusammenarbeit und trägt über den Lebenszyklus der Maschine zur Kostensenkung – und Umsatzsteigerung – bei.

Beim Nürtinger Werkzeugmaschinenhersteller Heller galt es Anfang 2005, ein komplett neues System verketteter Fertigungszentren für die Komplettbearbeitung prismatischer Powertrain-Komponenten zu entwickeln, zum Beispiel für die integrierte Fertigung kompletter Motorblöcke oder Getriebegehäuse. Vorrangiges Ziel dabei: die Gesamtproduktivität des neuen Maschinensystems mit der Bezeichnung Modulelinesystem zu maximieren.

Werkzeug- und Werkstücklogistik soll Maschinen optimal auslasten

Ein wesentlicher Bestandteil des Projektes war darum die Entwicklung einer flexiblen Werkzeug- und Werkstücklogistik, die alle verketteten Maschinen stets optimal auslastet, so für maximalen Gesamtdurchsatz sorgt und gleichzeitig eine sehr flexible Maschinennutzung ermöglicht.

Für dieses äußert komplexe Projekt wurden von der Unternehmensleitung anspruchsvolle technische Hilfsmittel, große Gestaltungsfreiheit und ein neues Team aus gleich vielen Mechanikern und Steuerungstechnikern gestellt, die es zu einer Mannschaft mit gemeinsamem und zielgerichtetem Handeln, zu einigen galt.

Muss man ein effizient arbeitendes Team zusammenzustellen, gibt es selbst bei handverlesenen Mitarbeitern einige Hürden zu überwinden: der Konstrukteur zum Beispiel, hat die drei Seitenansichten eines Maschinenelementes vor sich – und sieht darin ein dreidimensionales Gebilde. Allerdings ist das statisch. Der Elektrotechniker dagegen hat meist keine Übung in der räumlichen Interpretation von Konstruktionszeichnungen. Sein Stromlaufplan ist zweidimensional. Der Softwerker schließlich spricht von Bedingungen und Abhängigkeiten, wenn er sich die zu programmierenden Abläufe und Funktionen der Maschine vorstellt. Kurz: jeder hat ein anderes mentales Modell der Maschine im Kopf.

Zeichnungen und Pläne müssen für alle fassbar sein

Und es gibt keinen gesicherten, kontrollierten Weg zum Abgleich dieser Visionen. Wie gut alles wirklich zusammenpasst, stellt sich erst bei der Inbetriebsetzung heraus. Für den Entwicklungsleiter von Heller führte dies zu der Erkenntnis, dass man sich eigentlich nur über das zuverlässig verständigen kann, was alle Beteiligten gleichermaßen sehen, fühlen, hören, riechen oder schmecken können.

Ausgehend von diesen Überlegungen etablierte der Entwicklungsleiter in seinem Team vom Projektstart an eine Kultur der konsequenten, gegenständlichen Visualisierung. Das Vorgehen dabei: zur grundsätzlichen Maschinenidee wird vom Konstrukteur zunächst ein einfaches Volumenmodell angelegt, von den zu allen relevanten Positionen der beweglichen Mechanikkomponenten dreidimensionale Darstellungen erzeugt werden.

Anhand dieser – noch statischen – Grafiken besprechen die Mechanik- und Elektrokonstrukteure sowie die Programmentwickler, welche der abgebildeten Maschinenzustände in einem Zustandsgraphen berücksichtigt werden müssen. Alle übrigen Grafiken sind überflüssig und werden aus der Sammlung entfernt.

Zustandsgraphen entsprechen der 3D-Ansicht

Jedem Einzelzustand des von den Elektrotechnikern und Programmentwicklern daraufhin angefertigten Zustandsgraphen entsprach nun genau eine 3D-Ansicht der mechanischen Maschinensituation. Die Zusammenstellung dieser Einzelbilder anhand der Übergänge im Zustandsgraphen in Form einer PowerPoint-Präsentation war das erste grobe, aber prinzipiell vollständige, überprüfbare und verbindliche Modell der zukünftigen Maschine.

Der springende Punkt dabei: alle Teammitglieder fanden sich in diesem Modell wieder, es bewirkte so manchen „Aha“-Effekt und diente in jeder Fachdiskussion als gemeinsam akzeptierte, für jeden verständliche und sehr konkrete Referenz. Bei einer Entscheidungsfindung verstand jeder, warum so und nicht anders. Niemand hatte mehr das Gefühl, dass er über den Tisch gezogen wird. All das förderte ein sehr angenehmes, konzentriertes, zielführendes Arbeitsklima.

Film als Referenz der Maschinensimulation

Mit Blick auf Modellbildung und Visualisierung der Maschinenkonstruktion setzt das Heller-Team das CAD-System Pro/E ein. Im Verlauf der Verfeinerung der Konstruktion werden aus diesem CAD-System 3D-Kinematiken aller Maschinenkomponenten erstellt, die – zum Video-Clip zusammengestellt – die Bewegungen der Mechanik zeigen.

Diese Videoclips wurden dann im Videostudio zu einem Film zusammengeschnitten. Er zeigt die gesamte Soll-Funktionalität der Maschine in allen Betriebssituationen (Bild 1). Das Drehbuch für diesen Film lieferte wiederum der Zustandsgraph. Im weiteren Projektverlauf dient dem Team nun der Film als gemeinsames Referenzmodell: so wie es im Video zu sehen ist, sollte und müsste die Maschine später arbeiten.

Hilfe bei der Vorstellung beschleunigt Programmerstellung

Diese Vorstellungshilfe und Kommunikationsgrundlage trägt zu einer deutlich beschleunigten Programmerstellung bei (Bild 2). Außerdem werden die den Videos zugrundeliegenden 3D-Kinematiken zur gesteuerten Simulation der Maschinenfunktionen herangezogen. Dabei setzt das Heller-Team das Produkt „Machine-Simulator“ ein. Er machte es möglich, früher zwangsläufig aufeinanderfolgende Engineering-Phasen zu parallelisieren.

Während die Konstrukteure die Mechanikkonstruktion vollends fertigstellten, konnten die wesentlichen Teile der Inbetriebsetzung schon mit der virtuellen ‚Hardware’ vorweggenommen werden, und zwar ohne jede Gefahr der Beschädigung der Mechanik, der Elektrik oder von Werkzeugen, und auch ohne Einsatz teurer Werkstückrohlinge – entscheidende Vorteile der Maschinensimulationen im Vergleich zu Tests mit realer Hardware.

Zusammenspiel von Mechanik und Automation wird getestet

Die bei Heller verwendete PC-Software „Machine-Simulator“ simuliert das Verhalten einer Maschine so, wie es von der Steuerung an der Signal- und Datenschnittstelle „wahrgenommen“ wird. Die Software testet also nicht die Strukturdynamik der Maschine (das leistet zum Beispiel der Mechatronic-Support des Bereiches Automation and Drives von Siemens), sondern sie testet das Zusammenspiel der Automation und der Maschinenmechanik (Bild 3).

Der PC wird dazu mit einer Profibus-Interfacekarte ausgerüstet, über die der Maschine-Simulator – wie später die reale Maschine – mit der eingesetzten CNC-, SPS- oder Motion-Control-CPU kommuniziert. In dieser Konstellation ist ein vollständiger Test der Automatisierungsprogramme ohne jede Maschinenhardware möglich. Dabei können die Signalzustände und Daten der virtuellen Peripherie und Antriebsebene interaktiv und auch über eine Programmschnittstelle manipuliert werden, zum Beispiel, um Fehlerzustände zu simulieren.

Modellbildung nutzt Informationen aus SPS-Projekt

Für die Simulation einer konkreten Maschine benötigt der Maschine Simulator ein Verhaltensmodell, in dem das Zeitverhalten der Maschinensignale und ihre logische Verknüpfung entsprechend der Maschinenfunktion beschrieben sind. Die Signalschnittstelle selbst kann dabei einfach 1:1 aus dem gleichzeitig entwickeltem SPS-Projekt (mit einer Simatic S7 von Siemens) übernommen werden. Das Zeitverhalten der Signale und ihre Abhängigkeiten werden mit Hilfe vordefinierter Bausteine beschrieben, die oftmals lediglich ausgewählt, parametriert und verknüpft werden müssen.

Nicht zwingend notwendig, aber in vielen Fällen äußert hilfreich ist es, die Maschinenbewegungen zu visualisieren. Dazu werden VRML-Modelle der Maschinenkonstruktion in die Machinen- Simulator-Software importiert. In vielen Fällen können diese VRML-Modelle direkt aus dem CAD-System der Konstruktionsabteilung heraus generiert werden, so dass auch dafür lediglich vorhandene Entwicklungsergebnisse in anderer Form erneut genutzt werden.

3D-Kinematiken lassen sich als VRML-Modelle importieren

Das Heller-Team importiert genau die 3D-Kinematiken, auf denen die elementaren Videoclips ihres Films beruhen, als VRML-Modelle in die Simulationssoftware. Damit ist nun die vollständige und realitätsnahe dynamische Visualisierung der Maschinenfunktionalität möglich, und diese Darstellung entspricht genau den bisher im Projekt verwendeten Vorlagen. Für das Heller-Team gab es bei den anschließenden Tests deshalb ein klar definiertes Ziel: Die von der CNC gesteuerten Abläufe müssen auf dem Simulator genauso aussehen wie im Referenzfilm aus dem Videostudio.

Weil mit der Simulationssoftware jeder Test gefahrlos möglich ist, kann das Heller-Team sogar noch einen Schritt weitergehen: Die Anwendersoftware wird nicht nur durch manuelle Bedienung an der CNC verifiziert, sondern der Test der Anwendersoftware wird auch automatisiert. Eine hauseigene PC-Software spielt über die Bedientafelschnittstelle der CNC systematisch alle Betriebssituationen des Zustandsgraphen durch. Dabei testet man nicht nur die im „Gut-Fall“ erwartete Maschinenreaktion, sondern simuliert auch gezielt Fehler wie Kabelbruch oder durch Späneflug flackernde Sensorsignale.

Programmierung kann ausführlicher getestet werden

Durch den Zeitvorteil, den die Maschinensimulation samt Testautomatisierung dem Projektteam gibt, kann die gesamte Programmierung ausführlicher getestet werden, als dies unter dem Zeitdruck einer normalen Inbetriebsetzung oder Produktionseinführung möglich ist. Prinzipiell kann so die Funktionstüchtigkeit und Leistungsfähigkeit des mechatronischen Gesamtkonzeptes verifiziert werden, noch bevor die erste Schraube oder das erste Gussteil der Maschine bestellt ist. Weil der virtuelle Beobachtungsstandort dabei ohne Rücksicht auf eine Gefährdung durch bewegte Teile frei wählbar ist, lassen sich in der Simulation sogar Maschinenbewegungen beobachten, die in der Realität nie einsehbar sind.

Die Aussagekraft der Simulation geht so weit, dass man bei Heller allein anhand der Visualisierung im Simulator frühzeitig festgestellt hat, dass die Greifer des Werkzeugwechslers überarbeitet werden müssen, um die geforderte Leistung zu erreichen.

Das ungewöhnliche, konsequent durchgezogene Vorgehen führte zu bemerkenswerten Resultaten, so konnten kürzere Inbetriebnahmezeiten als bisher erreicht werden. Und nur im Bereich des Greifers in der Mechanik mussten Änderungen vorgenommen werden. Diese Erfahrung machte das unkonventionell arbeitende Team eins ums andere Mal bei jeder Station ihrer neuen Maschinenreihe.

Angrenzende Maschinen wurden mit einbezogen

Das Thema Simulation bekommt überall dort noch eine zusätzliche Bedeutung, wo es um das Zusammenspiel mehrerer Maschinen entlang des – in diesem Fall sogar variabel gestalteten – Werkstückflusses ging. Das nach ausgetüftelten Algorithmen geregelte Zusammenspiel mehrerer Handlingsroboter mit den von ihnen versorgten Maschinen ist so komplex, dass die Gesamtsituation aller Abläufe nicht einfach durchschaubar ist.

Dadurch, dass man bei Heller die angrenzenden Maschinen ebenfalls mit einem Maschine-Simulator simuliert, konnte die ganze Werkstücklogistik platz- und ressourcenschonend, schadens- und ausschussfrei im Büro ausgefeilt werden. In Langzeittests, in denen auch sporadische Staus, Lücken oder Konflikte im Teilefluss sichtbar werden, konnten die Strategien für den Werkstücktransport, -übergabe und pufferung überprüft und optimiert werden.

Im Verlauf der Arbeit am Maschinen-Simulator wurde auch eine Grundannahme des Anlagendesigns verifiziert, dass es nämlich in verketteten Anlagen gar nicht so sehr auf die maximale Leistung der Einzelstationen, sondern vielmehr auf ein harmonisches Zusammenspiel aller Maschinen ankommt. Es wurde nachgewiesen, dass eine Steigerung der Verfahrgeschwindigkeiten, Achsbeschleunigungen und des Rucks nur zu einem äußerst geringen Prozentsatz in die Gesamtbilanz der Anlage eingeht.

Rasche Werkzeug- und Werkstückwechsel erhöhen Auslastung der Anlage

Wartezeitfreier Werkzeugwechsel, ein ebenso kurzer Werkstückwechsel und harmonisierte Taktzeiten dagegen lasten alle Stationen optimal aus. Sie bewirken durch die nahezu kontinuierlich genutzte Zerspanleistung eine spürbar gesteigerte Ausbeute des Gesamtsystems.

Deshalb arbeitet das Heller-ModuleLineSystem mit einem Werkstückwechsel, das kürzeste Werkstückwechsel-Zeiten erlaubt. Nun können Verfahrgeschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck an den Einzelstationen sogar deutlich reduziert werden, ohne dass dies die hohe Leistung der Anlage beeinträchtigt (Eilgang nur noch 60 m/min, Beschleunigung auf 0,8 reduziert – dafür klappt der Werkstücktausch in 10 statt in 30 s). Weil die Maschinen bei dieser Strategie sehr schonend gefahren werden, profitiert die Gesamtverfügbarkeit, die Wartungsintervalle werden länger.

Investition in die Simulation zahlt sich auch längerfristig aus

Die Investition in die Simulation trägt noch weit über die Entwicklung der jeweiligen Maschine hinaus. Schon im Verlauf des Projektes erwies es sich als sehr vorteilhaft, die Geschäftsleitung jederzeit kurzfristig, vollständig und überzeugend vom Stand der Projekte informieren zu können – einfach anhand der Filme. Sie zeigten präzise den jeweils erreichten Meilenstein – und das allgemeinverständlich. Ein Bild sagt bekanntlich mehr als tausend Worte.

Die zusammengestzten Filme wurden zu einer DVD zusammengestellt und dienen als sprachneutrale Dokumentation der Maschinenfunktion. Grundsätzlich kann die Maschinenbedienung anhand der Simulation schon wirklichkeitsnah – an der realen CNC der Original-HMI-Oberfläche der Anlage – trainiert werden, während die Maschinen noch auf dem Weg zum Kunden sind oder dort aufgebaut werden. Dies reduziert die Zeit bis zur Aufnahme der regulären Produktion und ist für den Investor ein echter Kostenvorteil.

Parametrierung des Maschine-Simulators, VRML-Sequenzen und Video-Clips werden zusammengefasst

Auch der Maschinenbauer hat langfristig Nutzen von den einmal erstellten Maschinenmodellen. Bei Heller plant man für die Zukunft, dass die Parametrierung des Maschine-Simulators, die VRML-Sequenzen und Video-Clips für jedes Maschinenmodul zu Bibliothekselementen zusammengefasst. Die Entwickler können dann aus dieser Bibliothek mit sehr geringem Aufwand eine projektspezifische Maschine oder auch eine komplette Anlage zu einem funktionstüchtigen Modell zusammenstellen, um daran kundenspezifische Adaptionen der Software oder Vorab-Inbetriebnahmen durchzuführen – oder einfach als Präsentation für einen potenziellen Kunden.

Zukünftig will man bei Heller als Referenz für Fernwartungsfälle die beim Kunden stehende Maschine aus den Bilbiothekselementen zusammenstellen und in der Simulation aufgetretene Fehlersituationen durchspielen, diagnostizieren und Lösungen erarbeiten – ohne dazu zur Anlage reisen zu müssen und ohne die Produktion vor Ort unnötig zu unterbrechen.

Betreiber profitieren ebenfalls von Videosequenzen

Für die Betreiber der neuen Heller-Maschinenreihe Modulelinesystem geht der Nutzen der Maschinensimulation noch weiter. Zum einen sind zur Unterstützung des Service die Videosequenzen zu den einzelnen Maschinenfunktionen auch über die HMI-Oberfläche der CNC zugänglich. Zum anderen entsteht bei Heller ein Konfigurationsmanagement, mit dem der von den Pick-and-Place-Robotern gesteuerte Materialfluss und die Nutzung der verketteten Maschinenstationen sehr einfach an neue Werkstücke, Produktvarianten oder eingeschobene Sonderarbeiten angepasst werden kann.

Mit der neuen Systemoption bekommt der Anwender Einfluss auf die Logistikstrategie, die verwendet wird, um die Gesamtleistung der Fertigungsstrecke bedarfsgerecht zu optimieren. Dabei kann der Anwender die Auswirkungen seiner Einstellung vorab durchspielen und bewerten: anhand der mit den „alten“ VRML-Filmen realitätsgetreu simulierten Aktionen der Handlingroboter und des virtuellen Werkstückflusses.

Die Erfahrungen der Firma Heller bei der Entwicklung ihres Modulelinesystems für die Automobilindustrie zeigen: der Nutzen der Maschinensimulation geht weit über die technischen Aspekte wie Engineering-Qualität und Engineering-Sicherheit hinaus: die Investition trägt sich über die ganze Lebensdauer einer Maschinengeneration. Diese Anfangsinvestition bleibt zudem überschaubar, weil beim Einsatz des Machinen-Simulators vorhandene Engineering-Daten zur Modellbildung herangezogen werden – was beim Einsatz eines geeigneten CAD-Systems auch für die VRML-Modelle gilt. Maschinensimulation rechnet sich deshalb auch bei weniger komplexen Projekten; spätestens bei der Inbetriebnahme.

Die Erfahrungen des Unternehmens Heller legen den Schluss nahe, dass der Nutzen aus der Maschinensimulation um so höher und die Kosten um so geringer ausfallen, je früher die Maschinensimulation im Projektverlauf berücksichtigt wird. Denn um so früher treten die Einsparungen und auch willkommene Spin-Off-Effekte ein: Maschinensimulation erweist sich zum Beispiel auch im Vertrieb häufig als äußerst hilfreich. Alle Kundenpräsentationen des Unternehmens Heller zum Modulelinesystem beruhen auf den Filmen der Maschinensimulation. Werkzeugwechsel mit 0 s Nachschubzeit? Eine Minute Film: der Kunde versteht wie – und kann sich so selbst von der Funktion überzeugen.MM

Dr.-Ing. Thomas Menzel ist Projektleiter bei der Siemens AG, Bereich Automation and Drives, Motion Control Systems in Erlangen