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Hochschule Esslingen / Schuler Moderne Servopresse mit digitalem Zwilling für die Forschung

| Autor/ Redakteur: Jana Hönig, Stefan Wagner und Sascha Röck / M.A. Frauke Finus

Die Hochschule Esslingen hat im Frühjahr eine Servopresse vom Typ CSP 100 von Schuler einschließlich digitalem Zwilling in Betrieb genommen, die Teil einer „Smart Factory“ werden soll.

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Wissenschaftler und Studierende der Hochschule Esslingen interagieren mit dem realdatengetriebenen digitalen Zwilling der CSP 100 von Schuler mit verschiedenen Endgeräten wie der Microsoft-Hololens, der HTC-Vive und einem Apple-Ipad.
Wissenschaftler und Studierende der Hochschule Esslingen interagieren mit dem realdatengetriebenen digitalen Zwilling der CSP 100 von Schuler mit verschiedenen Endgeräten wie der Microsoft-Hololens, der HTC-Vive und einem Apple-Ipad.
(Bild: VAL)

Seit Oktober 2018 verfügt das Labor für Umformtechnik und Zerspanung (LUZ) der Fakultät Maschinenbau der Hochschule Esslingen über eine moderne Servopresse, die der Maschinenbauer Schuler im Rahmen einer Kooperation mit der Hochschule zur Verfügung stellt. Hierbei handelt es sich um den Ein-Pleuel-Stanzautomaten CSP 100 für den Automatik- und Handeinlegebetrieb, der im Vergleich zu bisherigen Servoanlagen sowohl bei der Ausbringungsleistung als auch hinsichtlich der Energieeffizienz eine wesentliche Weiterentwicklung darstellt.

Die Presse verfügt über einen hochdynamischen Torquemotor, der direkt auf einem Kniegelenk-Antrieb sitzt. Dieser Kniegelenk-Antrieb ermöglicht durch seinen Aufbau geringe Stößelgeschwindigkeiten während der Umformphase. Darüber hinaus lässt sich das Geschwindigkeitsprofil des Stößels individuell an die Anforderungen jedes Bauteils anpassen. Die Bedienung erfolgt über einen Touchscreen, wobei vorprogrammierte Kurven für Kniehebel-Standard, Schneiden, Prägen, Biegen und Ziehen in der Steuerung bereits hinterlegt sind. Durch den reversierenden Pendelhub des Torquemotors in Verbindung mit einer individuellen Anpassung der Hubhöhe ist somit eine signifikante Ausbringungssteigerung möglich.

Verschmelzung von virtuellen und realen Inhalten

Durch die Erweiterung der CSP 100 um einen digitalen Zwilling und die Nutzung von modernen Visualisierungsmethoden entstehen vielfältige neue Anwendungsgebiete. Die Verwendung von digitalen Zwillingen ist eine entscheidende Voraussetzung, um die Digitalisierung in einem Unternehmen erfolgreich umzusetzen und hierdurch neue Geschäftsfelder zu erschließen. Der digitale Zwilling wird nur einmal erstellt und anschließend über den gesamten Lebenszyklus hinweg verwendet.

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Bereits in der Planungs- und Entwicklungsphase stellt der digitale Zwilling physikalische Eigenschaften bereit, um Funktionen zu testen oder mögliche Komplikationen frühzeitig ohne Implementierung eines Prototypens zu identifizieren. Die Kombination mit modernen Visualisierungsmethoden, wie beispielsweise Augmented- und Mixed-Reality-Methoden, bietet die Möglichkeit der immersiven Verschmelzung von virtuellen und realen Inhalten sowie der dreidimensionalen Analyse des virtuellen Objekts im Kontext der realen Umgebung. Durch Ausblenden von Teilen des digitalen Zwillings können einzelne Elemente wie zum Beispiel die Kniehebelkinematik der CSP 100 detaillierter untersucht werden.

Prozessdaten mithilfe des Zwillings visualisieren

Die OPC-UA-Schnittstelle der CSP 100 ermöglicht die Verknüpfung des digitalen Zwillings mit den Realdaten der Servopresse, um beispielsweise eine Prozessüberwachung durchzuführen. Durch eine zustandsorientiere Instandhaltung werden außerplanmäßige Stillstandszeiten durch geplante Maßnahmen vorrausschauend vermieden. In einem Störfall greift ein Servicetechniker zur Fehlerdiagnose standortunabhängig auf die Prozessdaten zu und visualisiert diese mithilfe des digitalen Zwillings und leitet entsprechende Anweisungen zur Behebung des Fehlers an einen Mitarbeiter vor Ort weiter.

Der digitale Zwilling bietet zudem die Möglichkeit der Schulung von Mitarbeitern bereits vor der Inbetriebnahme oder während des Pressenbetriebs ohne Gefährdung des operativen Betriebs. Um eine realitätsnahe Schulung an dem virtuellen Abbild der CSP 100 zu gewährleisten, kann sowohl das reale Handbediengerät zur Steuerung des digitalen Zwillings genutzt werden, als auch interaktiv in die Szene beispielsweise durch Gestensteuerung eingegriffen werden. Das richtige Verhalten in Gefahrensituationen wird hierbei risikolos trainiert.

Trotz dieser vielseitigen Anwendungsgebiete werden bisher moderne Visualisierungsmethoden wie Augmented und Virtual Reality kaum eingesetzt. Diese Zurückhaltung lässt sich auf die endgeräte- und plattformspezifische Entwicklung der Anwendungen sowie auf die mangelnde domänenübergreifende Vernetzung zwischen mobilen Endgeräten, der industriellen Steuerungstechnik und den digitalen Zwillingen zurückführen. Um diese Barrieren zu überwinden, wird am Virtual Automation Lab (VAL) der Hochschule Esslingen eine Digital Twin as a Service Plattform entwickelt.

Ohne Implementierungsaufwand direkt angebunden

Die Plattform ist hardwareunabhängig konzipiert und sowohl auf mobiler als auch klassischer Server Hardware installierbar. OPC UA fähige Maschinen, wie zum Beispiel die CSP 100, werden ohne Implementierungsaufwand direkt an die Plattform angebunden. Die Auswahl und Anzeige von Maschinen und deren Daten sowie die Aufzeichnung dieser Daten erfolgt über ein Web-Frontend. Der webbasierte Dienst namens VAL 3D-Webstudio ermöglicht sowohl die 3D-Visualisierung als auch das Engineering der 3D-Szene und ist über jedes im Netzwerk befindliche Endgerät mit einem Standard-Browser nutzbar. Die CAD-Geometriedaten können mit allen verfügbaren Maschinen- und Prozessdaten auf der Plattform verknüpft werden. Die Schnittstellenanwendung namens VAL HoloDesk dient zur Visualisierung der im 3D-Webstudio entworfenen Szene auf zahlreichen Mixed Reality Devices, wie bspw. Datenbrillen, moderne Tablets und Smartphones.

Im März 2019 wurde im Beisein zahlreicher Vertreter aus den Bereichen Werkzeugbau und Stanztechnik im Labor für Umformtechnik der Hochschule Esslingen die neue Servopresse eingeweiht und die Möglichkeiten des digitalen Zwillings den interessierten Teilnehmern anschaulich demonstriert. „Der digitale Zwilling der CSP 100 ist ebenfalls an die Steuerung mit der Maschinen- und Anlagenvisualisierung angeschlossen“, erläuterte Schuler-Vorstandsvorsitzender Domenico Iacovelli während der feierlichen Übergabe der Servopresse. „Dadurch, dass sich sämtliche Funktionen der Presse am Computer simulieren lassen, verfügt die Hochschule Esslingen nun über optimale Voraussetzungen für die studentische Ausbildung und Versuche an der Presse.“

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