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Konstruktion

Simulation macht Komplexität von Produktionsanlagen durchschaubar

| Autor/ Redakteur: Otto Hahn / Dietmar Kuhn

Steigende Komplexitätsgrade von Maschinen und Fertigungsanlagen dürfen trotz tendenziell sinkender Konstruktions- und Bauzeiten nicht zu steigenden Risiken bei der Inbetriebnahme führen. Das Rezept dazu: Simulieren geht vor probieren.

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Reale Steuerung und – noch – virtuelle Maschine lassen sich verbinden, um frühzeitig Programme zu optimieren und Anwender zu schulen.Bild: Fraunhofer-Institut IFF
Reale Steuerung und – noch – virtuelle Maschine lassen sich verbinden, um frühzeitig Programme zu optimieren und Anwender zu schulen.Bild: Fraunhofer-Institut IFF
( Archiv: Vogel Business Media )

Überbordende Kosten aufgrund von Konstruktionsfehlern in einem frühen Stadium oder ein Automatisierungsprojekt in der Produktion, das nicht rechtzeitig zum Laufen kommt, was aufgrund von Lieferverzögerungen noch teurer werden kann, das sollen moderne Simulationswerkzeuge verhindern. Vorher möglichst detailliert darstellen, wie sich ein System im späteren realen Betrieb verhält, ist ein Weg, Sicherheit in die Planung komplexer, vernetzter und sich gegenseitig beeinflussender Systeme aller Größenordnungen zu bekommen. Ein weiterer Aspekt ist der sachgerechte Einbau von Menschen in Produktionsanlagen. Optimale Ergonomie für konstante und hohe Leistung des Menschen sowie Unfallverhütung stehen hier im Mittelpunkt der Simulation.

Gießkanne, Rasierapparat oder Pkw-Montagestation – alle entstehen üblicherweise zunächst an einem Computer, in einem CAD-Programm. Das gilt zumindest in Teilen auch für deren Produktionseinrichtungen. Zudem sind dreidimensional arbeitende CAD-Systeme in der Lage, mehrere Teile zu bewegten Baugruppen zusammenzufügen und deren mechanische Funktionen zu simulieren. Das ist der erste, inzwischen selbstverständliche Schritt in Sachen Simulation.

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Steuerungstechnik vor Komplettierung einer Maschine erproben

Der nächste ist das Zusammenstellen mehrerer virtueller oder das Verbinden von virtuellen mit real existierenden Maschinen- oder Anlagenkomponenten. Gerade umfangreiche automatisierte Produktionsanlagen werden – typischerweise unter hohem Zeitdruck – weitgehend sequenziell produziert. Die Schritte der mechanischen Konstruktion und Steuerungsentwicklung werden beispielsweise zumindest teilweise nacheinander bearbeitet. So ist das Entwickeln und Testen der Steuerungssoftware üblicherweise erst an der realen Maschine möglich.

Auf Grund der zunehmenden Komplexität der Produktionsanlagen entstehen dadurch immer häufiger Probleme. Fehler aus früheren Entwicklungsstadien zeigen sich oft erst kurz vor Inbetriebnahme der Maschine. Dadurch entstehen weitere Iterationszyklen in der Entwicklung und die Zeit für die Inbetriebnahme der Maschine verlängert sich – unkalkulierbare Kostensteigerungen sind die Folge.

An diesem Punkt setzt ein Projekt des Magdeburger Fraunhofer-Instituts IFF an: Ziel ist, die Steuerungstechnik erproben zu können, bevor die Maschine oder Anlage komplett ist, um die Time to Market weiter zu straffen. In nach eigenen Angaben mehrjähriger Entwicklungsarbeit entstand ein Werkzeug, das die Übernahme von CAD-Daten in das ebenfalls am IFF entwickelte VR-System (Virtual Reality) erlaubt.

Funktionstests am digitalen Modell

In der virtuellen Umgebung kann der Funktionstest bereits an digitalen Modellen begonnen werden, während die Maschine sich noch in der Fertigung befindet. Dazu werden zwei Modellwelten zusammengeführt. Auf der einen Seite steht die CAD-Modellwelt des Konstrukteurs. Die CAD-Modelle müssen in die virtuelle Welt übernommen und in einer Kinematiksimulation belebt werden können. Der Steuerungstechniker benötigt für seine Entwicklungsarbeit eine funktionsorientierte Modellwelt, die das Verhalten der Maschine zusammen mit deren Steuerung abbildet.

Dazu ist eine Verhaltenssimulation erforderlich, die in der Lage ist, in Echtzeit auf extern einwirkende Steuerungssignale zu reagieren. Das ist machbar, wie ein Beispiel zeigt: Gekoppelt wurde die voll funktionsfähige Steuerung einer Schwerwerkzeugmaschine mit deren virtuellem mechanischen Modell. Der Konstrukteur arbeitet in seiner gewohnten CAD-Umgebung. Dem Steuerungstechniker wird die parallele Entwicklung seiner Software ermöglicht. Außerdem kann er bereits an der realen Steuerung arbeiten. Das dafür erstellte Modell der Maschine bildet das Betriebs- und Störungsverhalten der Maschine nach, es kann bereits während der Entwicklungsphase getestet werden.

Virtual Reality bietet viele Anwendungen

„Aber auch über den Entwicklungsprozess hinaus lässt sich ein derartiges System für vielfältige Anwendungen nutzen“, stellt Marco Schumann, Leiter der Geschäftsstelle Vivera am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF fest. „Bedienertraining oder die Schulung von CNC-Programmierern, eine Trainingsumgebung für Kunden, während sich die reale Maschine noch in der Fertigung befindet, nennt er als Beispiele. „Das senkt die Inbetriebnahmezeit weiter.“ Und damit sind die Möglichkeiten noch nicht erschöpft. Durch Verbindung des virtuellen Modells mit der realen Steuerung während des Betriebs lassen sich Änderungen der Maschinenkonfiguration parallel zum laufenden Betrieb testen und implementieren. Die Umrüstzeiten sinken nachhaltig. Und schließlich ist die überzeugende Produktpräsentation zur Vertriebsunterstützung sicher nicht zu verachten.

Simultane Produktentwicklung beschleunigt auch die Anlagenprojektierung erheblich

Auch Bernd Friedrich, Leiter des Kompetenzfeldes Virtual Product bei Siemens, sieht die simultane Produktentwicklung als Mittel zur erheblichen Beschleunigung der Anlagenentwicklung. „Früher wurde erst die Mechanik gebaut, dann die Elektronik hinzugefügt und ganz zum Schluss die Steuerung auf der fertigen Hardware getestet – doch dieser Ansatz ist längst zu langsam.“ Fehler wie ein dynamisch zu schwach ausgelegter Motor oder eine zu träge Regelung werden bisher häufig erst im Zusammenspiel aller Komponenten und damit zu spät erkannt.

Oft wurden mehrere Prototypen gebaut und getestet, ehe der produktreife Entwurf vorlag. Beim parallelen Concurrent Engineering hingegen arbeiten von Anfang an alle Disziplinen zusammen, sodass bereits ein voll funktionsfähiges Produktmodell im Rechner vorliegt. „Die Entwicklung“, so Bernd Friedrich, „wird nach unseren Erkenntnissen um bis zu ein Drittel schneller.“

Modellierungs- und Simulationswerkzeuge integrieren

Dass Produkte als wirklichkeitsnahes 3D-Modell in der Konstruktion entstehen und Strömungen oder akustische Schwingungen am virtuellen Modell simuliert werden, ist Stand der Technik. Die Leistung besteht darin, all diese virtuellen Modellierungs- und Simulationswerkzeuge zu einem integrierten Ansatz zu verknüpfen. Schwerpunkt der Arbeit ist die mechatronische Systementwicklung, bei der mechanischen Komponenten wie auch elektronische Steuerungs- und Regeltechnik parallel entworfen und zusammengefügt werden.

Fine – Functional and Integrated Engineering of Mechatronical Systems – nennen die Münchener diese virtuelle Entwurfs-Methode. Sämtliche mechatronischen Komponenten werden gleichzeitig entwickelt. Am virtuellen Modell arbeiten alle Spezialisten wie Maschinenbau-, Elektro- und Software-Ingenieure Hand in Hand. So wird bald klar, ob Motor und Steuerung tatsächlich zusammenpassen.

Bei der Entwicklung der 340 MW starken Turbine für das neue Gas- und -Dampfturbinenkraftwerk im bayerischen Irsching setzten die Berliner erstmals im großen Umfang virtuelle Planungswerkzeuge ein. Der Aufbau einer riesigen Turbine dauert Wochen – ein Hightech-Puzzle. Um die Montage zu beschleunigen, können die Mechaniker jetzt vor dem Praxiseinsatz am virtuellen Endmontage-Programm die Handgriffe üben.

Früher vergingen je nach Komplexität einzelner Turbinenteile manchmal Wochen bis Monate, bis feststand, ob sich die Komponenten in der vorgesehenen Weise herstellen und montieren laßen. Zwar ersetzt eine virtuelle Realität nicht in jedem Fall den realen Arbeitsschritt, doch in der Summe trägt der virtuelle Planungsprozess zur deutlichen Verkürzung der Entwicklungszeit bei.?

Augmented-Reality-Technologie - Vom Foto zum Fertigungslayout

Augmented-Reality-Technologie (kurz: AR, deutsch: erweiterte Realität) – mit diesem Begriff beschreibt die Münchner Metaio GmbH ihr Analyse- und Planungswerkzeug, mit dessen Hilfe sich dreidimensionale CAD-Bilder in Echtzeit lage- und maßstabsgerecht in Bilder realer Umgebungen einbauen lassen. Die optische Verbindung vorhandener und virtueller Objekte ermöglicht interessante Simulationen im Produktionsumfeld ebenso wie in consumerorientierten Anwendungen. Ziel ist, visuell darzustellen, wie sich zu entwickelnde Objekte in vorhandene Umgebungen einfügen werden. Das kann beispielsweise eine bisher nur als CAD-Modell vorhandene Karosserie sein, die in eine bereits vorhandene Montagevorrichtung einfährt.

Benötigt werden dafür lediglich eine Digitalkamera, ein Marker und natürlich die entsprechende Software. Der Marker wird in der zu betrachtenden Fertigungsumgebung positioniert und es werden Fotos aus beliebiger Perspektive geschossen. CAD-Geometrien, beispielsweise von Fahrzeugen oder anderen Baugruppen und Betriebsmitteln, skaliert die Software korrekt und positioniert sie in den realen Bildern. Damit lassen sich auf einfache Weise Entwicklungs- und Planungsprozesse in verschiedenen Stadien absichern und dokumentieren. Mit dem gleichen Verfahren lassen sich Roboterbewegungen und -arbeitsräume sicherer planen und Programmierprozesse beschleunigen.

Im Vergleich zu rein elektronischen Modellen werden hier reale und virtuelle Komponenten zusammengefügt. Das erspart zum einen die aufwändige – und zumeist mit Vereinfachungen verbundene – Digitalisierung bereits vorhandener Umgebungen und erzeugt zum anderen ein realistisches Bild der endgültigen Situation. Zu den Anwendern gehören beispielsweise BMW, Bosch, EADS und Siemens.

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