Spanende Fertigung Virtuelle Maschinenmodelle

Die Simulation beschleunigt die Inbetriebnahme der Steuerungssoftware von Werkzeugmaschinen. Moderne Werkzeugmaschinen sind mechatronische Systeme, die eine starke Verzahnung der mechanischen,...

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Die Simulation beschleunigt die Inbetriebnahme der Steuerungssoftware von WerkzeugmaschinenModerne Werkzeugmaschinen sind mechatronische Systeme, die eine starke Verzahnung der mechanischen, elektro- und softwaretechnischen Komponenten aufweisen. Die Beherrschung der Wechselwirkungen zwischen den entsprechenden Disziplinen in frühen Phasen der Entwicklung wird daher entscheidend dazu beitragen, eine nachhaltige Qualitätssteigerung bei einer gleichzeitigen Verkürzung der Entwicklungszeit zu ermöglichen. Besonders die Softwaretechnik hat in den vergangenen Jahrzehnten einen großen Anteil der Produktfunktionalität, aber auch der anfallenden Entwicklungskosten übernommen. Der Anteil der Softwarekosten bei der Entwicklung moderner Produktionssysteme beträgt derzeit mehr als 40%. Wenn man sich die erreichte Komplexität mechatronischer Produktionssysteme vor Augen hält, wird offensichtlich, dass eine Ermittlung und Bewertung qualitätsbestimmender Produkteigenschaften auf dem Papier nicht mehr möglich ist.Um eine Eigenschaftsfrüherkennung zu realisieren, wird der Bau von immer ausgefeilteren Prototypen zu frühen Zeitpunkten notwendig. Bild 1 zeigt die Gegenüberstellung des klassischen Prototypenbaus, des Rapid Prototypings und des Virtual Prototypings. Im klassischen Prototypenbau werden zunächst Zeichnungen für die Fertigung erstellt, die dann nach herkömmlichen Fertigungsverfahren in Einzelteile umgesetzt werden. Beim Rapid Prototyping (RP) kann die Bauteilgeometrie je nach Verfahren direkt aus dem 3D-Modell erstellt werden. Es werden verfahrensabhängige Werkstoffe eingesetzt, die die Produkteigenschaften mehr oder weniger gut nachbilden. Dadurch kann der Prototypenbau wesentlich beschleunigt werden. Einen weiteren Zeitgewinn erhält man durch direkte Verwendung der 3D-Modelle für die Simulation, also virtuelle Prototypen. Ihre Anwendung reicht dabei von Einbauuntersuchungen im 3D-CAD über kinematische Untersuchungen mit Kollisionskontrolle in einer Kinematiksimulation sowie Festigkeitsuntersuchungen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) bis hin zur dynamischen Auslegung mittels Mehrkörpersimulation.Virtual Prototyping kann bei Einbindung von Steuerungsfunktionalität auch zum Test erster Steuerungssoftware-Prototypen verwendet werden. Der Vorteil der Abbildung von Steuerungsfunktionalität liegt in der frühzeitigen Einbindung der Softwareentwicklung in den Prototypenbau, wodurch zum einen die Gesamtentwicklungszeit verkürzt werden kann. Zum anderen wird durch die annähernde Gleichzeitigkeit der Softwareentwicklung mit der mechanischen Konstruktion und der Elektrokonstruktion eine frühzeitige Rückführung von Erkenntnissen aus der Softwareentwicklung ermöglicht. Das mechatronische Produktionssystem kann so hinsichtlich Kosten und Qualität quer über die beteiligten Disziplinen optimiert werden (Bild 1).Betrachtet man die Entwicklung heutiger mechatronischer Produkte, beispielsweise von Kfz-Motorsteuerungen, so lassen sich zwei wesentliche Strategien zur frühzeitigen Integration der Steuerungsentwicklung erkennen: Die simulationstechnische Abbildung der Steuerungshardware und des zu steuernden Systems sowie die Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL). Bei der HIL-Simulation wird die reale Steuerungshardware in eine Simulation des zu steuernden Systems eingebettet. Die Steuerungssoftware kann somit auf dem realen Zielsystem entwickelt und in Betrieb genommen werden. Welche der beiden Strategien die günstigere ist, hängt von mehreren Faktoren ab. Zum einen spielen die Komplexität und Marktdurchdringung der Steuerungshardware eine Rolle, die im ersten Fall aufwändig durch Simulation nachgebildet werden muss. Auf der anderen Seite verursacht die Anwendung von HIL zusätzliche Hardwarekosten und erfordert ein echtzeitfähiges Modell der Steuerungsperipherie. Das bedeutet, dass die Simulation der Antriebe, der Kinematik und der Sensorik des Gesamtsystems in Echtzeit erfolgen muss. Dies kann bei komplexen Systemen schnell unwirtschaftlich oder sogar technisch unmöglich werden. Die Echtzeitproblematik kann bei der Verwendung einer virtuellen Steuerung durch die Definition einer dehnbaren virtuellen Zeitachse, die jeweils vom langsamsten Glied in der Verkettung von Simulationswerkzeugen bestimmt wird, leicht umgangen werden. Häufig ist aber bei solchen Systemen eine vereinfachte Modellierung der Steuerungshardware notwendig.In der Produktionstechnik sind die Systeme auf mechanischer Seite stark durch den klassischen Maschinenbau geprägt. Die Anwendung von RP-Verfahren kommt hierbei für die Strukturbauteile von Funktionsprototypen aus Genauigkeits- und Steifigkeitsgründen nicht in Frage. Der Prototypenbau ist demnach für die wesentlichen Teile wie das Maschinenbett oder den Ständer einer Fräsmaschine auf die klassische Fertigungstechnik angewiesen. Aufgrund des mechatronischen Charakters etwa im Bereich der Antriebe oder der Peripherie kann durch frühzeitige Anwendung virtueller Prototypentechnik ein wirtschaftlicher Vorteil erarbeitet werden. Besonders für Funktionen, die das Zusammenspiel des Gesamtsystems Werkzeugmaschine betreffen, wie Werkzeugwechsel, Palettenwechsel oder Anbindung an die Fabrik-Logistik, kann das virtuelle Prototyping mit wirtschaftlichem Nutzen hinsichtlich Zeit, Kosten und Qualität eingesetzt werden. Im speziellen Fall der Werkzeugmaschine wurde hierfür der Begriff der virtuellen Werkzeugmaschine geprägt. Auch im Werkzeugmaschinenbau stellt sich die Frage, ob rein virtuelle Prototypen, also die zusätzliche simulationstechnische Abbildung der Steuerungshardware, oder die HIL-Simulation eingesetzt werden sollen. Auf jeden Fall ist bei der Optimierung des Gesamtsystems Werkzeugmaschine, also beim Optimieren von funktionalen Abläufen und beim Einbinden der Maschine in das Fabrikumfeld, die Berücksichtigung der gesamten Steuerungshardware notwendig. Dies schließt neben der NC-Steuerung auch die Einbindung der PLC-Steuerung sowie des HMI (Human-Machine Interface) ein.Zur vollständigen Simulation derartig komplexer Systeme mit einer Vielzahl von Prozessoren und Betriebssystemen existieren zurzeit keine Lösungen. Aussagen von führenden Steuerungsherstellern gehen dahin, dass aufgrund des hohen Aufwandes auch in naher Zukunft keine Simulationssysteme zu erwarten sind, die dies leisten können. Aus diesem Grund erscheint die Einbindung realer Werkzeugmaschinensteuerungen in virtuelle Maschinenmodelle als ein geeigneter Weg zur Realisierung von virtuellen Werkzeugmaschinen. Die Interaktion von NC-, PLC-, HMI- und zusätzlicher Feldsteuerungssoftware lässt sich über die reale Steuerungshardware realisieren, während ein virtuelles Modell der Werkzeugmaschine die mechanischen, elektrischen und logischen Eigenschaften der Maschine in Echtzeit abzubilden hat.Im Rahmen eines von der FWF (Forschungsvereinigung Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik e.V.) geförderten Projektes wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der Technischen Universität München (iwb) ein Prototyp eines Simulationssystems entwickelt, der es ermöglicht, die Steuerungssoftware einer Werkzeugmaschine bereits an einem virtuellen Maschinenmodell in Betrieb zu nehmen und zu optimieren. Das entwickelte Simulationssystem basiert auf kommerziell verfügbaren Komponenten. Seine Architektur ist in Bild 2 dargestellt.Eine reale NC-Steuerung wird über das standardisierte Feldbussystem Profibus-DP und eine PC-Schnittstellenkarte an ein virtuelles Maschinenmodell angekoppelt. Alternativ sind auch andere Bussysteme wie beispielsweise Interbus, aber auch eine direkte E/A-Koppelung möglich. Das virtuelle Maschinenmodell besteht aus zwei Partialmodellen, nämlich einem Kinematik- sowie einem Verhaltensmodell.Das Verhaltensmodell bildet die Physik des zu simulierenden Systems ab und realisiert die Echtzeitkommunikation mit der Steuerung. Unter der Physik des Systems ist dabei nicht nur das Zeitverhalten zu verstehen, sondern auch die logische Verknüpfung der einzelnen Komponenten. Dies soll am Beispiel einer einfachen hydraulischen Steuerkette verdeutlicht werden (Bild 3).Wird ein hydraulischer Zylinder mit dem Kolbendurchmesser dK und der Länge lK durch das Schalten eines Hydraulikventils mit dem Ölvolumenstrom QÖl versorgt, so bewegt sich der Zylinder mit der Geschwindigkeit