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Kollisionsschutz

Vom Virtuellen zum Physischen

| Autor/ Redakteur: Ulrich Heller und Pascal Schröder / Stefanie Michel

Über den digitalen Zwilling gelingt es Chiron, die reale Maschine rechtzeitig und kontrolliert stillzusetzen und präventiv vor einer Kollision zu schützen.

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In der automatischen Abtragsimulation findet parallel zum realen Zerspanprozess ein 
virtueller Zerspanprozess statt.
In der automatischen Abtragsimulation findet parallel zum realen Zerspanprozess ein 
virtueller Zerspanprozess statt.
(Bild: Chiron)

Nach aktuellen Statistiken sind 60 % der Ausfälle der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine auf einen Crash zurückzuführen. Erst danach folgen Leckage, Schmierungsfehler, Verschleiß sowie weitere Ursachen. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, offeriert der Markt zahlreiche unterschiedliche Systeme zum Kollisionsschutz. Dazu gehören reaktive Lösungen, wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren. Diese können jedoch den Crash der Maschine nur abmildern, allerdings nicht im Voraus vermeiden. Genauso beschränken sich die meisten am Markt etablierten präventiven Systemlösungen auf die Phase der Arbeitsvorbereitung.

Bislang sind präventive Lösungen limitiert

Auf solchen virtuellen Maschinen werden zwar Produktionsprozesse entwickelt und mit einem digitalen Zwilling simuliert, die Modelle bilden allerdings nicht die reale Produktionssituation ab. Die Folge: Programmanpassungen, beispielsweise beim Einfahren des Prozesses, oder Fehler in der Bedienung können trotzdem zu einem Crash des Bearbeitungszentrums führen.

Anders die neue Lösung Protect- line aus dem Smartline-Softwareportfolio von Chiron. Denn Pro- tectline bietet präventiven Schutz vor Maschinenkollisionen mit einem digitalen Zwilling, der die physische Maschine vollumfänglich abbildet. Die Berechnung erfolgt unmittelbar auf einem in der Maschine integrierten leistungsfähigen PC. Sämtliche Bearbeitungswerkzeuge inklusive Werkzeughalter sowie das Werkstück mit Aufspannung sind im Modell integriert. Neu und einzigartig am Markt ist außerdem die automatische Abtragsimulation: Das bedeutet, parallel zum realen Zerspanprozess findet ein virtueller Zerspanprozess statt. Dadurch entspricht die Geometrie des virtuellen Werkstücks jederzeit der des realen Werkstücks, wodurch stets bestmögliche Modellqualität gewährleistet wird. Die Funktionsweise von Protectline: Während des Bearbeitungsprozesses fährt der digitale Zwilling der physischen Maschine in Echtzeit voraus und kollidiert im Zweifelsfall zuerst. Die reale Maschine wird rechtzeitig und kontrolliert stillgesetzt und dadurch präventiv vor einer Kollision geschützt.

Integrierte Prozesse in fünf Schritten

Um einerseits Crashs zu vermeiden und andererseits effektiv zu einer schnellen und sicheren Fertigung beizutragen, hat die Chiron Group, Spezialist für die CNC-gesteuerte vertikale Fräs- und Drehbearbeitung, auf Basis der Systeme Processline und Protectline eine durchgängige Lösung geschaffen. Die neue, digitale Prozesskette in fünf Schritten vermeidet Stillstände eines Bearbeitungszentrums und trägt zu einer deutlich erhöhten Produktivität der Chiron- und Stama-Maschinen bei. Dabei erfolgt zunächst die Erstellung, Simulation und Optimierung des realen NC-Programms anhand eines digitalen Zwillings mit dem Smartline-Modul Processline. Das neue Softwaresystem Protectline von Chiron reiht sich direkt ein.

Zunächst wird ein zu produzierendes Werkstück im CAD-System konstruiert. Anschließend wird mithilfe eines CAM-Programms der dafür erforderliche Fertigungsprozess realisiert. Dazu gehören Bahnführung sowie sämtliche Werkzeuge, die bei der Produktion zum Einsatz kommen. Um diese komplexen Informationen für Bearbeitungszentren von Chiron und Stama exakt zu spezifizieren, hat das Unternehmen, das zwischenzeitlich eine führende Position im Bereich Digitalisierung im Werkzeugmaschinenbau einnimmt, einen eigenen Postprozessor konzipiert. Seine Aufgabe: Die automatische Erstellung eines maschinenspezifischen, optimierten NC-Programms für die Bearbeitungszentren von Chiron und Stama. Eine manuelle Anpassung des Anwenders ist nicht mehr erforderlich. Die Lösung basiert auf Siemens NX und ist steuerungsunabhängig ausgeführt.

Dies ermöglicht einerseits bereits optimierte und kollisionsgeprüfte Bearbeitungsprozesse ab dem ersten Werkstück sowie einen schnellen Produktionsstart. Ein großer Vorteil von Processline: Während die physische Maschine aktuell ein Werkstück produziert, entsteht parallel auf der virtuellen Maschine der digitale Arbeitsprozess für ein weiteres Werkstück. Genauso können Produktionsprozesse mit Processline bereits konzipiert werden, wenn die physische Maschine noch gar nicht ausgeliefert ist. Auf diese Weise kann die Fertigung unmittelbar starten, sobald das neue Bearbeitungszentrum ausgeliefert ist. Dieser virtuelle Prozess mit Processline erlaubt es, den realen Prozess mit allen Feinheiten und Details abzubilden.

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Die Lösung bildet darüber hinaus eine sehr gute Basis für die Angebotserstellung: Mit der virtuellen Maschine können etwa die zu produzierenden Stückzahlen effizient im Voraus vorhergesagt und auf diese Weise Kosten ermittelt werden.

Stillstände in allen Phasen ausschließen

Kurzum, die Lösung ist darauf ausgelegt, Stillstände in allen Phasen auszuschließen, und leistet somit ihren Beitrag zu einer signifikant verbesserten Produktivität. Startet der reale Produktionsprozess, kommt die neue Lösung Protectline ins Spiel: In diesem fünften und finalen Schritt der durchgängigen Prozesskette erfolgt die entscheidende Anpassung des virtuellen, vorab in Processline modellierten Prozesses an die physische Maschine. Protectline berücksichtigt Programmanpassungen und Bedienhandlungen an der Maschine und bietet auf diese Weise einen optimalen Liveschutz bei laufender Produktion. Gibt es eine Kollision, so kollidiert lediglich der digitale Zwilling. Das physische Bearbeitungszentrum wird rechtzeitig stillgesetzt, bevor ein Schaden durch einen Crash entstehen kann.

Dabei ist die Bedienung denkbar einfach: Protectline ist mit den gängigen Datenformaten der CAD-Systeme (wie STL-Dateien) kompatibel. Dies ermöglicht einen sicheren und schnellen Import von Modelldaten, wie beispielsweise derer von Spannvorrichtungen. Auch die Wahl der CNC-Steuerung obliegt dem Anwender: Denn die Softwarelösung ist mit den neusten Steuerungen von Siemens sowie Fanuc durchgängig integrierbar. Für die Maschinen- und Prozesssimulation konnte der Tuttlinger CNC-Experte den Weltmarktführer Module Works, Aachen, als Partner gewinnen.

Digitale Lösungen im Zusammenspiel

Das Softwareportfolio Smartline umfasst mit Processline, Dataline für die Prozessdatenanalyse, dem Ferndiagnose-Tool Remoteline, dem intuitiven Bediensystem Touchline, Conditionline für die gezielte Planung von Wartungsarbeiten und Reparaturen sowie Protectline derzeit sechs Komponenten. Die Softwareprogramme sind optimal aufeinander abgestimmt, leisten jedoch auch separat ihren Beitrag zu einer hohen Wertschöpfung in der zerspanenden Fertigung. Ein weiterer Vorteil der Softwarelösungen: die Datenhoheit bleibt immer bei den Kunden. Sie entscheiden selbst, welche Informationen lokal auf der Maschine gespeichert werden und was in die Cloud geht. Somit bleiben Kunden stets Herr über die Daten ihrer Maschinen.

* Dr. Ulrich Heller ist Leiter Software-Entwicklung, Pascal Schröder betreut die Entwicklungskoordination im Bereich Digitalisierung bei der Chiron Group in 78532 Tuttlingen, Tel. (0 74 61) 9 40-0, info@chiron.de

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