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EMO 2017Hyfra: Intelligente Prozesskühlung für Laser- und Werkzeugindustrie

Hyfra-Kühler mit FleXX-Technologie

Hyfra, Hersteller für industrielle Kühlanlagen, präsentiert seine neue FleXX-Technologie auf der EMO 2017 in Hannover. Auf der jährlichen Messe der Metallbauer im September wird die SPS-gesteuerte FleXX-Technologie erstmals in praktischer Anwendung vorgestellt.

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CNC-/SPS-Simulation, Digitale Fabrik, Kollisionssimulation, WerkzeugverwaltungKollisionskurs

Zur Optimierung der Abläufe an einer Fertigungslinie oder zur Fertigung von Maschine und Werkstück gehören die fehlerfreie Programmierung zu den größten Herausforderungen für Fertigungsplaner und Werker. Simulationsprogramme sind dabei ein wichtiges Hilfsmittel. Allerdings hängt die Ersparnis direkt vom notwendigen Aufwand und vom Realitätsgehalt der simulierten Funktionalität ab. SCOPE-Chefredakteur Hajo Stotz erklärt, welche Simulationslösung sich für wen und wann lohnt.

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Werkzeugverwaltung: Kollisionskurs

Unter die gleichmäßigen Raspel-, Brumm- und Schabgeräusche mischte sich plötzlich ein anderer, sehr schnell schrill werdender Ton, der mit einem lauten Knall wieder abbrach: Das Werkzeug flog als Geschoss quer durch die Werkzeugbau-Halle, durchschlug die Scheibe des Meisterbüros, in dem der Autor damals als Praktikant saß, und blieb in der Holztäfelung über dem Meister stecken. Außer einem gehörigen Schrecken und relativ geringem Sachschaden war glücklicherweise wenig passiert.

Heute fliegen die Teile dank Sicherheitsschutzeinrichtungen an den Maschinen bei einer Kollision zwar nicht mehr durch die Gegend, dafür sind die Schäden an Werkstück und Maschine aber meist immens. Hightech-Werkzeugmaschinen wie Dreh-Fräs-Zentren oder Fünf-Achsen-Maschinen versprechen eine sehr effiziente Bearbeitung, unter anderem, weil weniger Maschinentypen erforderlich sind, Einrichte- und Wartezeiten durch Komplettbearbeitung auf einer Maschine verringert und die Anzahl der benötigten Vorrichtungen und Spannmittel reduziert werden. Allerdings ist es für den Maschinenbediener schwer, der schnellen und komplexen Bearbeitung zu folgen. Ein von Hand ausgelöster Stopp bei drohender Kollision ist so gut wie unmöglich. Das effektivste Werkzeug, um Fehlprogrammierungen und Kollisionen zu vermeiden, ist die realitätsnahe Simulation. Mit ihr ergibt sich bereits vor der nachfolgenden Fertigung, ob die Bearbeitungsoperationen an Maschinenlimits stoßen, ob Kollisionen stattfinden und wie sich die gesamte Maschinenkinematik bei der Bearbeitung darstellt. Dadurch wird die Zeit gespart, die durch aufwendige Änderungsprogrammierung und Maschinenstillstandszeit anfällt, wenn Fehler erst an der Maschine erkannt werden. Der Fertigungsprozess wird nicht nur sicherer, sondern auch wesentlich kostengünstiger.

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So kostengünstig, dass sich Simulationslösungen heute auch für kleine Unternehmen auszahlen: Die Investitionen sind geringer als die damit erzielten Einsparungen. Programme, die die Werkstückbearbeitung simulieren, gibt es bereits als integrierte oder optionale Funktion von CNC-Steuerungen. So bietet Bosch Rexroth den Anwendern der CNC-Steuerungsfamilie Indra Motion MTX mit dem Softwarepaket MTX Simulator ein Werkzeug, mit dem Softwareentwicklung und -test auf einem Standard-PC stattfinden können. Norbert Armbrüster, Bosch Rexroth-Geschäftsführer Vertrieb: „Optionaler Bestandteil des Pakets ist eine Bearbeitungssimulation für Anlagen zur 3D- Fräsbearbeitung oder Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen zur Zylindermantel- und Stirnseitenbearbeitung.“

Auch Heidenhain bietet mit der Dynamischen Kollisions-Überwachung DCM ein Simulations-Schmankerl für Maschinenhersteller und Maschinenbediener. Die TNC-Steuerungen simulieren Verfahrbewegungen, die innerhalb eines definierbaren Bereiches, in der Regel entspricht dieser Bereich dem Rohteil, stattfinden. Bei 2,5 D-Bewegungen stehen dafür drei Ansichten zur Verfügung, die parallel zum Bearbeitungsprogramm ständig aktualisiert werden. Die Simulation eines 5-Achs-Programmes ist in Echtzeit allerdings nicht möglich. Hier wird am Ende des NC-Programmes auf eine 3D-Ansicht umgeschaltet, die dann das fertig bearbeitete Werkstück darstellt. Werkzeugbewegungen, die außerhalb des Werkstücks stattfinden, werden in dieser Ansicht nicht visualisiert. Allerdings besteht mit DCM die Möglichkeit einer Kollisions-Überwachung während der Bearbeitung. Bei drohender Kollision der Maschinenkomponenten im Arbeitsraum unterbricht die Heidenhain-Steuerung iTNC 530 die Bearbeitung. Maschinenschäden und dadurch entstehende teure Stillstandszeiten können vermieden werden. Die Überwachung ist auch in den manuellen Betriebsarten möglich, beispielsweise beim Einrichten eines Werkstücks. Weitere Rationalisierungspotentiale verspricht die Integration einer Simulationsanwendung in andere CAx-Lösungen. „Ziel eines Simulationsprogrammes ist die möglichst realistische Abbildung aller Bearbeitungsoperationen, und zwar bereits während der Planungsphase“, erklärt Geschäftsführer Jürgen Aauer von TDM. „Der Simulationsprozess wird dabei unterschieden in die Kollisionsbetrachtung und in die Abtragssimulation. Um jeweils sichere Ergebnisse zu erreichen, müssen Werkzeugdaten und -grafiken tatsächlich existierender Werkzeuge verwendet werden. TDM unterstützt die Simulationssysteme mit den dafür erforderlichen Daten: simulationsfähige 3D-Grafiken realer Werkzeuge, mit Kennzeichnung der schneidenden und nicht schneidenden Teile.“ Kosteneinsparungen von über 30 Prozent konnte der englische Motorenhersteller Cosworth durch die Verknüpfung seiner Werkzeugmanagement-Lösung TDM, dem CAD/CAM-System Unigraphics und dem NC-Simulationstool Vericut erzielen. Ziel der TDM-Einführung bei dem Hersteller von Motoren, beispielsweise für die Formel 1, war zum einen die Reduzierung der stark angewachsenen Werkzeugbestände. Wenn man bedenkt, dass ein Formel-1-Motor aus bis zu 5.000 Teilen besteht, überrascht es nicht, dass der Werkzeugbestand auf rund 20.000 Komponenten angestiegen war. Zum anderen war es dem mittelständischen Betrieb wichtig, „ein System zu haben, welches eine zentrale Datenbank für Werkzeuge und andere Produktionsmittel bietet und das sich in unsere CAD/CAM- und Simulationssystem nahtlos integrieren ließ“, so Nigel Powell, Cosworth-Ingenieur im Bereich Forschung & Entwicklung. Die Software wird so auch zur Generierung von 3D-Werkzeuggrafiken eingesetzt und die Daten der Konstruktion zur Verfügung gestellt. Mit diesem Schritt werden laut Powell erhebliche Einsparungen in den Durchlaufzeiten beim Produktions-Engineering und bei den eingesetzten Ressourcen erzielt. Simulationslösungen sind heute also durchaus Lösungen, mit denen auch kleine Unternehmen große Einsparungseffekte erzielen können. TDM-Chef Aauer: „Die Kosten, um eine Simulation durchzuführen, sind in den letzten 10 Jahren stetig gesunken. Die Rechnerleistung hat sich parallel dazu entsprechend weiterentwickelt.“ Das bedeute, so Aauer, dass zukünftig die meisten komplexeren NC-Programmiersysteme im Vorfeld der Bearbeitung auf einem PC mit einem entsprechenden Simulationssystem geprüft und optimiert werden. Und auch Norbert Armbrüster ist überzeugt: „Die Systemvoraussetzungen zur Nutzung des MTX Simulators sind heute beinahe von jedem Büro-PC zu erfüllen. Auch die notwendigen Softwarewerkzeuge zur Generierung von Standard- oder vorbearbeiteten Rohteilgeometrien sind bei Bosch Rexroth Bestandteil des Grundpaketes.“

Den nächsten Schritt in der Simulationskomplexität stellt die Berechnung der vollständigen Simulation der Abläufe in und um die Maschine, also die Simulation des Zusammenspiels von CNC- und SPS, dar. Damit können Mechanik, Elektrik und Software in einer Umgebung getestet werden und Aussagen über ein späteres Maschinenverhalten getroffen werden. Der MTX Simulator verfügt beispielsweise über die volle Funktionalität des MTX CNC Kerns. „Mit der integrierten SPS Rexroth Indra Logic kann das Maschinenablaufprogramm entwickelt und über die vordefinierten Schnittstellensignale das korrekte Zusammenspiel von CNC und SPS getestet werden“, so Armbrüster. „Anwenderspezifische Status- und Prozessdatenbilder zur Ergänzung der Standardbedienoberfläche können ebenso getestet werden wie entsprechende Diagnosen.“

„Es gilt dabei, drei Fragestellungen zu unterscheiden“, ergänzt Dr. Olaf Rathjen, Leiter Geschäftsgebiet Motion Control Systems bei Siemens A&D. „Erstens, wie verhalten sich die Mechanik und die Steuerung einer Maschine im dynamischen Zusammenspiel? Welche Beschleunigungen sind möglich und wie wirken die Massenverteilungen und Antriebe aufeinander? Das sind Fragen, die im Entwurfsstadium und bei der Optimierung von Maschinenkonzepten entscheidend sind. Zum zweiten, wie wird die Oberfläche des Werkstückes bei gegebenen CNC-Programm und speziellen Materialien und Werkzeugen aussehen und wie lässt sich das Bearbeitungsprogramm optimieren und beschleunigen? Das sind Bedingungen, die den wirtschaftlichen Einsatz der Maschine bestimmen. Und drittens: Wie verhält sich die Maschine als Ganzes, als Teil einer Fertigung?“ Für alle drei Fragenkomplexe bietet Siemens Lösungen. Mit Mechatronic-Support werden zusammen mit den Maschinenherstellern virtuelle Maschinen optimiert. Mit Virtuell-Production können die Güte und die Beschaffenheit der Werkstückoberfläche simuliert und optimiert werden. „Und mit dem Machine-Simulator bieten wir die Möglichkeit“, so Rathjen, „Simulationsmodelle der gesamten Maschine zum Beispiel auch für Schulungszwecke einzusetzen.“ Der Werkzeugmaschinenhersteller Heller hat mit dem Machine-Simulator (MS) bereits positive Erfahrungen gemacht. Er ist damit in der Lage, das virtuelle Modell einer Maschine oder Anlage und die dazugehörige Automatisierungslösung zu verbinden, gemeinsam zu simulieren und einen digitalen Prototyp herzustellen. Komponenten der Simulationsumgebung sind der Machine Simulator, der auf einem PC läuft, die Steuerung 840D, die über Profbus DP und eine spezielle PCI-Karte an den Machine Simulator angeschlossen wird, und die 3D-Geometrie der Maschinen sowie das NC-Programmier- und Simulationssystem Real-NC von UGS. Diese Komponentengruppe unterstützt bei Heller nun die Werkstückflusssimulation in einer verketteten Anlage und den Aufbau eines Systems für die Angebotskonstruktion. Die bisherigen Ergebnisse mit der neuen Simulationsumgebung sind so positiv, „dass in Zukunft jede neue Maschine darauf simuliert wird“, erklärt Bernd Zapf, Entwicklungsleiter für den Bereich Produktionsmaschinen Automotive. Mit der Anwendung des Machine Simulators wird es möglich, dass vor der Inbetriebnahme die wesentlichen Abläufe ausgetestet sind. Davon profitieren Maschinenbauer wie Kunden: von der Zeitersparnis bis zur Auslieferung der Maschine über die Einsparung von Kosten an der Maschine selbst bis hin zur reibungslosen Inbetriebnahme sowie der Steigerung der Gesamtperformance und -qualität von Maschinen und Anlagen. Viele Prototypen, die heute noch nötig sind, lassen sich auf diese Weise einsparen. Die Investition in die Simulationsumgebung amortisiert sich damit schon in weniger als einem Jahr. Gerade kleine und mittelständische Unternehmen sind von sich laufend verändernden Vorgaben aus dem Markt betroffen. Die Anforderungen gehen mehr und mehr in Richtung Produktvielfalt, kleinen Losgrößen, individualisierten Ausführungen und flexibler Anpassung der Produktion. Daher ist Rathjen überzeugt: „Den Vorteil, Fertigungslayouts, Werkstücke und Fertigungsverfahren zuerst virtuell zu optimieren, also in der digitalen Fabrik durchspielen zu können, können künftig auch Kleinkunden voll nutzen. Das spart Kosten für Prototypen und verkürzt die Zeit zur Markteinführung erheblich.“ Auch für Rexroth-Manager Armbrüster ist die Antwort auf die Frage, ob sich für kleine Unternehmen Einsparpotentiale durch den Einsatz von Simulationslösungen ergeben, eindeutig: „Kostspielige Projektierungs- und Inbetriebnahmezeiten werden verkürzt. Schon vor der Montage und Inbetriebnahme integrieren die Programmierer das Prozess-Know-How sowie das Look-and-Feel der spezifischen Bedienoberfläche des Maschinenherstellers mit individuellen Sonderbildern. Damit steht schon bei Beginn der Inbetriebnahme eine komplette Programmierung der Maschine zur Verfügung, die der Entwickler mit Hilfe des MTX Simulator auch testen kann. Nach dem Download des Arbeitsstandes auf die Maschine kann der Programmierer die Ergebnisse direkt fein justieren.“ Doch trotz aller Fortschritte bei den Lösungen sind zum wirkungsvollen Einsatz von Simulationswerkzeugen einige Voraussetzungen zu beachten: So sind geeignete CAD/CAM-Daten zur Beschreibung von Maschinen und Arbeitsräumen unentbehrlich. Und Norbert Armbrüster mahnt: „Auch der gesamte Konstruktionsprozess und das Datenmodell muss auf die spätere Nutzung zur Simulation abgestimmt sein. Endkunden haben in der Regel keinen direkten Zugriff auf notwendige Modelldaten, hier sind Geschäftsmodelle notwendig, die das Zusammenspiel zwischen Maschinenhersteller und Endanwender organisieren“, Eine Schwachstelle der Simulationslösungen zur vollständigen Integration bis hin zur ERP-/PPS-Ebene ergab sich bisher auch aus der Tatsache, dass man sich in der Vergangenheit hierzu von vielen unterschiedlichen Bereichen genähert hat. Vertikal, Bottom-Up oder Top-Down, je nach Standpunkt. Dr. Olaf Rathjen: „An jeder Schnittstelle gab es Klärungsbedarf. Mit den Simulationstools hatten wir bisher den Life-Cycle der Maschine im Focus. Mit maschinennahen MES-Lösungen, unserem Motion Control Information Systems (MCIS) bieten wir sowohl für einzelne Maschinen als auch ganze Fertigungsverbund-Lösungen für den Job-Floor. Über Simatic IT haben wir die Einbindung in die MES erreicht. Durch die Akquisition von UGS schließen wir nun die letzte Lücke, die hin zum Produkt-Life-Cycle Management (PLM).“ Zu der UGS-Übernahme lesen Sie mehr im Interview mit Siemens-A&D-Chef Helmut Gierse in der SCOPE-Ausgabe im April.

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