Virtuelle Maschine

von Dr. Jochen Bretschneider Die Simulation von Werkzeugmaschinen ist bewährter Stand der Technik. Dabei geschehen diese Simulationen unter sehr unterschiedlichen Vorzeichen und Zielsetzungen. Siemens bietet für die unterschiedlichsten Anwendungen ein Portfolio virtueller Grundbausteine. Nicht nur für Endanwender von Fertigungsmaschinen, sondern besonders auch für die Maschinenhersteller selbst bieten diese neue, zukunftsträchtige Geschäftsmöglichkeiten.

Nicht nur bei der Konzeption, Entwicklung und Inbetriebnahme neuer Werkzeugmaschinen wird auf Simulationstechniken zurückgegriffen. Auch im Vertrieb oder im Service beim Werkzeugmaschinenbauer ist Simulationsunterstützung durchaus sinnvoll. Vor allem aber zur optimalen Nutzung des Produktionsmittels Werkzeugmaschine im laufenden Betrieb beim Endkunden und zur Absicherung möglicher Schäden sind heute Simulationsprodukte in der Arbeitsvorbereitung und an der Maschine im Einsatz.

Beliebt ist deswegen auch der Einsatz der virtuellen Maschine für Schulungszwecke beim Werkzeugmaschinenhersteller, Endkunden oder in Ausbildungseinrichtungen. Auszubildende oder neu einzulernende Mitarbeiter können sich gefahrlos mit der Programmierung einer virtuellen Maschine auf dem PC vertraut machen, mit der sie aufgrund von Verfügbarkeit oder Kollisionsrisiko in der Realität nicht ohne Weiteres arbeiten könnten.

Doch eine allumfassende virtuelle Maschine, die alle genannten Anwendungsszenarien abdeckt, ist nicht verfügbar. Vielmehr kommen in den einzelnen Anwendungsgebieten unterschiedliche Simulationsmodelle und -methoden zum Einsatz. Verwirrend ist dabei, dass in diesem Zusammenhang oft vereinfachend nur von ‚der virtuellen Maschine‘ gesprochen wird, ohne weiter zu detaillieren oder zu unterscheiden. Der vorliegende Beitrag zeigt die möglichen Anwendungsgebiete auf und weist auf die Unterschiede zwischen den einzelnen virtuellen Maschinen und ihren Anwendungsgebieten hin. Unterschiede bestehen hierbei im Wesentlichen im Detaillierungsgrad der Simulationsmodelle für die Einzelbereiche Mechanik, Elektrotechnik, Informationstechnik und Bearbeitungsprozess.

Die virtuelle Maschine besteht aus einem Maschinen-, Antriebs-, Steuerungs- und optional zusätzlich aus einem Prozessmodell. Dabei müssen jedoch nicht immer alle Modelle verfügbar sein: Je nach Anwendungsgebiet müssen beispielsweise einmal das Maschinenmodell, ein anderes Mal die informationsverarbeitenden Komponenten auf der Automatisierungsseite stärker detailliert werden. Prinzipiell wird versucht, für den jeweiligen Anwendungsfall das Simulationsmodell so einfach wie möglich zu halten, um so auch den Aufwand für die Modellierung, aber auch die Rechenzeit für den Simulationsbetrieb in Grenzen zu halten. Wie die virtuelle Maschine für die unterschiedlichen Anwendungsfälle im Einzelnen gestaltet sein muss, erläutern die folgenden Abschnitte.

Die virtuelle Maschine in der Maschinenkonstruktion

Für erste Kinematikuntersuchungen einer neu zu entwickelnden Maschine in der Mechanikkonstruktion ist ein einfaches geometrisches Maschinenmodell ohne Dynamikanteile völlig ausreichend. Im Wesentlichen werden Erreichbarkeiten im Arbeitsraum und mögliche Kollisionssituationen geprüft. Antriebs- und Steuerungsfunktionalität oder sogar ein technologisches Prozessmodell ist zu diesem frühen Zeitpunkt nicht notwendig.

Sobald die Maschinenkinematik festgelegt ist, wird in aller Regel eine Strukturoptimierung, zum Beispiel über FE-Modelle (Modelle nach der Finite-Elemente-Methode), durchgeführt. Hierzu ist es unumgänglich, auch das Verhalten des lagegeregelten Antriebssystems zu berücksichtigen und ggf. erste Sollkurven für die Maschine über ein Steuerungsmodell zu generieren. Dabei unterstützt Siemens seine Kunden mit der bewährten Dienstleistung ‚Mechatronic Support‘.

Die virtuelle Maschine in der Elektrokonstruktion

Ein Elektrokonstrukteur kann sich bei der Entwicklung einer neuen Maschine nicht mehr nur auf die Elektrik der Maschine beschränken. Jede Konstruktionsänderung bringt meistens auch Anpassungen in den anderen Disziplinen der Maschine mit sich. Insgesamt ist für die Belange der Elektrokonstruktion der geometrische oder strukturdynamische Aufbau der Maschine untergeordnet. Im Fokus steht die Auslegung und Programmierung der logischen Maschinenabläufe, die über die numerische Steuerung (NC) oder die speicherprogrammierbare Steuerung (Programmable Logic Controller, PLC) gesteuert werden. Simulationsmechanismen wie der Machine Simulator von Siemens erlauben es, die Sensoren und Aktoren, die später in der Maschine verbaut werden, zu modellieren und gegen das zukünftige PLC-Programm beziehungsweise NC-Zyklen zu testen.

Dadurch kann das PLC-Programm bereits erstellt und geprüft werden, wenn sich die reale Maschine noch im Aufbau befindet. So kann die Werkzeugmaschine dann sehr viel schneller in Betrieb genommen werden. Um die Elektrokonstruktion zu unterstützen, bietet der erwähnte Machine Simulator in seiner Bibliothek bereits Siemens-Komponenten an, die die Konstrukteure um eigene Komponenten erweitern können. Denkbar und für die Kunden ein großer Fortschritt wäre es auch, wenn Lieferanten zukünftig für gelieferte Sensoren und Aktoren bereits zugehörige Simulationsmodelle mit kompatibler Schnittstelle auslieferten.

Die Vorteile einer vollständigen Simulation der Werkzeugmaschine durch eine virtuelle Maschine in der Elektrokonstruktion liegen dabei auf der Hand: Durch die Simulation ist es möglich, Einzelbestandteile der Maschine zu modifizieren und deren Auswirkungen auf andere Teile der Maschine darzustellen, ohne dabei umfangreiche Tests an der realen Maschine durchführen zu müssen.

Die virtuelle Maschine bei der Schulung

Für Schulung und Vertrieb stehen vor allem die Bedienung und die Reaktion der Maschine auf den Bedienvorgang im Vordergrund. Deswegen ist auch die vollständige Nachbildung der NC als virtueller NC-Kern (VNCK) oder die Nachbildung der HMI-Bedienoberfläche besonders wichtig. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei, dass die Maschinenfunktionen anschaulich erläutert werden und die Maschinendynamik durch die Bearbeitung konkreter Werkstücke demonstriert wird, und zwar in einer simulierten Bearbeitungszeit, die der Bearbeitungszeit auf der realen Maschine entspricht. Hier bietet Siemens den Maschinenbaukunden die RealNC Virtuelle Maschine mit bereits integriertem Siemens-VNCK und Sinumerik-HMI an. Sie können dadurch ihre Maschinen modellieren und als Mehrwert beim Vertrieb der Maschine anbieten.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der virtuellen Maschine in der Schulung ist die Einweisung der Mitarbeiter: Sie können sich damit am PC gefahrlos mit der Programmierung einer Maschine vertraut machen. Neue oder einzulernende Mitarbeiter können ebenso wie Auszubildende Maschinen programmieren, mit denen sie aufgrund der Verfügbarkeit der Maschine und des Risikos in der Realität nicht ohne Weiteres arbeiten könnten. Zudem können sie Erfahrungen im Umgang mit anspruchsvollen Zyklen und Technologien sammeln.

Die virtuelle Maschine in der Arbeitsvorbereitung beim Anwender

Beim Endkunden kommt die – idealerweise vom Maschinenbauer gelieferte und damit ‚abgestimmte‘ – virtuelle Maschine in aller Regel in der Arbeitsvorbereitung zum Einsatz. Hier wird geprüft, ob Teilprogramme fehlerfrei ablaufen (Syntaxprüfung) und welche Bearbeitungszeit sie benötigen. Ebenso kann das Werkstück virtuell bearbeitet und seine Qualität geprüft werden. Das bringt dem Kunden wichtige Vorteile wie Verkürzung der Umrüstzeiten: Mögliche Fehler im NC-Bearbeitungsprogramm müssen nicht mehr an der realen Maschine durch langwieriges Einfahren gesucht und beseitigt werden. Die Maschine produziert fehlerfrei, während produktionsparallel die nächsten NC-Bearbeitungsprogramme simuliert, korrigiert und verifiziert werden.

Weiterer Vorteil: Vermeidung von Kollisionen. Kollisionen von Werkzeughalter oder Werkzeug mit Spannvorrichtungen oder Maschinenteilen werden bei der Simulation mit der virtuellen Maschine erkannt und unmittelbar angezeigt. Das Risiko eines Maschinenschadens kann so schon bei der Simulation erkannt und in der Folge verhindert werden. Die Gefahr einer Kollision in der realen Maschine sinkt rapide. Das verkürzt die Durchlaufzeiten und beschleunigt die Prozesse.

Die virtuelle Maschine bei der Prozessoptimierung

Die Technologieexperten beim Anwender können die virtuelle Maschine nutzen, um eine Bearbeitung im Detail zu überprüfen und um Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich Bearbeitungszeit oder -qualität zu erschließen. Dies erfordert zwar in aller Regel mehr Zeit, als in der Arbeitsvorbereitung für die Simulation aufgewendet wird, es muss dafür aber nur einmalig durchgeführt werden. Anwendern, die nach Performancesteigerungen streben, stehen hier zusätzlich die Siemens-Dienstleistungen ‚Productivity Improvement‘ und ‚Virtual Production‘ zur Verfügung. Diese bauen ebenfalls auf detaillierten Simulationsmodellen einer Werkzeugmaschine auf.

Entwicklung und Vertrieb der virtuellen Maschine sollten in der Hand des Maschinenbauers liegen. Er sollte Simulationsmodelle, die für die Maschinenentwicklung erstellt und genutzt werden, im weiteren Lebenszyklus der Werkzeugmaschine für den Endkunden verfügbar machen. Denn wer könnte eine virtuelle Maschine besser entwickeln und mit dem Verhalten der echten Maschine abgleichen als der Maschinenbauer?

Die Real NC Virtuelle Maschine von Siemens: neue Kompetenzfelder für Maschinenbauer

Die RealNC Virtuelle Maschine bietet die Möglichkeit zur individuellen Erstellung von Werkzeugmaschinengeometrien und zur Werkstückabtragssimulation mit Messfunktionen für virtuelle Werkstücke. Ein Pionier dieser Technik ist die Firma Index in Esslingen mit ihrer Lösung. Das virtuelle Siemens-Steuerungsmodell steht aber auch für die Integration in andere Systeme zur Verfügung. So existieren heute VNCK-Integrationen für CGTech/Vericut, Esprit/CheckitB4 oder ICAM.

Maschinenbauer, die mit Hilfe der virtuellen Maschine eigene Simulationslösungen entwickeln, können dabei ihre jeweiligen Kernkompetenzen ausweiten. Eines dieser Kompetenzfelder liegt in der Abbildung der geometrischen und kinematischen Aspekte in der Virtualität. Zusätzlich zu den 3D-CAD-Geometriedaten ist die komplette Parametrierung der virtuellen Maschine aus den steuerungstechnischen Maschinendaten einzubringen. Dies erfordert weitergehendes Know-how und Engineeringfähigkeiten. Dazu gehören auch die spätere Versions- und Produktpflege für die virtuelle Maschine – damit sichergestellt ist, dass reale und virtuelle Maschine nicht nur identisches Verhalten zeigen, sondern auch gleich zu programmieren und bedienen sind. Ein weiterer Kompetenzbereich ist der Engineeringprozess zur Konfiguration einer spezifischen virtuellen Kundenmaschine sowie der permanente Abgleich von Realität und Simulation – besonders bei Änderungen und Weiterentwicklung des realen Maschinenvorbildes.

Virtuelle Maschinen zur Simulation und Optimierung von Produktionsprozessen eröffnen nicht nur den Endkunden der Fertigungsindustrie völlig neue Perspektiven. Auch der Maschinenbauer selbst kann im eigenen Hause von den Vorteilen einer virtuellen Maschine profitieren. So kann er die virtuelle Maschine in der frühen Konstruktionsphase für Bewegungs- und Zeitstudien einsetzen. Später findet sie Anwendung in der Elektrokonstruktion bei der Entwicklung und beim Test von PLC-Programmen und NC-Zyklen.

Im Bereich der Anwenderschulung bietet sich die virtuelle Maschine an, um Maschinenbediener gefahrlos mit einem neuen Maschinensystem vertraut zu machen. Eine echte Maschine als Ressource ist so erst im letzten Schulungsschritt notwendig. Dies bietet nicht nur für Schulungen im Haus des Maschinenbauers, sondern auch für externe Bildungseinrichtungen völlig neue Möglichkeiten.

Auch für die eigene Fertigung kann der Maschinenbauer die virtuelle Maschine gewinnbringend nutzen. Hier kommen die klassischen Argumente zum Tragen, wie Verkürzung von Umrüstzeiten, sicheres Einfahren von kollisionsfreien NC-Programmen, Fehlersuche und -behebung sowie die Abschätzung der Bearbeitungszeit als Basis für eine belastbare Fertigungsplanung.W

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