Simulation verlagert den Fertigungstest ins Büro  

„Sowohl für die Massenproduktion wie für die Produktion von Einzelwerkstücken gewinnt die Simulationstechnik immer mehr an Bedeutung“, weiß Dieter Scheifele von der ISG-Industrielle Steuerungstechnik GmbH aus Stuttgart, der über neuesten Erkenntnisse auf diesem Gebiet auf dem Nürnberger Kongress berichten wird. Wenn virtuelle Maschinenmodelle verwendet werden, können konstruktive Unzulänglichkeiten in frühen Entwicklungsphasen von Maschinen besser erkannt sowie deren Steuerungen und ihre Programme besser auf die Erstinbetriebnahme vorbereitet werden. Auf diese Weise optimiert beispielsweise Daimler die Werkzeugbelegung einer zur Produktion von Zylinderköpfen vorgesehenen Doppelspindelmaschine. Dies geschieht auf Basis einer Hardware-in-the-Loop-Simulation.

Hier wird die Siemens-Steuerung 840D CNC via Profibus an einer virtuellen Maschine betrieben. Die Span-zu-Span-Zeit hängt auch vom NC-Programm, den NC-Steuerdaten sowie dem G-Code-Programm und nicht zuletzt von der Totzeit ab, mit der die SPS auf eine Signalisierung reagieren kann. Die Optimierung erfolgt dann per Simulation. Allein die Totzeit einer marktüblichen Steuerungsausrüstung kann die Produktivität einer Maschine um bis zu 10 % reduzieren, so der Experte: „Es ist aber wenig sinnvoll, die Millisekunde am Wechselsystem einzusparen, wenn das Startsignal zum Werkzeugwechsel etliche Millisekunden verspätet wirkt.“

Ein Crash am Bildschirm kommt nicht teuer zu stehen

Während für die Massenproduktion die Suche nach der letzten Millisekunde unter anderem durch minimierte Werkzeugwechselzeiten entscheidend ist, steht für die Einzelstückproduktion das sichere Fertigen des ersten Werkstückes und die Qualität der Rezepturen im Vordergrund, so Scheifele. Als Beispiel führt Scheifele das architektonisch ausgefallene Clubhausdach des Nine Bridge Golf Resort in Yeoju, Südkorea, mit seiner Holztragkonstruktion an. Dabei stand die Absicherung einer störungsfrei ablaufenden Fertigung der rund 2500 unterschiedlichen Holzbalken im Vordergrund. Jedes über das CAD/CAM-System generierte CNC-Programm zur Fertigung eines Balkens wurde zuvor in der Arbeitsvorbereitung unter Einbeziehung der realen Steuerung in einer Simulationsumgebung überprüft. Es wurden dabei täglich in den CNC-Programmen Situationen erkannt, die in der Fertigung zur Kollision geführt hätten, schildert Scheifele. Dank Simulation konnten alle Balken kollisionsfrei gefertigt und das aufgebaute Dach eine Woche vor Termin übergeben werden.

Um den Werkstoff Holz ging es auch bei der virtuellen Inbetriebnahme einer Hochtemperaturtrockenkammer für das Holzwerk Templin GmbH. In Nürnberg berichtet darüber Thomas Reek vom Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) aus Magdeburg, welches beauftragt war, das Verfahren zu optimieren sowie die Steuerungs- bzw. Leittechnik zu entwickeln und in kurzer Zeit zu realisieren: Eine solche Hochtemperaturtrocknungsanlage besitzt Vorteile gegenüber den herkömmlichen Holzbehandlungsmethoden, denn sie bewirkt nicht nur die optische Veredelung des Holzes und lässt dessen Farbe und Maserung später besonders attraktiv erscheinen. Sie macht gleichzeitig den Einsatz von Holzschutzmitteln weitgehend überflüssig, verlangt jedoch eine gleichmäßige Beheizung der Holzstapel durch das umströmende Gas. Durch Simulation mittels dreidimensionalen Strömungsmodells des Kammerinnenraumes, gelang eine strömungstechnische Optimierung des Prozesses. Dank virtueller Inbetriebnahme konnte die Fertigstellung der Steuerungs- und Bediensoftware für die Hochtemperaturtrockenkammer bereits vor dem Aufbau der Kammer

erfolgen. „Der erste Betriebsdurchlauf der Kammer inklusive Holz ließ sich so bereits nach drei Tagen auf der Baustelle vornehmen,“ so Reek: Das Ergebnis der ersten Testcharge war bereits so gut, dass dieses Holz schon für den Verkauf freigegeben werden konnte.

Virtuelle Inbetriebnahme verkürzt die Zeit bis zum Serienanlauf deutlich

Die Simulation wird heute aber immer häufiger auch bei Auslegung und Inbetriebnahme von Prüfständen eingesetzt. Thomas Scheid von der CuroCon GmbH aus Bensheim erläutert dies auf dem Kongress am Beispiel eines Serienprüfstands für PKW-Automatikgetriebe: Hierbei stellt ein Elektromotor den Verbrennungsmotor dar und eine zweite E-Maschine die Lastreaktion des Fahrzeugs.

In der Planungsphase sind unter anderem diese E-Maschinen so auszulegen, dass sie die geforderten Leistungsdaten und Dynamiken erfüllen, wobei eine Überdimensionierung jedoch in jedem Fall zu vermeiden ist, so Scheid. Dies gelinge am besten durch Einsatz von Simulation. In diesem Falle wurde der gesamte Antriebstrang inklusive Prüfling, E-Maschinen und digitaler Regelung nachgebildet. Das physikalische Verhalten der einzelnen Komponenten wird in Form von Differentialgleichungen modelliert und für die Programmierung in die Blockschaltbilddarstellung überführt. E. LANGE/KIP