Simulationssoftware
Durchlaufzeiten und virtuelle Inbetriebnahme optimiert
Aufgrund immer kürzerer Durchlaufzeiten müssen Unternehmen heutzutage schon während der Konstruktionsphase mit der Softwareentwicklung beginnen. Auch die Firma MBB Fertigungstechnik stand vor der Herausforderung, die beiden Entwicklungsschritte parallel zu koordinieren. Bei der Lösung war der Einsatz moderner Simulationssoftware ein zentraler Aspekt.
Um den Projektdurchlauf zu verbessern entschied sich MBB Fertigungstechnik zu einer Marktanalyse für Lösungen zur virtuellen Inbetriebnahme. Bereits in der Erprobungsphase, die im Rahmen einer Masterarbeit erfolgte, wurde die Simulationssoftware IndustrialPhysics des Anbieters Machineering zur näheren Untersuchung herangezogen. Ziel der Analyse war es herauszufinden, inwiefern sich die virtuelle Inbetriebnahme positiv auf die Durchlaufzeit der einzelnen Projekte auswirkt. Denn um die Software-Entwicklung schon parallel zur Konstruktionsphase starten zu können, benötigt der Programmierer so früh wie möglich ein visuelles Feedback über die Anlagenfunktionen. Neben der Verringerung von Durchlaufzeiten war für MBB die gemeinsame Kommunikationsplattform besonders wichtig: "Das virtuelle Modell sollte den Informationsaustausch zwischen mechanischer Konstruktion und Software-Entwicklung vereinfachen, damit zwischen den Abteilungen stets die gleiche Informationsbasis vorhanden ist", erklärt David Harig, Teamleiter Software Entwicklung und Steuerungstechnik bei MBB. Bisher arbeitete das Unternehmen mit Funktionslisten, die aber einen gewissen Interpretationsspielraum zwischen Konstrukteuren und Programmierern offenließen. Dieser Spielraum geht den Einsatz der Simulationssoftware gegen Null, da die programmierten Funktionen visuell dargestellt werden können und damit als Kommunikationsgrundlage zwischen den beiden Disziplinen dienen.
Die Auswahl
Im Rahmen der Marktrecherche wurden nahezu alle auf dem Markt befindlichen Lösungen in Betracht gezogen. "Die Entscheidung für industrialPhysics fiel nach einem ausführlichen Vergleich", berichtet Harig. "Insbesondere hat dabei die Schnittstelle zum CAD-System überzeugt, da dadurch eine schnelle und intuitive Modellbildung möglich ist."
Die Schritte
In der konkreten Umsetzung der virtuellen Inbetriebnahme wurde Modellbildung zum einen an einer Messmaschine, die zur geometrischen Überprüfung von gebauten Nockenwellen verwendet wird, als auch an einer Montageanlage für Nockenwellen erprobt. Bei der Messmaschine handelt es sich um ein weitestgehend standardisiertes Produkt des Anbieters. Die Messmaschinen werden inline eingesetzt, um in Zykluszeiten kleiner als 30s die Überprüfung von oft weit über 100 geometrischen Merkmalen zu ermöglichen, die hinreichend wiederholgenau im Vergleich zu Fertigungstoleranzen bis in den Bereich weniger Mikrometer bestimmt werden müssen. Durch die flexible Programmiermöglichkeit und die stetige Weiterentwicklung von der Maschine und deren Software sollte sie als Beispielprojekt dienen, an dem die virtuelle Inbetriebnahme erprobt werden sollte. So lassen sich die komplexen Messprogramme erstellen und gleichzeitig testen. Dazu werden alle relevanten Anlagenfunktionen in der virtuellen Welt nachgebildet und können vom Messtechniker wie eine reale Anlage bedient werden. Da die Messprogramme im virtuellen Modell getestet wurden, sind sie so gut wie frei von Programmierfehlern, die bei der realen Inbetriebnahme einen Anlagenschaden nach sich ziehen können. Zusätzlich wird die Steuerungssoftware der Messmaschine kontinuierlich mit neuen Verfahrbewegungen der Messsensorik erweitert, die das bestmögliche Messen des Bauteils ermöglichen. Mithilfe des virtuellen Modells können die neuen Funktionen ohne Risiko erprobt werden. Ebenfalls werden durch die ausführlicher getesteten Softwareversionen Anlagenstillstände beim Aktualisieren der laufenden Anlagen reduziert. So reicht es teilweise aus, eine im virtuellen Modell erprobte Steuerungsversion online via Fernwartung auf die Kundenanlage aufzuspielen, ohne dass ein Mitarbeiter von MBB entsandt werden muss, um die neue Version vor Ort zu testen.
Die Vorteile
Zusätzlich kann das virtuelle Modell bei Machbarkeitsstudien verwendet werden, um zu prüfen, ob das Maschinenlayout das Anfahren aller notwendigen Messspuren ermöglicht. Neben der allgemeinen Machbarkeit lassen sich so auch Aussagen zur Taktzeit treffen. Diese Analyse an der realen Anlage ist ein langwieriger, aber ebenso entscheidender Prozess, um die Anforderungen des Kunden bestmöglich zu erfüllen. Durch die virtuelle Inbetriebnahme der Messprogramme kann die Gefahr der Kollision ohne das Risiko eines wirtschaftlichen Schadens auch mit hoher Achsgeschwindigkeit erprobt werden. Ohne die virtuelle Inbetriebnahme der Messprogramme würden diese an der realen Anlage sonst vielfach mit stark reduzierten Achsgeschwindigkeiten durchfahren werden. Bei einem Messprogramm, das bereits in der virtuellen Maschine erfolgreich gelaufen ist, reicht in der Regel ein Durchlauf. Das spart zum einen Zeit und entlastet zum anderen die für diesen Prozess verantwortlichen Mitarbeiter. Neben der Programmerstellung und -erprobung stellt die klassische Inbetriebnahme einer komplexen Montageanlage alle Beteiligten vor die Herausforderung, einen großen Funktionsumfang in kurzer Zeit mit verschiedenen mechatronischen Komponenten, wie servomotorischen Antrieben oder Industrierobotern, abzudecken. Zu diesem Zweck wurde auch eine bereits gebaute Anlage erstmals virtuell in Betrieb genommen, um zu untersuchen, an welchen Stellen der Inbetriebnehmer in der zeitkritischen Endphase der Inbetriebnahme entlastet werden könnte. Hierbei sollte vor allem die Integration verschiedener Steuerungssysteme mit Industrierobotern untersucht werden.
Die Implementierung
Nachdem die Entscheidung für industrialPhysics gefallen war, folgte eine Online-Demo durch den Softwarehersteller sowie ein zweitägiger Workshop vor Ort. "Das Simulations-Tool war nach der Installation direkt einsatzbereit", erzählt Harig. "Auch die Inventor-Schnittstelle zum CAD-System war sofort funktionsbereit. Auch später gab es keine großen Wartezeiten, Updates der Software waren stets schnell verfügbar."
Das Resümee
"Der Einsatz der Simulationssoftware vereinfacht die Arbeit unserer Programmierer enorm," berichtet Harig. "Bei den knappen Durchlaufzeiten, in denen die Anlagen im Haus in Betrieb genommen werden, ist es zum einen von großem Vorteil, wenn die Software mit passendem visuellen Feedback bereits getestet wurde, und zum anderen wird die Anlage für weitere Arbeiten nicht blockiert. Wenn bestimmte Programmfunktionen zum Inbetriebnahmestart noch nicht funktionieren, werden diese zusätzlich am virtuellen Modell weiterentwickelt. Dadurch können wir mit mehreren Projektteams an der Anlage effektiv arbeiten und auch die Abstimmung untereinander wird einfacher." Darüber hinaus sind Schulungen an den virtuellen Anlagen möglich, ohne dass durch fehlerhafte Bedienung ein wirtschaftlicher Schaden an der Anlage entstehen würde. Das entlastet sowohl die unterrichtende Person als auch die Schulungsteilnehmer. Fehlerhaftes Verhalten der Anlage durch die Bedienung kann so einfach reproduziert und mit dem verantwortlichen Programmierer diskutiert und ggf. vereinfacht werden. "Wir sind mit dem Ergebnis sehr zufrieden", schließt Harig. "In kurzer Zeit war es uns möglich, die existierende Steuerung an das virtuelle Modell anzuschließen. Neben einer kurzen Einarbeitungsphase war es uns möglich, mit Hilfe des Supports unsere Problemstellung zu lösen. Neben einer simplen Schnittstelle zur SPS konnte industrialPhysics durch die bidirektionale Schnittstelle zum CAD-System leicht in den Arbeitsalltag integriert werden."
Die Schritte
In der konkreten Umsetzung der virtuellen Inbetriebnahme wurde Modellbildung zum einen an einer Messmaschine, die zur geometrischen Überprüfung von gebauten Nockenwellen verwendet wird, als auch an einer Montageanlage für Nockenwellen erprobt. Bei der Messmaschine handelt es sich um ein weitestgehend standardisiertes Produkt des Anbieters. Die Messmaschinen werden inline eingesetzt, um in Zykluszeiten kleiner als 30s die Überprüfung von oft weit über 100 geometrischen Merkmalen zu ermöglichen, die hinreichend wiederholgenau im Vergleich zu Fertigungstoleranzen bis in den Bereich weniger Mikrometer bestimmt werden müssen. Durch die flexible Programmiermöglichkeit und die stetige Weiterentwicklung von der Maschine und deren Software sollte sie als Beispielprojekt dienen, an dem die virtuelle Inbetriebnahme erprobt werden sollte. So lassen sich die komplexen Messprogramme erstellen und gleichzeitig testen. Dazu werden alle relevanten Anlagenfunktionen in der virtuellen Welt nachgebildet und können vom Messtechniker wie eine reale Anlage bedient werden. Da die Messprogramme im virtuellen Modell getestet wurden, sind sie so gut wie frei von Programmierfehlern, die bei der realen Inbetriebnahme einen Anlagenschaden nach sich ziehen können. Zusätzlich wird die Steuerungssoftware der Messmaschine kontinuierlich mit neuen Verfahrbewegungen der Messsensorik erweitert, die das bestmögliche Messen des Bauteils ermöglichen. Mithilfe des virtuellen Modells können die neuen Funktionen ohne Risiko erprobt werden. Ebenfalls werden durch die ausführlicher getesteten Softwareversionen Anlagenstillstände beim Aktualisieren der laufenden Anlagen reduziert. So reicht es teilweise aus, eine im virtuellen Modell erprobte Steuerungsversion online via Fernwartung auf die Kundenanlage aufzuspielen, ohne dass ein Mitarbeiter von MBB entsandt werden muss, um die neue Version vor Ort zu testen.
machineering GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 5 2017 - 22.05.17.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
