Digitale Produktionstechnik

Transkript

1 Digitale Produktionstechnik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Dr.-Ing. Marco Schumann Magdeburg, 14. Oktober 2014

2 1. Vorstellung des Vorlesenden Dr.-Ing. Marco Schumann Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und automatisierung (IFF) Sandtorstraße Magdeburg Tel: 0391 / Fax: 0391 / marco.schumann@iff.fraunhofer.de 2

3 2. Fraunhofer IFF: ein Institut zwei Standorte Institutsgebäude Fraunhofer IFF Sandtorstraße 22 Grundstücksfläche 7389 m² Hauptnutzungsfläche 5009 m² davon Technikum 1300 m² Virtual Development and Training Centre Joseph-von-Fraunhofer-Str. 1 Grundstücksfläche 8975 m² Hauptnutzungsfläche 2755 m² Kernstück 360 -Laserrundprojektion ELBE DOM 3

4 Leistungsspektrum des Fraunhofer IFF Logistik Automatisierung Virtual Engineering Prozess- und Anlagentechnik 4

5 Gliederung 1. Von der realen zur virtuellen Maschine 2. Architektur zur Kopplung von Werkzeugen der digitalen Produktionstechnik 3. Kopplungsverfahren 4. Beispiel für Werkzeuge der digitalen Produktionstechnik 5. Anwendungsbeispiele 5

6 Die Produktionstechnik umfasst Verfahren, Maßnahmen und Einrichtungen zur Beherrschung und zweckmäßigen Nutzung der Naturgesetze und der von der Natur gegebenen Energien und Rohstoffe mit dem Ziel der Herstellung neuer Güter. Quelle: Wikipedia, Stichwort Produktionstechnik, Stand:

7 3. Vorstellung des Auditoriums Welche Erwartungen haben Sie an die Lehrveranstaltung? 7

8 Was ist Ihnen wichtig? Stellen Sie sich bitte vor Sie entschließen sich aus irgendeinem Grund, z.b. die Annahme einer Arbeitsstelle in einer anderen Stadt oder um eine bevorstehende Urlaubsreise anzutreten, zum kurzfristigen Kauf eines neuen PKWs! Welche Kriterien sind Ihnen wichtig für die Kaufentscheidung? 8

9 Unternehmen im Wettbewerb Die Wettbewerbsposition eines Unternehmens wird im wesentlichen dadurch bestimmt, wie es ihm gelingt, sein Produkt QUALITÄT in der erforderlichen Qualität in der gewünschten Zeit zu angemessenen Kosten dem Kunden zur Verfügung zu stellen. ZEIT Wettbewerbsposition KOSTEN 9

10 Erfolgsfaktoren beim Einsatz von digitaler Produktionstechnik Reduktion von Entwicklungszeit und -kosten Absicherung der gewünschten Produkteigenschaften Qualitätssicherung in der Entwicklung 10

11 Beeinflussung der Produktionskosten Einfluss auf die Kosten Kosten für Korrekturen Unsicherheit Entwurf 75 % Vor-Serie 13 % Produktion 10% Montage After Sales 2 % Zeit 11

12 Parallelisierung von Produkt- und Prozessentwicklung Früher: Prozessentwicklung Erfolgsfaktoren für die Parallelisierung Produktentwicklung Auftrag 1 Zukünftig: Prozessentwicklung Produktentwicklung Start der Produktion Zeit Start der Produktion Frühzeitige Integration von Entwicklung und Produktion Intensivierung der Vernetzung mit Zulieferern und Dienstleistern Informationsaustausch über Produkt und Prozess auf Basis digitaler Techniken [Quelle: Wöhlke, DaimlerChrysler] Auftrag 1 Zeit 12

13 Von Industrie 1.0 zur Industrie

14 Tools der Digitalen Fabrik und Potentiale der Virtual Reality Potentiale von Virtual Reality in der digitalen Fabrik Unterstützung von Kommunikation und Entscheidungsfindung Prozessintegration in Design, Logistik und Produktion Individualisierbarer, globaler Wissensaustausch [Quelle: Wöhlke, DaimlerChrysler] 14

15 Von der realen Maschine zum virtuellen Modell

16 Notwendige Schritte Übernahme von CAD-Daten Nachbearbeitung Ausgleich von Konverterfehlern Vereinfachung der CAD-Daten Nachmodellierung nicht vorhandener Objekte Erstellung von Materialien und Texturen Erstellung der Animationspfade Hinterlegen der Funktionalitäten

17 Datenübernahme aus CAD-Systemen Mögliche CAD-Formate SolidWorks SolidEdge CATIA Pro/E microstation Übernahme VDT-Plattform (*.obj, *.tws) Flächenmodell Nutzung der nativen Exportfilter Konverter: Programmierung eines neuen Importfilters für VDT- Plattform

18 Ausgleichen von Konvertierungsfehlern I VRML-Export aus Pro/Engineer Auflösung von Namenskonflikten Korrektur der Transformationshierarchie Entfernen doppelter Objekte

19 Ausgleichen von Konvertierungsfehlern II Fehlerhafte Objekte Fehlende Details

20 Vereinfachung des CAD-Modells Beispiel Planscheibe

21 Vereinfachung des CAD-Modells Beispiel Planscheibe Punkte (1,27 %) Flächen 718 (1,27 %) Dateigröße (kb) 194 (1,35 %)

22 Polygonreduzierung

23 Geometrieoptimierung X

24 Geometrieoptimierung XI

25 Geometrieoptimierung XII

26 Geometrieoptimierung XIII

27 Geometrieoptimierung XIV

28 Glättung

29 Erstellung der Materialien 80 Materialien 359 Szenarioobjekte

30 Texturierung Geometriemodell Fotos Fotografieren der realen Maschine Nachbearbeitung der Fotos Zusammenfügen

31 Festlegen der Objekthierarchie Baugruppen Vertimaster VMG8 Z+ Querbalken Spindelgehäuse Portalständer W+ Y+ Teleskopbleche Portalschlitten Portalbett C+ C1+ X+

32 Festlegen der Objekthierarchie + Maschine VMG8 + Portalbett Z+ Portalschlitten Teleskopbleche + Portalständer W+ Y+ + Querbalken + Spindelgehäuse C+ C1+ X+

33 Erstellen von Animationen I Beispiel Teleskopelemente Extrahieren der Einzelteile Erstellung separater Animationen Zusammenfassung zu Funktionalitäten

34 Erstellen von Animationen II Beispiel Vertikalbewegung Bedienkorb

35 Erstellen von Animationen II Beispiel Vertikalbewegung Bedienkorb Zerlegen vorhandener Geometrien in Teilobjekte Erstellung der Animationspfade für Teilobjekte Zusammenfassung zu einer Funktionalität

36 Modellierung nicht vorliegender Geometrien Beispiel Halle 3D-Modell Texturiertes 3D-Modell Erstellung der 3D-Geometrie Erstellung der Materialien Verwendung von Texturen 2D-Zeichnung

37 Grenzen von VR-Modellen Was wird mit den bisher gezeigten Aufbereitungsschritten des virtuellen Models abgebildet? Geometrische Eigenschaften Einfache Bewegungen auf Basis der kinematischen Kette Ziel der Digitalen Produktionstechnik: Abbildung funktionaler Eigenschaften Zwei grundsätzliche Vergehensweise: Erweiterung des virtuellen Modells durch Programmierung Kopplung zu bestehenden Simulationswerkzeuge oder realen Maschinenkomponenten 37

38 IFF-Konzept eines durchgängigen VE-Systems zur Produktentwicklung Konzepte und Lösungen Domänenspezifisches Engineering Konstruktion, Elektromechanik, Elektrik, Elektronik, Steuerung, Regelung Datenmodelle Simulation und Visualisierung Signalverhalten Ablauf, Logik Physik, Bewegung spez. Simulation Visualisierung, Interaktion Module Schnittstellen Real-Time-Interface Hardware in the Loop SPS CNC Ablaufsteuerung Bedienung Reale Steuerung/ Bedienung Module Maschinenhardware (Elektrik, Elektronik, Mechanik) Reale Maschine von der virtuellen zur realen Maschine!

39 Gliederung 1. Von der realen zur virtuellen Maschine 2. Architektur zur Kopplung von Werkzeugen der digitalen Produktionstechnik 3. Kopplungsverfahren 4. Beispiel für Werkzeuge der digitalen Produktionstechnik 5. Anwendungsbeispiele 39

40 Technische Umsetzung Kopplung Simulation und Visualisierung Klassifikation möglicher Kopplungsverfahren nach: Zeitlichem Zusammenhang o Online vs. Offline Kommunikation/Interaktion o Unidirektional vs. Bidirektional Hardware Plattform o Homogen vs. Verteilt Angliederung o Integriert vs. Extern

41 Gliederung 1. Von der realen zur virtuellen Maschine 2. Architektur zur Kopplung von Werkzeugen der digitalen Produktionstechnik 3. Kopplungsverfahren 4. Beispiel für Werkzeuge der digitalen Produktionstechnik 5. Anwendungsbeispiele 41

42 IFF-Konzept eines durchgängigen VE-Systems zur Produktentwicklung Konzepte und Lösungen Domänenspezifisches Engineering Konstruktion, Elektromechanik, Elektrik, Elektronik, Steuerung, Regelung Datenmodelle Simulation und Visualisierung Signalverhalten Ablauf, Logik Physik, Bewegung spez. Simulation Visualisierung, Interaktion Module Schnittstellen Real-Time-Interface Hardware in the Loop SPS CNC Ablaufsteuerung Bedienung Reale Steuerung/ Bedienung Module Maschinenhardware (Elektrik, Elektronik, Mechanik) Reale Maschine von der virtuellen zur realen Maschine!

43 Beispiele für Simulations- / Visualisierungwerkzeuge Signalverhalten (z.b. WinMod, Sinumerik Maschine Simulation) Ablauflogik (Virtueller NC-Kern) Physik, Bewegung (z.b. Matlab/Simulink) Spezielle Simulationen (z.b. Plant Simulation für Materialflusssimulation) Visualisierung (z.b. Virtuelle Entwicklungs- und Trainingsplattform Fraunhofer IFF) 43

44 Beispiel für Signalsimulation: WinMod Ziel: Verhalten von Maschinen und Anlagen virtualisieren Ergebnis: Virtuelle Maschine, die in Kopplung mit einer Steuerung eine funktionsfähige Einheit bildet. 44

45 Numerical Control [Quelle: Siemens, C. Hamm, A&D MC RD21 ] Dr.-Ing. Marco Schumann

46 Integration of virtual NCK [Quelle: Siemens, C. Hamm, A&D MC RD21 ] Dr.-Ing. Marco Schumann

47 Beispiel für Ablauflogik: Siemens - Virtual Machine Ziel Kinematische Simulation des Verhaltens von Werkzeugmaschinen Steuerung des virtuellen 3D-Werkzeugmaschinenmodells über Sinumerik-Steuerungssoftware (Quelle: (Quelle: Ergebnis Anpassung von Virtual Machine an reale Werkzeugmaschinenkonfigurationen Virtual Machine enthält Steuerungssoftware des Controllers (VNCK) Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) Vollständiges Maschinensimulationssystem Darstellung sämtlicher Befehlscodes und Zyklen, die es bei der Sinumerik-Steuerung gibt Validierung von NC-Zyklen zur Reduzierung von Probedurchläufen auf der realen Werkzeugmaschine

48 Beispiel für Bewegung/Steuerung: NX Motion Control und Matlab/Simulink Ziel Verknüpfung zahlreicher Steuerelemente (elektrisch, hydraulisch oder softwaregesteuert) Ausgeprägte Wechselwirkungen zwischen mechanischem System und Software Gleichzeitige Simulation von Mechanik und Steuerung Ergebnis Co-Simulation von mechanischen Systemen (CAD) und Steuerungen (Matlab/Simulink) Steuerung von Bewegungsmechanismen mithilfe von Steuerungsdiagrammen aus Matlab/Simulink Optimierung des Zusammenspiels von Mechanik und Steuerung Simultane Bewertung der Leistungsfähigkeit (Quelle: Bild

49 Beispiel für Visualisierung und Training: SINUMERIK Operate - SinuTrain (Quellen: Bild Bild Ziel Unterstützung in der CNC-Ausbildung Gleichsam anwendbar, von Anfängern als auch Experten Ergebnis Unterstützung der Aus- und Weiterbildung zum Erlangen und Verstetigen von Programmierund Bedienkenntnissen der Sinumerik NC-Steuerung Rechnergestützte CNC-Programmierung von Steuerungen, basierend auf dem Sinumerik CNC-Kernel Steuerungsidentische Software Anpassung von SinuTrain an Achskonfigurationen verschiedener Maschinen Maximale Kompatibilität offline erstellter CNC-Programme mit Maschinen in der Produktion

50 Gliederung 1. Von der realen zur virtuellen Maschine 2. Architektur zur Kopplung von Werkzeugen der digitalen Produktionstechnik 3. Kopplungsverfahren 4. Beispiel für Werkzeuge der digitalen Produktionstechnik 5. Anwendungsbeispiele 50

51 Projektbeispiel: Kopplung CNC-Steuerung mit VR-Modell - Ausgangssituation Problemstellung NC-Steuerung: Stand der Technik CNC-nahe Simulation - für NC-Programme nach DIN Interpretation von steuerungsspezifischen Zyklen - Simulation vor Postprozessor (d.h. vor Erstellung des Programms für den jeweiligen Steuerungstyp) - Kollisionsbetrachtung während Bearbeitung zwischen Werkzeug und Werkstück Lösung: Industrielle Anforderungen realitätsnahe Simulation Anbindung reale Steuerung oder Integration virtueller NC-Kern - für nutzerspezifische NC-Programme Nutzung der originalen Steuerungszyklen - Simulation nach Postprozessor für genutzten Steuerungstyp - mögliche vollständige Kollisionsbetrachtung der gesamten Maschine auch während des Bearbeitungskopf- und Werkzeugwechsels Verwendung steuerungsspezifischer Zyklen incl. Herstellerzyklen Integration kommerzielle Materialabtragsbibliothek Visualisierung der Bearbeitungssimulation und auftretender Kollisionen

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53 Beispiel: Virtuelle Maschinen real gesteuert Entwicklung und Test der realen Steuerung am virtuellen Modell Simulation des Materialabtrags Absicherung des Engineerings durch Simulation Kurze Inbetriebnahmezeit durch Testumgebung Parallelisierung von Engineering Durchgängige Nutzung funktionaler Modelle über die Entwicklung hinausgehend Schiess GmbH

54 Kopplung von realer Steuerung und virtuellem Modell Interactive 3D model Software» Virtual Development and Training Platform«Simulation Tools - SINUMERIK Machine Simulator - WinMOD - Fraunhofer RTI Control Panel - Siemens 840D including machine specific elements

55 Virtuelle Inbetriebnahme Beispiel Schiess GmbH Produktpräsentation CNC Tool Fair, Shanghai

56 Virtuelle Inbetriebnahme Beispiel Schiess GmbH Testen der maschinenspezifischen NC-Zyklen, z.b. Kopfwechsel, Werkzeugwechesel Testen der NC-Bearbeitungsprogramme auf der realen Steuerung

57 Virtuelle Inbetriebnahme Beispiel Schiess GmbH Nutzung für Bedienertraining

58 Beispiel: automatische NC-Programmgenerierung Automatischen Generierung von NC- Programmen für das Robotergeführte Elektronenstrahlschweißen - Steuerung durch NC-Steuerung (Siemens 840D) - Inverse Kinematik, NC-Bewegung - Softwareentwicklung und Test mittels RTI, 3D-Viewer und direkter Kinematik Durchschnittliche Zeitersparnis für die Programmerstellung: Von 8 Stunden auf eine halbe Stunde!

59 Automatische NC-Codegenerierung Simulation für Schweißautomaten Ausgangspunkt: CAD-Konstruktion Automatische Generierung eines kinematischen Maschinenmodells (hier: 32 Achsen!) Eingabe von Schweißpunkten und technologischen Prozessdaten Automatische Generierung des NC-Programms Simulation der Bewegung und Kollisionskontrolle Kopplung an reale NC-Steuerungen Automatische Verteilung auf 4 Steuerungen 840D, inkl. Synchronisation Virtuelle Inbetriebnahme Schulung Erstellung des getesteten Programms an einem Tag (früher: 2 3 Wochen)

60 Beispiel: virtuelle Steuerungsentwicklung und Inbetriebnahme für Anlagen Hochtemperaturkammer für Holzveredelung - Signalsimulation aus MSR-Schema - Echtzeitkopplung an reale SPS-Steuerung (Siemens 3152DP/PN) - Entwicklung und Test Steuerung und Bedienung Getestetes SPS-Programm Wochen vor der realen Anlage fertig Inbetriebnahmedauer: 1 Tag Erste Charge hatte Verkaufsqualität

61 Beispiel: Kopplung Materialflusssimulation / Visualisierung Aufgabenstellung Entwicklung eines Konzeptes zur automatisierten Datenextraktion aus bestehenden 2D-Plant-Simulation / VDA- Bausteinkasten Modellen zur Generierung von 3D-Visualisierungen Übernahme von 3D-CAD Layout- und Produktdaten Export und Aufbereitung des Animationslayouts Detektion und Extraktion von relevanten Zustandsänderungen im Simulationsmodell Integration zur 3D-Darstellung der simulierten Prozesse

62 Technische Umsetzung Ausgangssituation Plant Simulation Modell KTL Speicher, Volkswagen Werk Zwickau VDA Bausteinkasten 3D-CAD Daten (*.jt, *.wrl) Hallenlayout Produktmodelle Review3D Visualisierungs- system

63 Technische Umsetzung Plant Simulation - Animationslayout Komponenten des VDA Bausteinkastens enthalten bereits 2D Animationspfade Beispiele: Förderband Verschiebewagen 2D Animationslayout des Simulations- modells muss maßstabsgerecht und möglichst vollständig sein

64 Technische Umsetzung Review3D Visuelle Aufbereitung Automatische Konvertierung der CAD- Materialien Schatten Globale Beleuchtung

65 5. Literatur Bauer, M. (2005): Virtual-Reality Technologie im Bereich Flugsimulation In: Gastvortragsreihe Virtual Reality 2005, Mensch und Maschine im interaktiven Dialog, Magdeburg, S , ISBN Blümel, E., Jenewein, K. (2005) Kompetenzentwicklung in realen und virtuellen Arbeitsumgebungen: Eckpunkte eines Forschungsprogramms. In: Schenk, M. (Hrsg.): Virtual Reality und Augmented Reality zum Planen, Testen und Betreiben technischer Systeme. Magdeburg: IFF, Burdea, G.; Coifett, P. (2003): Virtual Reality Technology, Second Edition, John Wiley & Sons, 2003, ISBN Jenewein, K., Schulz, T. (2007) Didaktische Potentiale des Lernens mit interaktiven VR-Systemen, In: Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e.v. (Ed.), Bericht zum 53. Arbeitswissenschaftlichen Kongress, Dortmund: GfA-Press, S , ISBN

66 5. Literatur Schenk, M. (2006) Virtuelle Realität Trends und Anwendungen für die Zukunft. In. Schenk, M. (Ed.): Wettbewerbsvorteile im Anlagenbau realisieren. Zukunftsszenarien und Erfahrungsberichte. Tagung Anlagenbau der Zukunft. Magdeburg, Schenk, M., Blümel, E., Schumann, M. and Böhme, T. (2006) Virtuelle Werkzeugmaschinen real gesteuert, In: wt Werkstattstechnik online Vol. 96, Issue 7/8. Schenk, M., Blümel, E. (2007) Lernplattformen zum Anlauf und Betrieb von Produktionssystemen. Industriemanagement Zeitschrift für industrielle Geschäftsprozesse, Heft 3, S , ISSN Schenk, M.; Wirth, S. (2004) Fabrikplanung und Fabrikbetrieb, Springer Verlag

67 5. Literatur Schlögl, W. (2007) Automatisierungstechnik lässt die Digitale Fabrik real werden, Siemens-Fachkonferenz meets Berlin, , Berlin Termath, W., Mecking, P. (2007) Virtuell-Interaktives Training für RWE, IFFocus Mensch-Maschine interaktiv 2/2007, Magdeburg, S , ISBN: VDI Richtlinien Wöhlke, G. (2005) Digital planning validation in automotive industry Source, Computers in Industry, Vol. 56, Issue 4, (May 2005), Special Issue The digital factory: an instrument of the present and the future; p , 2005, ISSN:

68 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 68