Virtuelle CNC Maschine 1

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1 Virtuelle CNC Maschine 1 Eine "Virtuelle Maschine" dient zur Simulation einer "echten" Fertigungsmaschine und soll diese möglichst genau abbilden. Methoden Konstruktionsergebnis Fertigungsauftrag Simulation Hilfsmittel Daten und Informationen zur Steuerung von CNC- Maschinen Bild 1: Die Virtuelle Maschine als black box Für eine Identifizierung des in Bild 1 dargestellten black box Simulators sind eine Vielzahl von Einflußgrößen zu beachten, auf die im Folgenden näher eingegangen wird. So ordnen sich die Aufgaben einer Virtuellen Maschine ein in die Aufgaben der Arbeitsvorbereitung eines Produktionsprozesses (Bild 2 nach Eversheim 1997, S. 2 1 ) Konstruktion umfasst alle einmalig auftretenden Planungsmaßnahmen, welche unterständiger Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit die fertigungsgerechte Herstellung eines Erzeugnisses sichern Produktionsbereiche Arbeitsvorbereitung Arbeitsplanung Arbeitssteuerung Fertigung WAS? WIE? WOMIT? WIEVIEL? WANN? WER? WO? Beispiele: Erstellen der Fertigungsstückliste Materialplanung Planung der Arbeitsvorgänge Fertigungsmittelplanung Vorgabezeitermittlung NC-Programmierung Kostenplanung Methoden- und Investitionsplanung umfasst alle Maßnahmen, die für eine der Arbeitsplanung entsprechende Auftragsabwicklung erforderlich sind Beispiele: Bedarfsermittlung für Baugruppen und Einzelteile Nettobedarfsermittlung Einsteuertermine für Eigenfertigung Materialdisposition Maschinenbelegung Terminfeinplanung Kapazitätsabgleich Montage Bild 2: Gliederung der Arbeitsvorbereitung 1 Eversheim, W.: Organisation in der Produktionstechnik 3 - Arbeitsvorbereitung. 3. Aufl. Berlin: Springer, (Band 3)

2 Virtuelle CNC Maschine 2 In einer Virtuellen Maschine wird üblicherweise nicht die mehr langfristig orientierte und eher strategisch ausgerichtete Arbeitssystemplanung ausgeführt, vielmehr besteht der Kern der Simulation in einer strukturierten Prozessabbildung und gestaltung (= Arbeitsablaufplanung), für die detaillierte Informationen zusammenzutragen sind (Bild 3). Zunächst ist bei der Prozessplanung mit Hilfe der Daten aus der Konstruktion das Ausgangsteil oder Rohteil festzulegen, aus dem schrittweise das Fertigteil entstehen soll. Dann werden die nötigen Fertigungsverfahren ausgewählt und bereits die Maschinen oder Maschinentypen sowie evtl. nötige Vorrichtungen bestimmt. In diesem Zusammenhang ist auch die Prozessreihenfolge auf Maschinen- bzw. Arbeitsplatzebene festzulegen. Häufig werden diese Daten noch um ermittelte Vorgabezeiten ergänzt, da diese eine wichtige Kalkulationsgrundlage darstellen und oftmals auch als Basis für die Entlohnung dienen. Das Ergebnis ist ein Arbeitsplan. Der nächste Schritt ist die auf einen Arbeitsplatz bzw. auf eine Maschine bezogene Operationsplanung, wobei eine Operation als Bearbeitung einer zusammenhängenden Bearbeitungsstelle am Werkstück mit einem Werkzeug auf einer Maschine definiert ist. Spannlagenwechsel oder Werkzeugwechsel leiten also eine neue Operation ein. Bei der Operationsplanung müssen demzufolge die Spannmittel und Spannlagen sowie Bearbeitungsbereiche mit dafür geeigneten Werkzeugen ausgewählt werden. Für diese sind dann die Schnittstrategien und möglichst optimale Schnittwerte zu bestimmen. Abschließend muss noch eine Reihenfolgeoptimierung vorgenommen werden. Die Operationsplanung ist Voraussetzung für die NC-Programmgenerierung. Hierbei werden die Operationen in einzelne Arbeitsbewegungen, d.h. Verfahrwege mit gleichförmiger Bewegung, zerlegt und zusammen mit weiteren Schalt- und Steuerbefehlen für die Maschine codiert. Daraus resultierten 3-stufiger Simulationsprozess: 1. die Prozessplanung (Grobplanung) mit dem Arbeitsplan als Ergebnis. 2. die Verfahrensplanung (Feinplanung) bei der der Operationsplan erstellt wird und 3. die NC-Verfahrensplanung mit der Detaillierung der Teilarbeitsvorgänge wobei das NC-Programm entsteht und im Simulator getestet werden kann.

3 Virtuelle CNC Maschine 3 Werkstückdaten Geometrieinformationen Toleranzinformationen Oberflächeninformationen Werkstoffinformationen Arbeitsablaufplanung (Prozessgestaltung) Planungsvorbereitung Stücklistenverarbeitung Prozeßplanung Operationsplanung NC Programmgenerierung Simulation ( im engeren Sinn) Prozeßplanung (Arbeitsplanerstellung) Ausgangsteilbestimmung Auswahl der/des Fertigungsverfahren(s) Prozeßfolgeermittlung Maschinenauswahl Werkzeug- und Vorrichtungsauswahl Vorgabezeitermittlung Operationsplanung Spannmittel- und Spannlagenbestimmung Bearbeitungsbereich auswählen/ Operationsbestimmung Werkzeugbestimmung Schnittstrategiebestimmung Schnittwertoptimierung Reihenfolgeoptimierung Montageplanung Prüfplanung Werkzeug-, Vorrichtungs- und Prüfmittelplanung Kostenplanung / Kalkulation NC-Programmgenerierung Übersetzung von Quellprogrammen evtl. Auflösung von Bearbeitungszyklen Hinzufügen von Programmanfang und -ende Koordinatentransformationen Umwandlung technologischer Zusatzinformationen in Maschinensteuerbefehle Übersetzung in das steuerungsspezifische Format nach DIN Bild 3: Details der in einem Simulator zu realisierenden Aufgaben Simulationsergebnis = NCProgramm

4 Virtuelle CNC Maschine 4 Simulationsaufgaben In Zusammenhang mit der Vorbereitung und Durchführung einer Simulation eines CNC- Fertigungsprozesses sind damit folgende Aufgaben zu bearbeiten: Konstruktionsdaten analysieren Fertigteilgeometrie übernehmen bzw. neu erstellen (je nach Programmierverfahren) Rohteil (Ausgangsteil) bestimmen Fertigungsverfahren festlegen Prozessfolge ermitteln Maschinen(typ) festlegen Vorrichtungen und Betriebsmittel auswählen Fertigteilgeometrie aufbereiten Spannlage und Werkstücknullpunkt festlegen Zerspanbereiche ermitteln (Schnittaufteilung) Operationsreihenfolge festlegen (Bearbeitungsstrategie) Werkzeuge zuordnen Magazinplätze bestimmen Technologiedaten (Schnittwerte) ermitteln, zuordnen und anpassen Zusatz- und Schaltanweisungen ergänzen Prüfvorgänge einplanen Ablaufreihenfolge optimieren Vorgabezeiten ermitteln Prozessabläufe simulieren Kollisionsprüfung durchführen Programm generieren (Postprozessing) Programm speichern Zusatzdokumente erstellen (Spannplan, Werkzeugliste,...) Programm übertragen Programm einfahren Programm optimieren Programm archivieren

5 Virtuelle CNC Maschine 5 Simulator viele abbildbare Arbeitsprozesse und - aufgaben 3 1 klein hoch Exaktheit der Abbildung der realen CNC-Maschine im Simulator 4 2 wenige Bild 4: Portfolio für den Entwurf und die Bewertung von Simulatoren Simulatoren mit Eigenschaften in den Quadranten 1: verfügen über eine große Übereinstimmung von Abbildungstreue gegenüber einer realen CNC Maschine, mit diesen Simulatoren sind eine Vielzahl der in realen CNC-Maschinen erforderlichen Arbeitsprozesse realisierbar. Simulatoren dieser Qualität haben für den Fall ihres Einsatzes als Trainingssimulatoren den Vorteil einer exakten Vorbereitung von Personal auf ihren konkreten Arbeitsplatz; die Nachteile liegen auf der Hand, es sind nicht alle betrieblichen CNC-Arbeitsplätze (= reale CNC-Maschinen mit ihren prozessbezogen auszuwählenden Werkzeugen und Spannmitteln, mit den betrieblichen Prüfmitteln und Hilfssystemen) sowie darin zu realisierenden Arbeitsaufgaben / -prozessen mit Simulatoren nachbildbar; 2: realisieren eine hohe Abbildungstreue mit realen Maschinen und einen geringem Umfang an den darin zu realisierenden Arbeitsprozessen, sie sind für eine berufliche Ausbildung wenig geeignet; ihr Einsatz konzentriert sich auf betriebliches Jobtraining; 3: lassen das Training einer Vielzahl realer Arbeitsprozesse zu, sind jedoch wegen ihrer mangelnden Nähe zu realen betrieblichen Arbeitsplätzen ggf. geeignet, aus betriebswirtschaftlichen Gründen in frühen Ausbildungsabschnitten eingesetzt zu werden 4: Trainingssimulatoren mit geringer Abbildungstreue realer betrieblicher CNC-Maschinen und mit der Möglichkeit, nur wenige betriebliche Arbeitsprozesse zu trainieren, sind für die betriebliche Ausbildung nicht geeignet; sie können max. zur allgemeinen Demonstration von CNC-Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Die Arbeitsgemeinschaft Fraunhofer Institut IFF Magdeburg und das Europäische Bildungswerk für Beruf und Gesellschaft konzentrieren sich auf einen Simulator zum sog. blended learning (Bild 5). Dieser Simulator wird über eine oder mehrere wahlweise einzusetzende Steuerungen (vorzugsweise SIEMENS 840D bzw. FANUC) verfügen. Reale CNC-Maschinen werden als dynamisch visualisierte 3D-Darstellungen dieser Maschinen abgebildet. Sie sind je nach Trainingsaufgabe aus einem Pool bereits vorhandener Maschinenabbildungen auszuwählen bzw. können von gesondert ausgebildeten Designern aus 2- bzw. 3D-Darstellungen solcher Maschinen mit dem Programmpaket INVENTOR für eine Trainingssimulation vorbereitet werden. Werkzeuge werden aus einer noch zu erwerbenden Datenbank ausgewählter Werkzeughersteller

6 Virtuelle CNC Maschine 6 genauso in den Simulator implementiert wie ausgewählte Spannmittel, Prüfwerkzeuge und Hilfssysteme (Heizung, Kühlung, Schmiermittel) Für die Simulation von Bearbeitungsprozessen im NC-Kern der ausgewählten Steuerung wird auf ein Programmpaket der Fa. MTS zurückgegriffen. Dazu gehören auch Berechnungen der eigentlichen Zerspanungsprozesse im und mit dem Simulator. Auf eine online-kopplung mit realen CNC-Maschinen wird mit diesem Simulator verzichtet. Als ein Ergebnis der Simulation kann offline auf ein Formular mit den Einstelldaten der realen Steuerung einer realen CNC-Maschine zugegriffen werden, wenn denn im Ergebnis der Simulation maschinenverwertbare (die Steuerung der realen CNC-Maschine und die im Simulator müssen identisch sein) Einstelldaten zu erwarten sind. 2D- / 3D-Daten Werkzeugbibliothek Spannmittelbibliothek SINUMERIC 840D Hochleistungs-PC Bearbeitungsprozesse Werkstoffdaten Prozessdaten Berechnungsvorschriften Informationen über die eingesetzten Hilfssysteme Dynamisierte 3D- Abb. der realen CNC-Maschine SIMULATOR Visualisierte und optimierte Arbeitsprozesse Maschinendaten Bild 5: Simulator der AG FhG IFF Magdeburg und EBG Magdeburg

7 Beschreibung Handlungsschritt Einzelteil-/ Kleinserienfertigung mit Werkstatt-programmierung Einzelteil-/ Kleinserienfertigung ohne Werkstatt-programmierung (etwa in der Großteilebearbeitung) Serienfertigung ohne Werkstattprogrammierung (mittelgroße Serien bis ca Stck.) ohne Einrichter Massenfertigung (etwa in der Automobilzulieferer-industrie), Trennung zwischen Maschinenbediener und Einrichter Auftragsannahme/ Kapazitätsplanung/ Abklärung technologischer Probleme mit Kunde Vert/ Tech Vert/ Tech Vert/ Tech Vert/ Tech Festlegen Arbeitsgangfolge und Normzeitermittlung, Kontrolle auf technologische Probleme Tech Tech Tech Tech Erstellen Arbeitsplan Tech Tech Tech Tech Materialbereitstellung MB/ Trans MB/ Trans Trans/ MB Trans Betriebsbereitschaft der Werkzeugmaschine herstellen MB MB MB MB/E Prüfen der Zeichnung, Kontrolle auf technologische Probleme MB Tech Tech Tech Festlegen der Teilarbeitsgangfolgen MB Tech Tech Tech Festlegen der Spannsituation MB Tech Tech Tech Festlegen der zu verwendenden Werkzeuge MB Tech Tech Tech Zusammenstellung und Vermessung der benötigten Werkzeuge MB MB/ Arvo Arvo/ MB Arvo Spannmittel zusammenstellen MB MB/ Arvo MB/ Arvo Arvo/ E Spannmittel einrichten MB MB MB E Spezifische CNC- Arbeitsgänge CNC-Programm erstellen MB Tech Tech Tech/ E Werkstücknullpunkt ermitteln MB MB MB E/ MB Werkstück einspannen MB MB MB MB/ E CNC-Programm testen/ einfahren MB MB MB E CNC- Programm ggfs. Korrigieren MB MB MB E Durchführung und Überwachung des Fertigungsprozesses MB MB MB MB Zwischenkontrolle der Abmessungen MB MB MB MB/ QS ggfs. Einstellen der Werkstückabmessungen über Werkzeugkorrekturwerte MB MB MB E/ (MB) Abrüsten von Werkzeugen und Spannmitteln MB MB MB E/ MB Einlagern der Werkzeuge, Veranlassung von Werkzeuginstandsetzung falls nötig MB MB/ Arvo Arvo Arvo Einlagern der Spannmittel, Veranlassung von MB MB/ Arvo Arvo Arvo Spannmittelinstandsetzung falls nötig Archivierung des CNC-Programmes MB MB/ Tech MB/ Tech E/ Tech Abtransport Fertigteile MB MB/ Trans Trans/ MB Trans Werkzeugmaschine herunterfahren/ ausschalten MB MB MB MB/ E Qualitätssicherung und -überwachung MB MB MB/ QS QS Durchführung von Wartungsarbeiten an der Werkzeugmaschine MB MB MB/ Inst MB/ E/ Inst Durchführung von Inspektionen an der Werkzeugmaschine MB/ Inst MB/ Inst MB/ Inst MB/ E/ Inst Instandsetzungsarbeiten an der Werkzeugmaschine Inst (mit Hilfe MB) Inst (mit Hilfe MB) Inst (mit Hilfe MB) Inst (mit Hilfe MB/ E)