CAx-Technologien für die Einzel- und Kleinserienfertigung

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1 CAx-Technologien für die Einzel- und Kleinserienfertigung Dipl.-Inform. Christoph Zymla Metall März 2013, München

2 Abteilung»CAx-Technologien«Kennzahlen und Handlungsfelder Leitung Lothar Glasmacher Fräsen / Schleifen»CAx-Framework«Laserauftragschweißen 16 Mitarbeiter 11 Wissenschaftliche Mitarbeiter 2 Nichtwissenschaftliche Mitarbeiter UP-Bearbeitung Metrologie Laserstrukturieren 3 Fachinformatiker Analyse und Optimierung NC-Daten-Analyse und Optimierung CAx-Prozessketten-Bewertung Quelle: Fraunhofer IPT / CAx-Technologien 2011 Seite 1

3 Fraunhofer IPT Abteilungen im Bereich»Prozesstechnologie«Feinbearbeitung und Optik UP-Diamantbearbeitung, Präzisionsschleifen und -polieren, Präzisionsblankpressen, FE-Prozesssimulation, PVD-Werkzeugbeschichtung Hochleistungszerspanung Mehrachsfräsen, Präzisionshartfräsen, Präzisonshartdrehen, Prozess- und Systemmodellierung Lasermaterialbearbeitung Laserstrahlfügen- und -strukturieren, Laserunterstütze Bearbeitung, Laseroberflächenbehandlung, Generative Fertigungsverfahren, Biotechnologie CAx-Technologien CAx-Framework, CAM-Modulentwicklung, NC-Simulation, NC-Datenoptimierung Seite 2

4 CAx-Programmierung Hintergrund Reale Prozesskette ist variabel Verschiedene Maschinen in der adaptiven Prozesskette Fräsen, Schleifen, Messen, Laserbearbeitung,... Unterschiedliche Anforderungen Verschiedene Referenzen Unterschiedliche Fähigkeiten (z.b. Arbeitsraum) Feedback / Daten aus dem Prozess müssen häufig für eine weitere Nutzung aufbereitet werden wird selten übergreifend genutzt unterliegen häufig Fehlern bei der Konvertierung bzw. Aufbereitung CAx-Programmierung muss die Variabilität handhaben Flexible CAx-Programmierung Adaptive CAx-Prozesskette Prüfdaten/ NC-Daten Prüfdaten/ NC-Daten Steuerdaten/ Prüfdaten Prüfdaten/ NC-Daten Quelle: Fraunhofer IPT / CAx-Technologien 2012, Okuma, Starrag Group, Zeiss, Alzmetall Seite 3

5 Flexible CAx-Programmierung Herausforderungen Adaptive CAx-Prozesskette Prozess Status o.k. CAx-Daten Defekter Bauteilbereich Angepasster CAx-Prozess Prozess Status o.k. CAx-Daten Reale Prozesskette Komplexe Prozesse Teilweise automatisierte Prozess-Abfolgen z. B. Werkzeugwechsel Teilweise manuelle Arbeiten nötig z. B. Maschinenwechsel Unterschiedliche Berechtigungen z. B. Experte, Bediener Anpassbarkeit Prozesse ändern sich Neue Erkenntnisse, Ausmusterungen, neue Bearbeitungsstrategien, Firmen wollen wenig Know-how preisgeben Programmierung nicht als»black-box«reaktion Adaption der bestehenden Werkzeugwege Neue bzw. alternative Arbeitsschritte einfügen Erkennung als Ausschuss Quelle: Fraunhofer IPT / CAx-Technologien 2012 Seite 4

6 Flexible CAx-Programmierung CAx-Framework»CAx-Framework«als Basis Ermöglicht komplexe Kommunikation mit fremden Systemen Vermittelt an Schnittstellen CAD/CAM-Systeme (z. B. Siemens NX) Mess-Systeme NC-Dialekte Koordinatensysteme Schnittstellenformate leicht erweiterbar Nutzung von Technologiedatenbanken zur Prozessauslegung Simulation Testen des Prozesses ohne realen Ausschuss oder Beschädigungen Ermittlung von Prozessgrenzen CAx-Framework implementiert und koordiniert die CAx- Prozesskette Quelle: Fraunhofer IPT / CAx-Technologien 2012 Seite 5

7 Bedienerfreundliche grafische Benutzeroberfläche Quelle: Fraunhofer IPT / CAx-Technologien 2012, Verbreitete Sichtweise Vertrauen in menschliche Anpassungsfähigkeit an komplexe Systeme Unfälle leichtfertig begründet durch»menschliches Versagen«CAM-Funktionalität im Fokus Bedieneffizienz zweitrangig Erkenntnisse Mangelhaftes System-Design als häufige Fehlerursache Hoher Schulungsaufwand (neue Mitarbeiter, neues CAx-System) Schnellere und zuverlässige Zielerreichung durch Design gemäß kognitiven Fähigkeiten Lösungsansatz Konzept einer prozesskonformen und bedienerfreundlichen graphischen Benutzeroberfläche (kurz: GUI) Effizientere Prozessplanung durch verbesserte Intuitivität der Systembedienung Prozesskettenübergreifende Umsetzung eines durchgängigen benutzerfreundlichen GUI-Konzepts Produktivitätssteigerung durch verbesserte Mensch-Maschinen-Interaktion Seite 6

8 »Model-based Process Engineering«Transformation des Prozessmodells ins Softwaremodell Reale Prozesskette (Bsp.: Zerspanprozess) Schruppen Schlichten Finishing Schleifen CAM-Modul Schruppen CAx-Prozesskette CAM-Modul Schlichten CAM-Modul Finishing Prozessintuitive grafische Benutzeroberflächen (GUIs) Prozessspezifische Optionen Prozessspezifische Optionen Benutzerspezifische Optionen Maschine Bahnstategien Eingriffsdefinition Maschinenspezifikation Werkzeuggeometrie Prozessparameter Materialabtrag Prozessparameter Eingriffsbedingungen GUI-Elemente Expert View Basic View Prozessmodell Abbildung des realen Herstellungsprozesses im Modell Eindeutige und umfassende Beschreibung der Prozessabfolge Identifizierung relevanter Parameter für die Prozesseinzelschritte Herstellung der Parameterabhängigkeiten im Modell Quelle: Fraunhofer IPT / CAx-Technologien 2012 Softwaremodell Konzept zur Transformation des Prozessmodells in ein GUI-Modell Definition prozesstechnologischer GUI-Analogien Behandlung von intra- und interprozessuellen Abhängigkeiten Konkatenation der Einzelprozesse zu einer CAx- Prozesskette Umsetzung der Model-View-Controller-Architektur Seite 7

9 Innovationsallianz Green Carbody Technologies Allianz und Technologieverbund: vom Blech-Coil zur lackierten Karosserie Betrachtungsraum Karosseriefertigung Lackierung Karosseriebau Presswerk Werkzeugbau übergreifende Dienstplattform Planung Halbzeug Blech Ganzheitliche Planung und Steuerung der Produktionsprozesse Seite 8

10 Innovationsallianz Green Carbody Technologies Planungsraum Stahl - werk Presswerk Karosseriebau Lackierung Montage Werkzeugbau Vorrichtungsbau Infrastruktur, Logistik Teilsystem Werkzeugbau - Anlagentechnik - Massereduzierte Werkzeuge - Verschleißschutzkonzepte - Zerspanungs- und Try-Out-Prozesse Seite 9

11 Prozesskette zur Herstellung eines Tiefziehwerkzeugs Quelle Bild: Böhler-Uddeholm, Düsseldorf Quelle Bild: DMG, Bielefeld Tiefziehwerkzeug CAD- Modell und Simulation NC- Programmierung Vorbearbeitung: -Fräsen NC-gesteuert Feinbearbeitung: -Fräsen Endbearbeitung: -Tuschieren - Schleifen -Einfahren manuell Quelle Bild: Siebenwurst, Zwickau Seite 10

12 Ausgangssituation und Handlungsbedarf Ausgangsituation Abziehen der Umformwerkzeuge bindet in hohem Maße manuelle Ressourcen und Zeit Prozess ist durch Iterationen und hohe Abhängigkeit von der Erfahrung des Mitarbeiters gekennzeichnet Beurteilung durch den Arbeiter beinhaltet unnötige Fehler Schwankende Oberflächenqualität Steigerung der Anforderungen an Oberflächenqualität erschweren die manuelle Nacharbeit erheblich Mangelnde Planbarkeit und schlechte Dokumentierbarkeit des Prozesses Handlungsbedarf Erhöhen des Automatisierungsgrads (CAD/CAM, Messen, Schleifen) Reduzieren der Durchlaufzeiten für maximale Ressourceneffizienz Seite 11

13 Aufbau des Versuchsstands Prozessstrategie Positionierer Transl. Modul Kraftregelung Bearbeitungsspindel Rotat. Modul Nullpunktspannsystem Messtaster 3D-Messsystem Wechselsystem Qualitätskontrolle Automatisierungsgrad Werkzeugmagazin CAM-Modul Bahnführung Seite 12

14 Lösungsansatz CAx Framework Postprozessor Graphische Benutzerschnittstelle Bahnführungsparameter Werkzeugorientierung CAM- Planung Schnittstellen Siemens NX Maschinensimulation Geometrieerfassung Referenzierung Datenaufbereitung Soll-Ist-Vergleich Erreichbarkeitsprüfung Kinematiksimulation Seite 13

15 Integration COMET-Messsystem Streifenlichtprojektionssystem COMET 5 wurde in die Roboterzelle integriert Automatisierte Messung eines Demonstrator-Bauteils NC-basiert Ablaufsteuerung über Schnittstelle zur Synchronisation zwischen Steinbichler Sensorsystem und ABB- Robotersteuerung Datenrückführung und Berechnung des Soll-Ist-Vergleichs Werkzeugwechsler für Wechsel zwischen Sensor und Bearbeitungsspindel Flächige Messung bei 50μm Messunsicherheit Seite 14

16 Entwickelte CAM-Module Operationsnavigator Liste der geplanten Prozessschritte CAM-Modul Werkzeugweg Bearbeitungsparameter Bearbeitete Flächen Konfiguration des CAM-Moduls über Parameterreiter Feinbearbeitungsbahnstrategien Vorschübe Anfahr-, Rückzugs- und Umsetzbewegungen Simulationsumgebung Visualisierung des Werkzeugwegs Kollisionskontrolle Werkzeug/Werkstück Konsistente Datenhaltung über mehrere Fertigungsfolgen Seite 15

17 Graphische Benutzerschnittstelle Graphische Benutzerschnittstelle Steuerungsapplikation Nutzung der FlexPendant SDK Bibliothek von ABB GUI erlaubt Prozesskonfiguration Konfiguration Genutztes Werkzeug Definition von Referenzkoordinatensystem Auswahl NC-Programm Definition von Vorschüben Hilfsfunktionen Konfiguration und Ausführung von Fertigungsfolgen Seite 16

18 Zusammenfassung CAx-Prozesskette zur adaptiven Schleifbearbeitung inklusive CAM-Modul, Postprozessor, Graphische Benutzerschnittstelle und spezifischen Bahnalgorithmen Automatisierte Geometrieerfassung durch Integration eines COMET Messsystems in das Robotersystem Robotersystem zur automatisierten Feinbearbeitung unter Verwendung einer Bearbeitungsspindel und einer zusätzlich entwickelten translatorischen Werkzeugaufnahme Prozessstrategien und -parameter für die translatorische Schleifbearbeitung Signifikante Zeiteinsparung bei der automatisierten Schleifbearbeitung des Demonstrators Seite 17