Datendurchgängigkeit für eine perfekte Simulation

Autor Karsten KreuschErstellt am Keine KommentareSchlagwörter , , , , , , Kategorien Connected Automation

Die Simulation von Bearbeitungsprozessen in Werkzeugmaschinen hat sich seit Jahren in der Praxis etabliert. Verbreitet gelangen Simulationssysteme zum Einsatz, die CNC-Funktionalität durch Steuerungsmodelle nachbilden. Dort, wo diese an Grenzen stoßen, hilft die Simulation auf Basis des echten CNC-Kerns weiter. Doch ein Problem bleibt: Wie kommen die erforderlichen Anwendungsdaten in das Simulationsszenario?

Anspruchsvolle Bearbeitungstechnologien und komplexe Maschinenkinematiken erfordern immer leistungsfähigere numerische Steuerungen (CNC). Deren Inbetriebnahme und Programmierung an der Maschine ist nicht einfach, aber mit den Methoden der Simulation und virtuellen Inbetriebnahme stehen Möglichkeiten zur Verfügung, die den Anwender bei diesen Aufgaben unterstützen und eine Zeit- und Kostenreduzierung herbeiführen können. Derartige Methoden werden heutzutage unter dem Begriff des “Digital Twin” zusammengefasst. Die große Herausforderung ist dabei allerdings, eine Datenbasis aufzubauen, die die Realität ausreichend genau abbildet, um verlässliche und aussagekräftige Simulationsergebnisse zu erzielen. Neben den Konfigurationsdaten der CNC werden zahlreiche Parameter, Kinematikinformationen und Geometriedaten der zu steuernden Maschine, aber auch der verwendeten Betriebsmittel (Spannvorrichtungen, Werkzeuge) benötigt.

 

CAD/CAM-Kopplung

In vielen Fällen werden CNC-Programme für Werkzeugmaschinen heute nicht mehr von Hand, sondern unter Zuhilfenahme von Programmiersystemen erzeugt. Ursache dafür sind die gestiegenen Anforderungen aufgrund häufig wechselnder Teilespektren, komplexer Mehrtechnologiemaschinen, der Freiformflächenbearbeitung oder neuartiger Zerspanungsverfahren. Die heterogene Software-Landschaft im Bereich CAD/CAM mit einer großen Zahl an Anbietern verdeutlicht die enorme Anwendungsvielfalt.

Unabhängig davon, welches System zum Einsatz gelangt, muss es sich möglichst gut in bestehende IT-Infrastrukturen integrieren, um bereits existierende Daten effizient zu nutzen. Dies kann durch die Anwendung integrierter CAD/CAM-Systeme geschehen oder durch eine CAD/CAM-Kopplung spezialisierter Systeme über entsprechende Software-Schnittstellen.

Das softwareunterstützte Vorgehen in einem CNC-Programmiersystem unterscheidet sich deutlich von der manuellen Arbeitsweise. Es wird nicht händisch programmiert, sondern die Definition der Bearbeitungssituation erfolgt entweder grafisch-interaktiv oder durch automatische, feature-basierte Auswahl geeigneter Bearbeitungsfolgen und Werkzeuge. Die dafür erforderlichen Daten, insbesondere Vorrichtungs- und Werkzeugdaten, trägt der Anwender aus verschiedenen Quellen zusammen und bündelt sie im CAM-System. Daraus können beispielsweise Spann- und Werkzeugpläne automatisch generiert werden. Die eigentliche Erzeugung des CNC-Programms erfolgt im Anschluss an die Bearbeitungsdefinition durch einen steuerungs- und maschinenspezifischen Postprozessor.

Softwareunterstützte CNC-Programmierung in OPUS (Quelle: OPUS Entwicklungs und Vertriebs GmbH)

 

CNC-Simulation

Ein seit Jahren in der Praxis etabliertes Softwarewerkzeug, um Fertigungsabläufe in Werkzeugmaschinen realitätsnah zu visualisieren, ist die CNC-Simulation. Durch die 3D-Abbildung des kompletten Arbeitsraums der Maschine (inklusive aller Vorrichtungen, Werkzeuge und Werkstücke) und der Bewegungen der Maschine (inklusive Visualisierung des Werkzeugpfades und Materialauf- bzw. -abtrags) ist es dem Anwender möglich, den Prozess zu bewerten und zu optimieren, bevor die CNC-Programme an die Maschine übertragen werden.

CNC-Simulationssysteme gibt es in unterschiedlichen Ausprägungen hinsichtlich der Bereitstellung der Steuerungsfunktionalität:

  • Nachbildung der CNC-Funktionalität durch den Softwareanbieter des Programmier- oder Simulationssystems
  • Nutzung der originalen CNC-Funktionalität in Form einer virtuellen, auf einem PC lauffähigen CNC
  • Echtzeit-Kopplung einer realen CNC mit einem Simulations-PC (HiL, Hardware-in-the-Loop)

Die letztgenannte HiL-Variante kann einen realen Steuerungsablauf zwar mit hoher Güte abbilden, ist aber für eine Nutzung im Rahmen der Arbeitsplanung in einem Fertigungsbetrieb zu aufwändig und daher ungeeignet. Als Online-Simulation kann sie jedoch für Visualisierungszwecke direkt an der Maschine zur Anwendung gelangen. Insbesondere bei schwierig einzusehenden Arbeitsräumen stellt es für den Maschinenbediener einen Mehrwert dar, wenn die Maschinenbewegungen auf dem Bedienbildschirm der Maschine oder einem mobilen Gerät in Echtzeit angezeigt werden können.

Eine weite Verbreitung in der Fertigungsplanung kann hingegen die erste Variante verzeichnen, da sie problemlos auf einem PC funktioniert. Die Nachbildung der CNC ist Bestandteil vieler Programmier- oder Simulationssysteme. Allerdings wird es durch die enorm angestiegene Funktionalität moderner CNC-Systeme immer schwieriger und aufwändiger, diese für Simulationszwecke nachzubilden. In der Regel kann das Standard-Steuerungsverhalten hinreichend genau reproduziert werden, spezielle CNC-Funktionen wie eine Spline-Interpolation, die für eine Optimierung des Bearbeitungsablaufs aber relevant wären, stehen meist nicht zur Verfügung.

Hier setzt die CNC-Simulation unter Nutzung einer virtuellen CNC an. Da diese nahezu die identische Software wie die reale CNC beinhaltet, verfügt sie über den vollen Funktionsumfang und überwindet somit die Grenzen konventioneller Steuerungsnachbildungen. Bosch Rexroth bietet hierfür zu seiner CNC-Lösung MTX die Virtual Machine Simulation an. Diese stellt neben der vollständigen Funktionalität des CNC-Kerns und der originalen Bedienoberfläche auch eine 3D-Umgebung zur virtuellen Maschineninbetriebnahme und -erprobung sowie zur Offline-Simulation der gesamten Maschine und des Bearbeitungsprozesses zur Verfügung.

Leistungsstark, intelligent und konnektiv: das CNC-System MTX von Rexroth (Quelle: Bosch Rexroth AG)

 

Datendurchgängigkeit, Schnittstellen

Anwender entscheiden sich aufgrund unterschiedlichster Kriterien (Fertigungstechnologie, Maschinentypen, Integrationsfähigkeit etc.) für eine bestimmte CNC-Programmier- oder -Simulationssoftware, was zu einer ausgesprochen vielfältigen Produktlandschaft im Markt führt. Aus diesem Grund verfolgt Bosch Rexroth – wie generell bei seinen Produkten – auch hier die Strategie der Unterstützung offener oder standardisierter Schnittstellen. In Kooperation mit den CAD/CAM-Softwareanbietern ModuleWorks und OPUS wurde für eine Anwendung in einem Bosch Rexroth-Werk eine durchgängige Prozesskette realisiert. Dabei handelt es sich um die zerspanende Bearbeitung von Hydraulik-Komponenten auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum mit MTX-Steuerung.

5-Achs-Bearbeitungszentrum mit CNC-System MTX für die Fertigung von Hydraulikkomponenten (Quelle: Bosch Rexroth AG)

 

Anwendungsbeispiel Bearbeitungszentrum

Die Erstellung der CNC-Programme für eine Mehrfachaufspannung mit 8 Werkstücken und 14 Komplettwerkzeugen findet in der CAD/CAM-Software OPUS statt. Das Programmiersystem unterstützt den Anwender bei der Bearbeitungsdefinition, indem es auf im Vorfeld hinterlegtes Fertigungswissen sowie Informationen und Daten aus der Werkzeugdatenbank zurückgreift. Mit Hilfe einer integrierten, auf dem internen Quellprogramm basierenden 3D-Simulation der Maschine kann der Programmierer den kompletten Ablauf hinsichtlich Bearbeitungsreihenfolge und Werkzeugwegen beurteilen, bevor über den Postprozessor die CNC-Programmdaten generiert werden.

Um die Bearbeitung mit der Virtual Machine Simulation der MTX zu überprüfen, werden alle notwendigen und in OPUS bereits verfügbaren Daten über die von ModuleWorks entwickelte JobSetup-Schnittstelle an die virtuelle CNC übertragen. Neben NC-Programmen und Nullpunktdateien sind das Werkzeugdaten und -geometrien der Komplettwerkzeuge sowie die Geometrien der Spannvorrichtung und der Rohteile.

CAM-CNC-Prozesskette mit Job Setup-Schnittstelle von ModuleWorks (Quelle: ModuleWorks GmbH)

 

Das Exportieren der Daten aus OPUS sowie das Laden des Job-Setups in der Virtual Machine Simulation erledigt der Anwender jeweils mit wenigen Mausklicks. Einmal geladen, kann die Bearbeitung über die MTX-Bedienoberfläche wie an einer realen Maschine gestartet und beeinflusst werden. Dabei stehen die typischen Simulationsfunktionen, wie eine realitätsnahe Visualisierung der Maschinenbewegungen mit Darstellung der Werkzeugbahnen, eine automatische Kollisionserkennung sowie die Berechnung und Darstellung des Materialab- bzw. -auftrags, zur Verfügung. Für den Anwender ergibt sich bei dieser Vorgehensweise eine hohe Verlässlichkeit der Simulationsergebnisse.

 

3D-Bearbeitungssimulation innerhalb der MTX-Bedienoberfläche (Quelle: Bosch Rexroth AG)

 

Fazit

Die Vorteile der Nutzung virtueller CNC-Steuerungen für die 3D-Bearbeitungssimulation sind unumstritten. Erfolgsrelevant ist allerdings, mit welchem Aufwand und in welcher Qualität die für die virtuelle Maschine erforderlichen Daten bereitgestellt werden können. Für die CNC-Lösung MTX von Bosch Rexroth konnte in Zusammenarbeit mit den Softwareanbietern ModuleWorks und OPUS nachgewiesen werden, wie sich die MTX-Simulation nahtlos in die CAD/CAM-Prozesskette integrieren lässt. Die JobSetup-Schnittstelle ermöglicht, in OPUS für die CNC-Programmierung verwendete Daten mit wenig Aufwand in die MTX-Simulation zu übertragen. Somit ist ein schnelles Umrüsten der virtuellen Maschine hinsichtlich Spannsituation, Werkstücken, Werkzeugen und CNC-Programmen realisierbar.

Über den Autor:

ist seit 2017 als Spezialist für Simulation im Produktmanagement für CNC-Systeme bei der Bosch Rexroth AG in Lohr am Main tätig. Nach dem Studium der Elektrotechnik und Promotion zum Thema „Verifikation numerischer Steuerungen an virtuellen Werkzeugmaschinen“ startete er seine Laufbahn bei Bosch in der Forschung und Vorausentwicklung im Bereich der Simulation von Werkzeugmaschinen.

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