Digitaler Zwilling Maschinen virtualisiert automatisieren

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Werkzeugmaschinen arbeiten heute so effektiv, dass die Bestückung zum Produktivitätshemmnis wird. Ein Baukastensystem von DMG Mori Heitec macht das individuelle Beladen der Maschine möglich. Dank digitalem Zwilling kann die Software für Steuerung und Roboter automatisiert erstellt und virtuell getestet werden.

In den nächsten Jahren werden Automatisierung und Digitalisierung die bestimmenden Faktoren für eine zukunftsorientierte Fertigung sein. Wichtig dabei ist, dass sich jede Maschine – und sei sie noch so individuell – schnell zu attraktiven Preisen automatisieren lässt. Dafür entwickelte DMG Mori Heitec Komponenten, die nahtlos zu Maschinen zusammengesetzt werden können und als digitaler Zwilling hinterlegt sind. Dabei verkürzt dieser Ansatz die Durchlauf- und Inbetriebnahmezeiten um bis zu 80 %.

Der Maschinenbaukasten

• Grundlage ist das WH-Flex-Konzept, ein umfassender Baukasten mit einer Vielzahl von Standardoptionen. Zum Portfolio gehören verschiedene Speichersysteme wie Regale, Paternoster oder Palettenbahnhöfe, die ihrerseits mit unterschiedlichen Greifer- und Greifer-Wechselsystemen ausgestattet oder mit weiteren Optionen wie der SPC-Ausschleusung oder den Ausricht-, Wende- und Reinigungsstationen kombiniert werden können.

• Weitere Applikationen zur Laserbeschriftung oder für Mess- und Prüfaufgaben unterstreichen den kundenorientierten Lösungsansatz.

Mit diesen Systemen können Anwender bis zu neun Dreh- oder Fräsmaschinen verknüpfen und einfach kundenindividuell anpassen. Die Module sind vorkonfiguriert. Das WH-Flex-System wird über eine selbsterklärende Benutzeroberfläche und ein intelligentes Jobmanagement gesteuert und überwacht. Durch den integrierten Greiferwechsel lassen sich sowohl Werkstücke als auch Paletten im produktiven Zusammenspiel handhaben. Als Handhabungseinheit fungiert in diesem Fall ein 6-Achs-Industrieroboter der Unternehmen Kuka oder Fanuc.

Anlagen virtuell testen

DMG Mori Heitec hat für jedes Modul einen digitalen Zwilling mit sämtlichen Funktionen hinterlegt. „Das ist für uns entscheidend, weil wir dann parallel zur realen Maschine aus dem Baukasten auch eine digitale Maschine entwickeln können“, berichtet Kai Lenfert, Geschäftsführer von DMG Mori Heitec. „Damit geben wir schon im Vorfeld einer Investitionsentscheidung dem Kunden die Möglichkeit, seine individuell zusammengestellte Anlage virtuell zu testen. Auf diese Weise sieht er gleich, ob das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten störungsfrei funktioniert und ob die vorgegebenen Taktzeiten auch eingehalten werden können. Optional ist es auch möglich, mit dem digitalen Zwilling neue Werkstücke bzw. Paletten-Aufträge parallel zur laufenden Produktion virtuell einzurüsten und zu verproben.“

Digitalisierung auf Basis von Technologieobjekten

DMG Mori Heitec greift für die Digitalisierung von Werkzeugmaschinen und Bestückungsautomaten auf objektorientierte Technologieobjekte von Heitec als Bibliothek zurück. Diese Objekte beschreiben alle Komponenten des angebotenen Automatisierungsbaukastens mit allen physischen Komponenten wie Aktoren, Sensoren, Antrieben, Robotern, Zuführeinheiten und andere technologische Komponenten.

Sie bestehen aus einem CAD-Modell und einem entsprechenden Automatisierungscode, mit dem verschiedene Aktionen ausgeführt werden können. Mechanik, Elektrik und Software bilden dabei eine Einheit und werden durch Funktionsbeschreibungen, Schaltpläne, Softwaremodule, Hydraulikpläne, etc. modelliert. Mit Hilfe des CAD-Modells lassen sich die Modelle granular in eine Vielzahl von Blöcken und Funktionsbaugruppen zerlegen, um die Kinematik einer Station präzise abzubilden.

Automatische Generierung des SPS-Codes

Hat der Anwender seine Werkzeugmaschine inkl. der Automatisierung konfiguriert, erstellt DMG Mori Heitec auf der Basis der Geräte- und Stückliste sowie aus den elektrischen und pneumatischen/hydraulischen Planungsunterlagen das virtuelle Verhaltensmodell mit den verschiedensten Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen. Anschließend wird auf Basis der Kinematikmodelle automatisch der entsprechende SPS-Code generiert, der nach erfolgreichem Test in die Original-Steuerung eingespeist wird. Er funktioniert mit denselben Zuordnungen. Die geometrischen Daten für den Roboter kommen aus den Herstellerangaben.

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Digitaler Zwilling bildet auch Roboterkinematik ab

Um Durchsätze, Machbarkeit und Erreichbarkeiten sowie die Taktzeiten nachzuweisen, bildet der digitale Zwilling neben der Steuerung auch die Kinematiken des Roboters und den Materialfluss in Echtzeit ab. Die Bewegungen unterscheiden sich dabei nicht vom Original, denn Roboter und Materialfluss sind jeweils Hardware-in-the-Loop-gekoppelt mit den Originalprogrammen und den -steuerungen und laufen in Echtzeit ab. Das schafft eine hohe Investitionssicherheit für den Anwender, garantiert eine schnelle Inbetriebnahme und sorgt für einen schnellen Produktionsstart. Mit dem Wissen aus den Ergebnissen des digitalen Engineerings können Anwender sehr genau abschätzen, wie ihr System mit der Prozesskette zusammenwirkt.

Konnektivität als Bindeglied

Für DMG Mori Heitec ist Konnektivität das Bindeglied zwischen Produktion und Verwaltung und gilt als eines der Kernmerkmale auf dem Weg zur Digital Factory. Denn nur mit offenen Schnittstellen und standardisierten Kommunikationsprotokollen lässt sich eine durchgängige Integration und Interoperabilität von Maschinen und Prozessen zukunftsorientiert gewährleisten. Deshalb sind alle neuen Maschinen standardmäßig mit entsprechenden Schnittstellen ausgestattet. Dabei unterstützt sie sowohl die neue IIoT-Schnittstelle und die gängigen Protokolle MQTT und MT-Connect als auch OPC UA. Mit der entsprechenden Vernetzung in horizontaler und vertikaler Ebene können die Daten aus dem realen Betrieb von den verschiedenen Programmen in Leit- und Verwaltungsebene abgerufen werden.

* Maximilian Frisch, Dipl. -Ing. (Univ.) / M. Sc., Entwicklungsingenieur DMG Mori Heitec

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