Modellierung Die neue Rolle der virtuellen Werkzeugmaschine

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Die virtuelle Werkzeugmaschine erfährt vor der Kulisse von Industrie 4.0 und Cyber-physischer Systeme einen enormen Bedeutungsschub. Was bedeutet das?

Mit der dritten industriellen Revolution (Industrie 3.0) in den 1970er Jahren begann der breite Einzug der Informationstechnik in die Produktionstechnik sowohl zur Entwicklung als auch zum automatisierten Betrieb der Werkzeugmaschine (WZM). Dies bildete einerseits die Voraussetzung und schuf andererseits den Bedarf an digitalen Modellen, die für die unterschiedlichen Ingenieursaufgaben benötigt wurden. Die digitalen Modelle wurden als rechnergestützte Abbilder der WZM entwickelt und in die tägliche Arbeit integriert. Nach Prof. Knut Großmann wird das rechnergestützte Abbild der Werkzeugmaschine, welches die Menge der digitalen Modelle sowie der zugehörigen Computeralgorithmen umfasst, als virtuelle Werkzeugmaschine (vWZM) bezeichnet. Die Modelle einer vWZM bilden die Maschine selbst und die auf ihr laufenden Prozesse für die aufgabenbezogene relevante und hinreichend abstrahierte Beschreibung, Nachbildung, Analyse und Beeinflussung ihrer Bestandteile, Funktionen und Eigenschaften ab.

Die virtuelle Werkzeugmaschine als digitaler Werkzeugkasten

In jeder Phase des Produktlebenszyklus einer Werkzeugmaschine müssen Fragestellungen aus verschiedenen Sichtweisen und für unterschiedliche Verhaltensbereiche beantwortet werden. Damit kann die virtuelle Werkzeugmaschine nicht als einzelnes Modell, sondern muss als digitaler Werkzeugkasten kontextbezogener Modelltypen und Methoden gesehen werden, welche eine zweckmäßige Kopplung erfahren müssen. Ausgehend vom Entwurf bis zum Betrieb der WZM stehen genauere und größere Mengen an Daten und Informationen zur Verfügung. Dies prägte bisher den erreichbaren Detaillierungsgrad der vWZM.

Die heutige kontinuierliche Akquise von Maschinen- und Prozessdaten und deren Rückspeisung in den Entwicklungsprozess wird zunehmend aussagekräftigere Modelle schon in der frühen Entwicklungsphase ermöglichen. Die rechts dargestellte Abbildung fasst im oberen Teil den Reifegrad und die Verbreitung der Modelle zur spanenden Werkzeugmaschine für die wesentlichen Verhaltensbereiche zusammen. Der untere Bildteil illustriert die aufgabengerechte Modellausprägung am Beispiel des thermischen Verhaltens auf Basis aktueller Forschungsarbeiten.

AMB 2020

Digitalisierung an der Werkzeugmaschine als Chance

Der Einsatz thermo-elastischer Modelle

Thermo-elastische Modelle können bereits in der Entwurfsphase zum Einsatz kommen, um Maschinenkonzepte hinsichtlich ihrer Machbarkeit und grundlegender thermo-elastischer Verhaltensweisen zu analysieren. Hierfür können Knotenpunktmodelle (Kapazitäts-Leitwert-Netzwerke) zum Einsatz kommen, welche die stark vereinfachte Modellierung einzelner Komponenten und der kompletten WZM gestattet. Die Knotenpunktmodelle sind leicht anpassbar und weisen aufgrund ihrer geringen Größe eine geringe Rechenzeit auf. Damit sind sie besonders dazu geeignet, effizient verschiedene Maschinenkonzepte und Varianten zu analysieren. Es können grundlegende Entscheidungen zur Platzierung von Wärmequellen und Wärmesenken und ihrer Wirksamkeit in Bezug auf die Maschinengenauigkeit getroffen werden.

Da durch das Modell nur qualitative Aussagen getroffen werden, ist ein Parameterabgleich nicht notwendig und in dieser Phase auch nicht möglich. Eine Echtzeitanforderung an die Berechnungszeit des Modells besteht in dieser Phase des Produktlebenszyklus noch nicht.

Was die Modelle wann können müssen

• In der Gestaltungsphase der WZM werden detailliertere Modelle zur Auslegung einzelner Maschinenkomponenten unter realitätsnahen Annahmen der Prozess- und Umgebungsbedingungen benötigt. Als Modelle können umfassende Knotenpunktmodelle bis hin zu Finite-Element-Modelle (FE-Modellen) auf Basis der CAD-Geometrie, die eine höhere strukturelle Auflösung bieten, verwendet werden.

• In der Inbetriebnahmephase sollen Vorabaussagen zum tatsächlichen thermo-elastischen Verhalten der WZM und der damit verbundenen Maschinengenauigkeit unter gegebenen realen Prozess- und Aufstellbedingungen getroffen werden. Dafür ist neben einem detaillierten FE-Modell ein Abgleich der Modellparameter mindestens für den WZM-Typ, bei hohen Genauigkeitsanforderungen für das spezifische WZM-Exemplar, notwendig.

• Während der Betriebsphase werden die Aufgaben des Monitorings, der Genauigkeitssteigerung durch Korrektur der thermo-elastischen Fehler und der vorausschauenden Wartung durch das Modell erfüllt. Die vWZM muss hierfür prozessaktuell den Zustand der realen WZM abbilden. Das bedeutet, die vWZM muss in thermischer Echtzeit berechnungsfähig sein. Thermische Echtzeit ist dann erreicht, wenn das Ergebnis vorliegt, bevor relevante thermo-elastische Verformungen nach einer Belastungsänderung auftreten.

Eine Beschleunigung der Modellberechnung wird durch
Reduktion der Systemfreiheitsgrade des FE-Modells (MOR) erreicht. Die vWZM ist an die WZM-Steuerung angebunden und erhält als benötigte Modelleingangsdaten Steuerungsgrößen wie Achspositionen, -geschwindigkeiten und Motorströme sowie Messgrößen in Form von Umgebungslufttemperaturen. Die mit Hilfe der vWZM ermittelten Korrekturtabellen für eine volumetrische Korrektur der thermo-elastischen Fehler werden zurück an die Steuerung übermittelt.

Ausblick

Ziel aktueller Forschungsarbeiten ist die Entwicklung der cyber-physischen Werkzeugmaschine, in der die realen Komponenten mit den Modellen der vWZM verbunden sind. Hier gilt es die Echtzeitfähigkeit der vWZM in allen Verhaltensbereichen zu erlangen, um komplexe Steuerungsaufgaben modellbasiert durchführen zu können. Neben der Ermittlung situativ-optimaler Maschineneinstellungen und einer modellbasierten vorausschauenden Wartung stellt die virtuelle Inbetriebnahme mit dynamischen Feedback schnell zu rekonfigurierenden Fertigungszellen eine wesentliche Aufgabe der vernetzten vWZM in naher Zukunft dar. Die vWZM wird eine tragende Rolle zur Generierung geeigneter Daten als Grundlage für KI-Anwendungen auch schon in einem frühen Stadium der WZM-Entwicklung spielen.

Maschinengiganten

Die zehn größten Werkzeugmaschinen der Welt

* Prof. Steffen Ihlenfeldt, Dr.-Ing. Lars Penter, Dr-Ing. Hajo Wiemer, Dipl.-Ing. Xaver Thiem, Technische Universität Dresden

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