Ein digitaler Zwilling kommt selten allein

In Zeiten zunehmender Digitalisierung ist es wichtig zu verstehen, dass es nicht nur den einen digitalen Zwilling gibt. Am Beispiel einer Werkzeugmaschine wird klar, dass für Maschinenanwender und -hersteller verschiedene virtuelle Abbilder geschaffen werden müssen, da sie unterschiedliche Anforderungen haben.

Verschiedene Anwendungszenarien für digitale Zwillinge

Im Lebenszyklus von Werkzeugmaschinen gibt es zwei ganz verschiedene Anwendungsszenarien für digitale Zwillinge: Das eine ist von den Anforderungen des Maschinenherstellers geprägt und betrifft die Anwendung bei Konstruktion, Bau und Inbetriebsetzung sowie Wartung und Service von Maschinen. Das zweite Anwendungsszenario betrifft den Betrieb der Werkzeugmaschine, vor allem das Erstellen und Verifizieren prozesssicherer CNC-Programme. Bei der Digitalisierung der Fertigung und auch beim Kauf neuer Maschinen gilt es, diese Unterschiede zu kennen und zu verstehen. Dabei ist es hilfreich, sich mit dem grundsätzlichen Aufbau digitaler Zwillinge vertraut zu machen.

 

Digitaler Zwilling als mächtiges Werkzeug

Da eine Werkzeugmaschine ein sehr komplexes mechatronisches Gebilde ist, ist auch der dazugehörige digitale Zwilling entsprechend komplex. Das digitale Abbild muss deshalb analog zur realen Werkzeugmaschine in einzelne Module aufgeteilt werden: in das virtuelle Abbild der CNC-Ausrüstung, in das virtuelle Abbild des Maschinenverhaltens und in das virtuelle Abbild der Maschinenmechanik.

 

Potenziell deckt das Konzept des digitalen Zwillings alle Phasen des Lebenszyklus einer Maschine ab. Das reicht von Entwicklung, Bau und Inbetriebnahme der Maschine über ihre Nutzung zur Fertigung ganz unterschiedlicher Werkstücke bis hin zu Service und Wartung: All dies wird mit einem digitalen Zwilling auf der virtuellen Ebene begleitet, geplant, geprüft und optimiert.

 

Meist interessiert nur ein Teil der Möglichkeiten

Je nach Lebensphase der Maschine (Entwicklung, Nutzung, Service) sind die Anforderungen an den digitalen Zwilling sehr verschieden. Der Betreiber einer Maschine will mithilfe eines digitalen Zwillings schon auf virtueller Ebene sicherstellen, dass die CNC-Programme fehlerfrei sind und auf Anhieb das gewünschte Bearbeitungsergebnis liefern.So spart er die Maschinenzeit für das schrittweise Einfahren des Teileprogramms. Und er kann sich vergewissern, dass das neue NC-Programm keine Kollisionen von Werkzeug oder Spannmittel mit Maschine oder Werkstück ver ursacht.

 

Kurz: In der Fertigung soll der digitale Zwilling dafür sorgen, dass die Maschine prozesssicher läuft und von Prozessschritten entlastet wird, die keine Späne produzieren. Dass die Maschine an sich so funktioniert wie spezifiziert, wird dabei vorausgesetzt und nicht mehr per digitalem Zwilling überprüft.

 

Elektrokonstruktion, Softwareabteilung und Service des Maschinenherstellers dagegen interessiert genau dies – sie nutzen den digitalen Zwilling für die spezifikationsgerechte Funktion der Maschine. Hier geht es darum, das Zusammenspiel von CNC-Applikation mit Aktoren, Sensoren und Mechanik zu testen. Dabei werden alle denkbaren Betriebssituationen im Voraus durchgespielt und die auftretenden Sonderfälle in der CNC-Applikation berücksichtigt. Nach Abnahme und Lieferung der realen Maschine nutzt der Service diesen digitalen Zwilling, um Störungen nachzuvollziehen und Lösungen anzubieten, ohne zum Kunden fahren zu müssen.

Beim Maschinenhersteller steht also die Verkürzung von Entwicklungs- und Markteinführungszeiten im Fokus. Erreicht wird dies durch das Verlagern von Entwicklungsschritten in die Virtualität, das Einsparen mechanischer Prototypen sowie das Maximieren der Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der Maschine. Anders als der Maschinenbetreiber muss der Maschinenhersteller dabei aber keine fehlerfreien CNC-Programme erstellen, sondern kann im Bedarfsfall für Tests auf erprobte und qualitätsgesicherte Teileprogramme von Musterbauteilen zurückgreifen.

 

Diese beiden grundsätzlich verschiedenen Blickwinkel prägen den Einsatz des digitalen Zwillings, genauer gesagt: seine soft- und hardwaretechnische Einsatzumgebung. Diese unterscheidet sich je nachdem, wie der digitale Zwilling genutzt wird, welche Möglichkeiten er dem Anwender bieten muss und welche nicht.

 

Digitaler Zwilling und spanende Fertigung

Bei der Teileprogrammierung und in der Arbeitsvorbereitung ist die zentrale Aufgabe des digitalen Zwillings das Gewährleisten fehlerfreier CNC-Programme. Das virtuelle Abbild der CNC-Ausrüstung innerhalb des digitalen Zwillings übernimmt dabei die Aufgabe, das Abarbeiten der CNC-Programme zu simulieren. Dazu gibt es im Markt zwei verschiedene Ansätze: Zum einen wird versucht, die Funktionalität der CNC zu emulieren, also die CNC in der Maschine softwaretechnisch nachzubilden.

 

Für Sinumerik leistet dies der sogenannte VNCK (virtueller NC-Kern). Der Sinumerik-VNCK enthält dieselbe Systemsoftware wie eine Sinumerik-CNC. Dadurch verhält sich die virtuelle Sinumerik-CNC eines digitalen Zwillings beim Abarbeiten von Teileprogrammen auch exakt so wie die Sinumerik-CNC in der realen Maschine. Die Sicherheit, dass ein per digitalem Zwilling geprüftes und optimiertes Bauteil auf der realen Maschine genauso wie in der Simulation bearbeitet wird – also mit der gleichen Prozesssicherheit, Geschwindigkeit und Bearbeitungsqualität – ist bei VNCK-betriebenen digitalen Zwillingen besonders hoch. Das Ziel, auch bei Einzelfertigung sofort ein Gutteil zu fertigen, ist damit selbst bei komplexen Werkstücken erreichbar.

 

Außer dem VNCK ist für die praktische Arbeit mit dem digitalen Zwilling das virtuelle Abbild der Mechanik der Maschine wichtig: Damit wird jeder Moment des Fertigungsablaufs visualisiert und bereits am PC beobachtbar. Neben der optischen Darstellung der Maschinen- und Werkzeugbewegungen müssen Kollisionen des Werkzeugs mit Bauteil, Spannmittel und Maschinenkomponenten zuverlässig erkannt und signalisiert werden – in letzter Konsequenz gehört dazu auch das Visualisieren der Zerspanung selbst, also eine Abtragsimulation. Sowohl beim Visualisieren der Maschinenbewegungen als auch des Materialabtrags ist die Software NX Virtual Machine eines der führenden Systeme – und diese Software unterstützt auch die nahtlose Integration des Sinumerik-VNCK.

 

Der dritte Aspekt eines digitalen Zwillings – die Simulation und Beeinflussung des Verhaltens einzelner Maschinenkomponenten, Aktoren und Sensoren – hat in der CNC-Arbeitsvorbereitung nur eine geringe Bedeutung. Hier genügt eine realitätsgetreue virtuelle Maschinensteuertafel, über die der Bediener des virtuellen Zwillings die simulierte Maschine bedient und somit die Abarbeitung des CNC-Programms beeinflusst.

Engineering = Fokus auf Maschinendetails

Das Verhalten jeder Maschine wird durch das Zusammenspiel einer Vielzahl von Aktoren und Sensoren bestimmt. Dies verdeutlicht das Beispiel eines Werkzeugwechslers: Die Spindel muss die Werkzeugwechselposition einnehmen, ein Schieber öffnet eine Klappe, die Spindelklemmung muss geöffnet werden, ein Greifer entnimmt das bisherige Werkzeug und bewegt das neue Werkzeug in die Spindel, die Klemmung wird geschlossen, der Greifer zurückgezogen und die Klappe geschlossen. Für Entwicklung, Inbetriebsetzung und Service muss ein digitaler Zwilling ein solches Verhalten und auch das Zusammenspiel aller beteiligten Maschinenkomponenten, Aktoren und Sensoren nicht nur virtuell nachbilden, sondern es auch ermöglichen, dieses Zusammenspiel gezielt zu beeinflussen.

 

Hardware in the Loop

Anders als beim reinen NC-Kern gibt es noch kein virtuelles Abbild der kompletten CNC-Ausrüstung, das sowohl die CNC-Funktionalität, den Part der Anpasssteuerung (PLC) als auch die Antriebsregelung komplett umfasst. Maschinenhersteller benötigen darum eine Schnittstelle zwischen virtueller und realer Welt, mit der sie ihren digitalen Zwilling mithilfe eines Test-Rack mit realen CNC- und Antriebskomponenten ansteuern.

 

Eine Lösung hierfür sind die Programme Simit und NX Mechatronic Concept Designer von Siemens. Simit realisiert die Verschaltung von Hardware-Signalen und Feldbus mit den Aktoren und Sensoren des digitalen Zwillings. Der NX Mechatronic Concept Designer sorgt im Wesentlichen dafür, dass die als 3D-Modell vorliegenden Mechanik komponenten der Maschine sich so bewegen wie vorgesehen, also zum Beispiel entlang einer Führung oder um ein Gelenk – oder gar nicht, wenn sie unbeweglich miteinander verbunden sind. Auf Basis dieser Software-Produkte wird die CNC-Ausrüstung einer Maschine auch ohne einen realen Prototyp in Betrieb genommen. Die Mechanik und die elektrotechnische Ausrüstung der Maschine werden dabei vom digitalen Zwilling repräsentiert.

 

Der Maschinenservice kann mit einem solchen digitalen Zwilling Fehlermeldungen der Kunden nach vollziehen, analysieren und zu konkreten Tipps an die Instandhalter vor Ort aufarbeiten. Die Kompatibilität von Software-Updates oder Funktionserweiterungen wird verifiziert, ohne dass dadurch die Verfügbarkeit der realen Maschine beeinträchtigt wird. Die in der Fertigung so wichtige Kollisionsüberwachung oder eine Abtragsimulation sind dabei eher nachrangig.

 

Genau genommen ist ein per Hardware in the Loop betriebener „digitaler Zwilling“ kein vollständiger virtueller Zwilling der Werkzeugmaschine – es wird eine reale CNC zu seiner Ansteuerung verwendet. Der Simulationsrechner stellt hier „nur“ das virtuelle Abbild der Maschinenmechanik zur Verfügung und simuliert das Verhalten aller Maschinenkomponenten im Detail.

Digitaler Zwilling als Kommunikationsmedium

Der Einsatz von digitalen Zwillingen in der Entwicklung und ihre Verwendung in der Fertigungsvorbereitung sind wohl die beiden wichtigsten Anwendungsfälle. Doch in der Praxis gibt es einen fließenden Übergang dazwischen. Maschinenhersteller werden zum Ausloten neuer Technologiefunktionen und deren Auswirkungen auf die mechanische Konstruktion auch mit dem VNCK und NX Virtual Machine arbeiten - und diese außerdem dazu verwenden, um Funktionsmodelle ihrer Maschinen zu erstellen, die deren funktionale Alleinstellungsmerkmale verdeutlichen.

 

Anwender von Werkzeugmaschinen werden häufig in die Engineering-Phase ihrer neuen Maschinen einbezogen und kommen dabei in Kontakt mit dem digitalen Zwilling für die Konstruktion und Inbetriebnahme der Maschine. So werden bei kundenspezifischen Ausführungen von Serienmaschinen die speziellen Funktionen oft anhand digitaler Zwillinge detailliert abgestimmt. Bei Sondermaschinen oder Großmaschinen ist es unumgänglich, dass der Maschinenhersteller bereits in der Konstruktionsphase mögliche Lösungsansätze mit dem späteren Anwender bespricht. Damit sind digitale Zwillinge nicht nur mächtige Instrumente in Entwicklung, Fertigung und Service, sondern auch sehr effiziente Kommunikationsmittel, sobald es um das Vermitteln von Ideen, Features oder Anforderungen geht.

 

Feedback

Haben Sie Fragen zum Thema oder einen Themenvorschlag?

Schreiben Sie uns!