Virtuelle und physische Produkt-Validierung im Maschinenbau – Institut für Produkt- und Service Engineering der Hochschule Furtwangen und KOCH gehen neue Wege
In der Welt der Automatisierungstechnik wird oft noch klassisch gedacht: Man plant, baut und testet – meist in genau dieser Reihenfolge. Doch bei komplexen Roboterzellen, die mechanische, elektrische und softwaretechnische Komponenten vereinen, ist das ein riskantes Spiel mit Zeit, Budget und Nerven.
Bei KOCH Steuerungstechnik verfolgen wir deshalb einen anderen Weg: Wir validieren früh – noch bevor die erste Schraube gesetzt wird. Der Schlüssel dazu ist der X-in-the-Loop-Ansatz, den wir gemeinsam mit dem Institut für Produkt- und Service Engineering der Hochschule Furtwangen reflektiert und methodisch geschärft haben.
Denn moderne Automatisierung verlangt mehr als nur Simulation. Sie braucht eine testfähige, vernetzte und systemnahe Umgebung, in der echte Validierung möglich ist – und zwar bereits in der Entwicklungsphase.
Warum klassische Simulation heute nicht mehr ausreicht
Dabei basiert die Modellbildung des Digitalen Zwillings auf dem X-in-the-Loop-Ansatz. Für die Entwicklung von modernen Automatisierungslösungen muss ein Ingenieur in der frühen Phase der Produktentwicklung in der Lage sein, einzelne Teilsysteme – trotz des fehlenden Gesamtsystems – in einer systemnahen Umgebung testen zu können.
Des Weiteren erfordern die hochkomplexen Funktionsvernetzungen – das Zusammenwirken von mechanischen, elektrischen und informationstechnischen Komponenten in heutigen Automatisierungen – systematische und integrative Entwicklungsprozesse.
Validieren statt nur visualisieren: Ziel und Nutzen des Ansatzes
Hierbei muss die Validierung und nicht nur Verifizierung von Anfang an und kontinuierlich über die gesamte Entwicklung hinweg systematisch durchgeführt werden. Der Grundgedanke: Durch eine kontinuierliche Validierung im Entwicklungsprozess entsteht ein steter Abgleich zwischen den Zielen und Zwecken des Produkts sowie dem jeweils erreichten Entwicklungsstand.
Somit steuert die Validierungsaktivität den kompletten Produktentstehungsprozess, trägt erheblich zum Wissensgewinn bei – und regt immer wieder neue kreative Lösungen an.
X-in-the-Loop Praxisbeispiel: Gesamtlayout in der Zahnradfertigung
System in Development (SiD) trifft virtuelles Restsystem
Um die praktische Anwendung dieses Ansatzes zu veranschaulichen, beschreiben wir im Folgenden ein konkretes Projektbeispiel: die Entladung einer Bürstmaschine mit Hilfe einer Roboterzelle (mehr zum Projektbericht).
Eine mögliche Lösung des X-in-the-Loop-Ansatzes für die Validierung eines Teilsystems – in diesem Fall die Roboterzelle zum Entladen der Werkzeugmaschine – wird in der folgenden Abbildung durch zwei überlagerte Layer a) und b) dargestellt. Die Layer zeigen jeweils die virtuellen und physischen Ausprägungen des Systems in Development (SiD) und des Connected Systems (Restsystems).
in einer systemnahen Umgebung, trotz fehlendem Gesamtsystem.
Layer a: Die Fertigungslinie im Gesamtkontext analysieren
Eine mögliche Lösung des X-in-the-Loop-Ansatzes für die Validierung eines Teilsystems – in diesem Fall die Roboterzelle zum Entladen der Werkzeugmaschine – wird in der folgenden Abbildung durch zwei überlagerte Layer a) und b) dargestellt. Die Layer zeigen jeweils die virtuellen und physischen Ausprägungen des Systems in Development (SiD) und des Connected Systems (Restsystems).
Layer b: Die neue Roboterzelle im Detail testen
Layer b analysiert die Roboterzelle mit der Werkzeugmaschine im Detail. Der Werkstücktransport zur Werkzeugmaschine (1) und das Beladen sind Teil des virtuellen und physischen Restsystems, das in der Simulation über das Process Modeling in Visual Components und mittels Virtual Reality abgebildet wird. Über Sensoren und Aktuatoren in der Simulation kann mit der Werkzeugmaschine physisch interagiert und sie mit Werkstücken beladen werden.
Der Werkstücktransport in der Werkzeugmaschine (2), die Lageprüfung (3), das Beschriften (4) und das Stapeln der Werkstücke in Leerkörbe (5)(6) werden ebenfalls über das Process Modelling abgebildet. Zwischen der Werkzeugmaschine und dem Roboter wird die Logik der Schnittstelle zwischen den beiden Systemen verifiziert.
Sensorik, Aktuatoren und Bedienung im digitalen Zwilling verknüpfen
Der Roboter, welcher aus den Schächten Leerkörbe entnimmt (7) und die Drahtkörbe mit den Fertigteilen in Schächte stapelt (8), ist das System in Development (SiD) in der virtuellen Domäne. Zur vollständigen Betrachtung ist nicht nur die Schnittstelle zur Bürstmaschine in der Simulation abgebildet, sondern auch alle notwendigen Sensoren und Aktuatoren, die dem Roboter zur Verfügung stehen.
So kann z. B. über Gabellichtschranken am Korbgreifer das Roboterprogramm für das Eintauchen in den Schacht verifiziert werden. Der Roboter taucht mit seinem Korbgreifer so lange ein, bis über einen geschalteten Interrupt ein Korb detektiert wird.
Der Roboter wird in Visual Components über das KUKA.Sim AddOn konfiguriert und programmiert.
Ein Maschinenbediener, der die Roboterzelle sowohl mit Leerkörben belädt (7) als auch die Körbe mit den gebürsteten Fertigteilen entlädt (8), interagiert mittels Virtual Reality mit der Roboterzelle – zum Beispiel über das implementierte Human Machine Interface (HMI). Der Werkstücktransport zur nachfolgenden Roboterzelle ist wieder Teil des virtuellen Restsystems und wird ebenfalls im Process Modelling abgebildet.
Was X-in-the-Loop für die Praxis bedeutet
Über den X-in-the-Loop-Ansatz kann somit die Roboterzelle im gesamtheitlichen Kontext mit den Wechselwirkungen zu anderen interagierenden Teilsystemen validiert werden. Dies ermöglicht KOCH in der frühen Phase der Produktentwicklung, einzelne Teilsysteme trotz fehlendem Gesamtsystem in einer realitätsnahen Umgebung zu testen.