Simulation & Virtual/Augmented Reality

Machineering zur virtuellen Inbetriebnahme

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Die Machineering GmbH & Co. KG hat eine Simulationssoftware mit physikalischem Kern entwickelt, die es ihren Nutzern ermöglicht, realitätsnahe 3D-Simulationen zu erstellen. Die Geschäftsführerin von Machineering, Dipl.-Kffr. Beate Maria Freyer, erklärt im Interview mit der KEM Konstruktion unter anderem, welche Möglichkeiten die Software von Machineering bietet und welche Rolle VR-/AR-Brillen in Zusammenhang mit der Software von Machineering spielen.

Interview: Irene Knap, Redakteurin der KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Frau Freyer, Machineering wurde 2007 aus einem Spin-Off des IWB (Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften München) gegründet. Im Jahr 2009 erfolgte die Umfirmierung in eine GmbH & Co. KG durch Sie und Dr. Georg Wünsch als Gründer. Heute sind Ihre 3D-Simulationslösungen bei führenden Anlagen- und Maschinenbauern sowie Produktionsunternehmen verschiedener Branchen im Einsatz. Wie kam es dazu?
Freyer: Dr. Wünsch hat im Rahmen seiner Promotion am IWB die Idee gehabt, den physikbasierten Kern, der in der Computerspiele-Industrie bereits eingesetzt wurde, für den Maschinen- und Anlagenbau zu nutzen. Dementsprechend sollte nicht etwa das Verhalten der Steine einer einstürzenden Mauer, sondern beispielsweise der Verpackungsablauf eines Produkts realistisch dargestellt werden. Die ersten Ideen und Grundzüge, um die Software aufzubauen, hat Dr. Wünsch ab 2007 entwickelt. Im Jahr 2009 bin ich dazu gestoßen. Seither ist er hauptsächlich für die technischen Aspekte zuständig und ich betreue die Bereiche Marketing, Vertrieb und Personal.
KEM Konstruktion: Wie habe ich mir die Funktion dieses Physikalischen Kerns in der Praxis vorzustellen?
Freyer: Die sogenannte Starrkörperphysik kann die Abläufe sehr realitätsnah abbilden. Kollisionen und Kontakte werden dabei dynamisch berechnet und es ist möglich, sowohl die Sensorik als auch die Aktorik sowie die Steuerungslogik zu integrieren. Darüber hinaus sind Gelenke, Kinematiken und Reibungsmodelle einstellbar, und in einer Bibliothek lassen sich sogar die Daten von bis zu 800 Industrierobotern von namhaften Herstellern wie ABB, Fanuc und Kuka abrufen. All diese Faktoren zusammengenommen führen letztendlich zu tagesgenauen Simulationsergebnissen auf dem jeweils aktuellen Stand der Entwicklung. Der so ermittelte Materialfluss und das Verhalten der Anlage werden in Echtzeit simuliert und ermöglichen die Bestimmung der exakten Zykluszeit sowie der zukünftigen Auslastung der Anlage.
KEM Konstruktion: Welche Informationen braucht Ihre Software vom Anwender, um diese Simulationen berechnen zu können?
Freyer: In den ersten Planungsschritten einer neuen Maschine oder Anlage wird fast immer zumindest ein grobes CAD-Modell erstellt. Dieses Modell kann über Schnittstellen aus gängigen CAD- und Visualisierungssystemen wie Solidworks, Inventor, Creo (Pro/E), Maya sowie 3ds Max direkt in unsere Simulationssoftware Industrial Physics übernommen werden. Eventuell sind zu diesem Zeitpunkt bereits einige Informationen zum Modell hinterlegt, aber eben noch keine Daten, die es intelligent macht – diese physikalischen Eigenschaften wie das verwendete Material, dessen Gewicht, Geschwindigkeit, der Reibwert einer Bande etc. werden im nächsten Schritt parametriert. So macht es beispielsweise bei einer Förderanlage, auf der Flaschen transportiert werden, einen Unterschied, ob diese Flaschen voll, halbvoll oder leer sind. Je nachdem verändern sich die physikalischen Eigenschaften dahingehend, dass sich zum Beispiel das Förderband schneller oder langsamer bewegen kann, ohne dass Flaschen herunterfallen. Sobald die entsprechenden Parameter hinterlegt sind, lässt sich das direkt sehr anschaulich simulieren.
KEM Konstruktion: Ihre Simulationssoftware kann also schon in den ersten Entwicklungsschritten sinnvoll eingesetzt werden?
Freyer: Unsere Kunden können damit auch schon ihre angedachten Prinzipien testen – noch bevor die entsprechende Halle oder Maschine tatsächlich konkret geplant wird. Dadurch wissen sie, ob ihre Überlegungen in die richtige Richtung gehen oder Probleme wie Kollisionen bestehen.
KEM Konstruktion: Gibt es dazu eventuell ein markantes Beispiel aus der Praxis?
Freyer: An einem Rütteltopf für ein Transportsystem werden die Vorteile der Simulation beispielsweise sehr gut deutlich. Dabei handelt es sich um einen topfförmigen Wendelförderer, an dessen entsprechend abgeschrägten Wänden beispielsweise Pillen oder Schrauben vereinzelt und weitertransportiert werden. Derzeit wird bei der Konstruktion eines solchen Topfes stark auf die Erfahrungen weniger Experten zurückgegriffen. Diese bestimmen, basierend auf den Kennwerten des zu transportierenden Gutes und ihres Knowhows, die anzuwendende Gradzahl, also in welchem Winkel der Wendel angeordnet werden muss, sowie die Antriebsdaten. Sobald die Anlage dann fertig aufgebaut ist, wird so lange gefeilt und optimiert, bis alles wie geplant funktioniert – oder auch nicht. Und selbst wenn es funktioniert, können die beteiligten Personen nicht absolut sicher sein, die bestmögliche Lösung gefunden zu haben.
KEM Konstruktion: Und über Ihre Software ist das möglich?
Freyer: Ja, da wir innerhalb der Software eine Quelle für beispielsweise die Pillen generieren und die Anlage damit tatsächlich „arbeiten“ lassen können. Dabei wird nicht nur die Beförderung der Tabletten an sich simuliert, auch ihre Interaktion untereinander, etwa dass sie aneinander stoßen und deshalb ihre Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit ändern, wird dargestellt. Zudem kann eine kontinuierliche Zufuhr definiert und somit das langfristige Verhalten des Rütteltopfes ‚getestet‘ und die erreichte Taktung abgeschätzt werden.
KEM Konstruktion: Auf der gerade stattgefundenen SPS IPC Drives 2016 in Nürnberg haben Sie das Release 2.0 von Industrial Physics vorgestellt. Was hat sich damit verändert?
Freyer: Im neuen Release gibt es zum einen Verbesserungen und Erweiterungen in den Bereichen Visualisierung, Simulation und Steuerungsanbindung. Zum anderen wurden neue Schnittstellen zu externen Systemen integriert. So steht unseren Nutzern ab sofort sowohl eine Anbindung an SAP EWM und vergleichbare Materialflusssteuerungen als auch eine Schnittstelle zu Eplan P8 zur Verfügung. Mit der Überführung von Daten aus der Simulation ist uns ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung ‚Ganzheitlicher Mechatronischer Engineering-Ansatz‘ gelungen. Außerdem bietet Industrial Physics nun eine echte Anbindung an das TIA-Portal, an die Siemens Simulation Unit PN256 sowie reale Robotersteuerungen. Darüber hinaus ist es nun möglich, Linearsysteme wie Hängebahnen oder schienengeführte Fahrzeuge exakt zu simulieren.
KEM Konstruktion: Verfolgen Sie mit der Bereitstellung all dieser Schnittstellen ein bestimmtes Ziel?
Freyer: Wir wollen damit immer den aktuellen Stand der Technik abdecken, sodass unsere Software nicht veraltet – dabei aber so wenig wie möglich direkt integrieren. Somit können wir, sollte eine Anbindung nicht mehr aktuell sein, diese einfach kappen, ohne unser Produkt umbauen zu müssen.
KEM Konstruktion: Sie haben einen ganzheitlichen mechatronischen Engineering-Ansatz erwähnt, was hat es damit auf sich?
Freyer: Industrie 4.0 ist ja derzeit ein sehr häufig diskutiertes Thema. Unserer Meinung nach gehen wir damit zwar langsam aber sicher in die richtige Richtung. Wir sind davon überzeugt, dass die drei Bereiche der Mechanik, Elektronik sowie der Automatisierung nicht mehr getrennt gesehen werden sollten. Vielmehr werden in Zukunft – sobald die entsprechenden Ausbildungsmöglichkeiten vorhanden und angenommen worden sind – Mechatroniker neue Anlagen in mechatronische Komponenten zerlegen, die dann jeweils getrennt bearbeitet werden. Bis es so weit ist, sollten Teams aus mechanischen Konstrukteuren, Elektrikern und Automatisierern genauso vorgehen. Also einen Abschnitt, der am Anfang auch nicht groß sein muss, wirklich von Anfang bis zum Ende durchdenken und einschließlich der Programmierung fertigstellen. Damit wäre gesichert, dass die Übergänge zwischen den Disziplinen funktionieren und der Inbetriebnehmer aus Deutschland nicht zuviel Zeit im Ausland verbringen muss, um eine Anlage in Betrieb zu nehmen. Wir unterstützen die neue Vorgangsweise auch dadurch, dass die Simulation so weit integriert ist, dass Änderungen, die in der Simulation an der Konstruktion vorgenommen werden, direkt auf das CAD-Modell übertragen und als neue Version abgespeichert werden. Somit sind alle beteiligten Personen immer auf dem aktuellen Stand.
KEM Konstruktion: Die Programmierung soll also erstellt werden, während an anderer Stelle noch an der Konstruktion gearbeitet wird?
Freyer: Es soll ein kontinuierlicher Prozess sein. Um noch einmal das grobe Konzept zu Beginn der Überlegungen heranzuziehen: Auch die angedachte Steuerung kann vorab ‚getestet‘ werden, indem statt der fertigen Anlage Funktionsblöcke genutzt werden, die bestimmte Eigenschaften aufweisen. Das kann so weit gehen, dass die später tatsächlich verwendete Steuerung an das Simulationssystem angeschlossen und im weiteren Verlauf fertig programmiert werden kann.
KEM Konstruktion: Gibt es auch dafür bereits ein Beispiel aus der Praxis?
Freyer: Unser erster großer Kunde Bosch Packaging stand in der Vergangenheit häufig vor der Herausforderung, dass die Steuerungssoftware nicht umfangreich ‚offline‘ per Simulation getestet werden konnte. Dadurch kam es bei der Inbetriebnahme zu mitunter teuren Verzögerungen, da die Software erst sehr spät im Montageprozess an der bereits vorhandenen Maschine eingespielt werden konnte und dann auftretende Probleme oft nur zeitintensiv zu lösen waren. Mittlerweile kommt unsere Industrial Physics-Software zum Einsatz, wodurch Arbeiten parallel ablaufen können, was sowohl die Kosten als auch die Inbetriebnahme-Zeit reduziert. Wie bereits angedeutet, wird die Programmierung der Steuerung nach der virtuellen Inbetriebnahme sogar direkt übernommen. Mit der Simulation wurde somit letztendlich erreicht, dass dem Kunden eine funktionierende Maschine übergeben wurde und zwar zu genau dem Zeitpunkt, zu dem der Hersteller sie versprochen hat.
KEM Konstruktion: Gab es auf der SPS IPC Drives noch weitere Highlights?
Freyer: Ja, im Rahmen unserer Augmented-Reality- und Virtual-Reality-Offensive konnten wir – wie schon auf der Automatica im Juni – die neuen Dimensionen, die sich über solche Brillen erschließen lassen, sehr schön präsentieren. Unsere Besucher konnten dabei über die HTC Vive sowie die Oculus Rift selbst ein Virtual-Reality-System, also einen virtuellen Raum, erkunden. Und über die Hololens von Microsoft wurde ihre Umgebung mit interaktiven 3D-Projektionen angereichert.
KEM Konstruktion: Welche Möglichkeiten gibt es, solche VR-/AR-Brillen im industriellen Alltag einzusetzen?
Freyer: Naheliegend ist die Verwendung der Brillen beispielsweise dann, wenn die an einer Entwicklung beteiligten Personen über den Globus verteilt gemeinsam daran arbeiten wollen. Über die vernetzen Simulationen sehen dann alle das Gleiche und es ist möglich, einzelne Komponenten blinken zu lassen oder Pfeile zu nutzen. Zudem erschließen sich gerade im Servicebereich viele Möglichkeiten. Wenn etwa zum Beispiel in Brasilien an einer Anlage eine Störung auftritt, deren Ursache nicht gefunden werden kann, muss nicht zwingend ein Servicetechniker aus Deutschland anreisen. Stattdessen kann sich der Techniker vor Ort direkt mit Deutschland in Verbindung setzen. Dann ist es einerseits möglich, im Bereich der Augmented Reality die Simulation über die Anlage zu projizieren und beide Techniker können über die Projektion sowie das eigene Kamerabild der Brille gemeinsam die Ursache des Problems suchen. Andererseits kann die mit umfassenden Herstellerinformationen der Komponenten angereicherte Simulation selbst herangezogen werden, um zu sehen, ob die erreichten Betriebsstunden eventuell das Ende der Lebensdauer eines Teils bedeuten könnten. Als Live-Leitstand ist die Simulation dementsprechend auch in der Lage, vor ablaufenden Lebensdauern zu warnen.
KEM Konstruktion: Frau Freyer, vielen Dank für das informative Gespräch.

Kontakt

Info zu Machineering

Machineering GmbH & Co. KG
München
Tel. +49 89 78005270
Details zu den möglichen Simulationsvarianten:
http://t1p.de/rip6



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