Flugsimulator für Spritzgießmaschinen

SPRITZGIESSEN
Maschinensteuerung mit
Touchscreen-Bedienoberfläche
und Echtzeit-Ethernet-Bus
Softwareentwicklung.
Die reale Steuerung mit
(Bilder: KraussMaffei)
dem realen Feldbus in der
Entwicklungsphase mit
einer virtuellen Maschine
zu verbinden, öffnet
neue Horizonte. Auf dem
Bildschirm lassen sich
Produktionsszenarien
darstellen, um die Funktionen der Steuerung unter realistischen Bedingungen zu
testen. Die dafür eingesetzte Simulationssoftware arbeitet in Echtzeit und beschleunigt am Ende die Inbetriebnahme der realen Maschine.
Flugsimulator für
Spritzgießmaschinen
GÜNTHER GRIMM
GEORG HOLZINGER
STEFAN MOSER
irtuelle Realität beim Spritzgießen
– was wie Science-Fiction klingt, ist
bei KraussMaffei bereits Wirklichkeit: Die Softwareentwickler des Münchener Maschinenherstellers bedienen sich
virtueller Spritzgießmaschinen, um
Steuerungsfunktionen zu entwickeln, zu
erproben und in Betrieb zu nehmen.Verbunden mit einer echten MC5-Steuerung
ermöglicht das Simulationsprogramm
die detaillierte Untersuchung komplexer
Maschinen- und Werkzeugbewegungen,
verkürzt die Entwicklungszeiten und beschleunigt die Inbetriebnahme der Spritzgießmaschinen beim Kunden. All das ist
möglich, weil sich das von der Software
generierte physikalische Verhaltensmodell in Echtzeit bewegt und real über die
MC5 gesteuert und geregelt wird. KraussMaffei entwickelte das Simulationsprogramm für Spritzgießmaschinen auf Ba-
V
sis der Software ISG-virtuous des Stuttgarter Softwareunternehmens Industrielle Steuerungstechnik GmbH (ISG).
Eine diffizile Angelegenheit
Die Simulation von Prozessen oder technischen Abläufen, von Crashtests oder des
Strömungsverhaltens ist heute in vielen
Bereichen und Branchen etabliert. Mit
der sogenannten Computersimulation,
bei der ein rechnerisches Modell beispielsweise eine echte Maschine ersetzt,
lassen sich Verfahren oder Experimente
mittlerweile sogar in Echtzeit darstellen.
Mehr denn je ist die Entwicklung der
Steuerung komplexer Produktionsanlagen jedoch eine diffizile Angelegenheit.
So müssen etwa bei Spritzgießmaschinen
zahlreiche Maschinen- und Werkzeugbewegungen sowie verschiedene Betriebszustände koordiniert und aufeinander
abgestimmt werden (Bild 1). Nicht zu vergessen die Peripherieeinrichtungen, deren Abläufe zu integrieren sind. Das gilt
insbesondere für Sonderfälle, etwa für
Sonderverfahren wie das Spritzprägen
oder das Hinterspritzen, aber auch für >
Bild 1. Die physikalische Simulation
berücksichtigt
hydraulische und
mechanische Vorgänge in modernen
Spritzgießmaschinen
ARTIKEL ALS PDF unter www.kunststoffe.de
Dokumenten-Nummer KU110738
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den Einsatz spezieller Werkzeuge, beispielsweise Würfelwerkzeuge.
Zwar kann man davon ausgehen, dass
die Steuerungssoftware für solche Sonderverfahren im Grunde ebenso ausgereift ist wie die von Standardmaschinen.
Allerdings unterliegen spezielle Verarbeitungstechniken weitaus mehr als Standardverfahren einer stetigen Weiterentwicklung. Nahezu jede Verfahrensoptimierung macht eine entsprechende Anpassung der Software erforderlich.
Ohnehin ist die Software für die Steuerung nicht weniger komplex als die Ver-
Schließbewegung. Damit verbunden ist
ein weiteres Signal, das wiederum an die
Steuerung geleitet wird.
Der logische Simulator repräsentiert
also im Grunde eine ideale, stark vereinfachte Spritzgießmaschine. Unberücksichtigt bleiben bei diesem Vorgehen beispielsweise die Pumpenansteuerung,
mechanische Einflüsse oder die Frage, ob
alle betreffenden Ventile schalten. Überspitzt dargestellt, prüft der logische Simulator lediglich die korrekte Verkabelung
sowie die (geplanten) Schaltungen in der
Steuerung.
testen und damit auch optimieren lässt
sich eine komplexe Steuerungssoftware
nur mit der realen Maschine (Bild 3). Folglich muss der Funktionstest zurückgestellt
werden, bis die Spritzgießmaschine komplett montiert ist.Vorstehendes gilt natürlich vor allem für Sonderfälle und weniger für Standardmaschinen, deren Steuerung als ausgereift gelten kann.
Die „Stunde der Wahrheit“ schlägt,
wenn die Steuerungssoftware aufgespielt
wird und die Erstinbetriebnahme erfolgen soll. Gerade bei komplexen Systemen
ist es nicht ungewöhnlich, dass bislang
nicht erkannte Fehler den weiteren Verlauf stoppen. Besonders problematisch ist
das, wenn die Maschine bereits beim
Kunden steht, eigentlich produzieren
könnte und stattdessen Spezialisten vor
Ort noch die letzten Anpassungen vornehmen müssen.
Vorschau: Virtuelle Realität auf
dem Schreibtisch
Bild 2. Bei komplexen Abläufen verringert die Simulation den Prüf- und
Inbetriebnahmeaufwand an der realen Anlage
arbeitungsprozesse und die dafür konzipierten Maschinen. Deshalb verwundert
es nicht, dass Steuerungen in diesen Fällen nur unter absolut realen Bedingungen getestet und optimiert werden. Dieses zeitraubende und nicht zuletzt auch
teure Vorgehen lässt sich mit der Simulationssoftware signifikant verkürzen
(Bild 2).
Das Zusammenspiel mit der Hardware
kann zu diesem Zeitpunkt noch nicht geprüft werden. Zwar arbeiten Konstrukteure und Softwareentwickler Hand in
Hand; doch die Softwareentwicklung sowie der Bau der Maschine finden in der
Regel parallel statt. Andererseits – richtig
Aus Überlegungen, die beschriebenen
Probleme möglichst zu eliminieren, entwickelte sich die Idee, die in und an einer
Maschine ablaufenden Prozesse mit einer
verbesserten Simulation präziser und
schneller testen zu können. Ziel war insbesondere, die Funktionstests vorzuziehen, um die Optimierung der Steuerungssoftware frühzeitiger und genauer
durchführen zu können.
Die exakte Berechnung der Abläufe erfordert jedoch eine höhere Informationsdichte, einfach weil die Maschinensteuerung weitaus mehr als reine Steuerungsinformationen benötigt. Hinterlegt sind
Rückblick: Logische Simulation
sagt „Ja“ oder „Nein“
Ein gängiges Vorfahren, um eine Steuerungssoftware zu testen, ist die logische
Simulation. Dabei werden lediglich die
Ein- und Ausgänge der Steuerung abgefragt. Sofern ein Signal bestätigt wird,
nimmt der Simulator an, dass auch die
nachfolgenden Komponenten den Erwartungen entsprechen. Mit anderen
Worten: Wenn der Simulator Daten wieder an den Computer zurücksendet, wird
als logische Schlussfolgerung angenommen, dass nun eine (reale) Maschine eine Bewegung ausführt. Ein Beispiel: Die
Steuerung spricht zum Schließen des
Werkzeugs ein Ventil an. Steht fest, dass
das Ventil eingeschaltet wurde, zählt ein
Analogausgang hoch und simuliert eine
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Bild 3. Komplexe Verfahrenstechniken benötigen verifizierte und reproduzierbare Maschinenfunktionen für eine sichere Bauteilproduktion
© Carl Hanser Verlag, München
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Bild 4. Stefan Moser (links) und Günther Grimm mit MC5 Maschinenbedienung und physikalischer
Simulation (im Hintergrund)
vielmehr zahlreiche Daten einzelner
Komponenten und Maschinenelemente,
etwa Zylinderdurchmesser, Fördermengen und Verfahrwege. Die parametrisierten Daten werden für die Umrechnung
der am Bildschirm einzugebenden Kennzahlen in Signale benötigt. So rechnet die
Steuerung z. B. die Eingabe einer Geschwindigkeit in einen entsprechenden
Volumenstrom um. Dazu benötigt sie
u. a. Angaben über den Zylinderdurchmesser, den Hub sowie die Pumpenleistung.
Schlussendlich reifte der Entschluss,
ein physikalisches Verhaltensmodell an
eine echte Steuerung anzuschließen, um
die Funktionen der Software virtuell zu
prüfen – im übertragenen Sinne: die
Spritzgießmaschine auf dem Schreibtisch
aufzubauen (Bild 4). Auf diese Weise müssten sich die im Hintergrund ablaufenden
Prozesse wesentlich genauer und detaillierter berechnen lassen. Überdies sollten
so auch Fehler im System und deren Folgen abzubilden sein – analog zu dem in
einer Steuerung ablaufenden Umrechnungsprozedere, nur viel genauer als der
logische Simulator.
Auf der Grundlage einer Blockschaltbild-basierten Simulationssoftware wurde eine Komponenten-Bibliothek aufgebaut, mit der sich ein physikalisches
3D-Verhaltensmodell einer Spritzgießmaschine generieren lässt. Das Gesamtmodell umfasst mehr als 8000 mathematische Blöcke. Die auf einem handelüblichen PC laufende Software rechnet das
Modell zyklisch alle 500 ms neu. Mit der
Steuerung MC5 ist das Simulationsprogramm über einen Echtzeitbus verbunden. Rund 800 I/O-Signale (Input/OutKunststoffe 4/2011
put) tauscht das Programm mit der
Steuerung aus. Einmalig sind die in der
Software hinterlegten echtzeitfähigen Dynamikmodelle, die ein dynamisches Abbild einer komplexen Schließenmechanik
ermöglichen (Bild 5).
8000 mathematische Blöcke in
der Datenbank
Anhand eines Hydraulikzylinders lässt
sich der damit verbundene Aufwand erläutern: Ein aus mechanischen Teilen bestehender Zylinder wird über die Ringund die Kolbenfläche beschrieben. Weitere Kriterien sind sein Hub sowie die
Haft- und Gleitreibung an den Dichtflächen, die Dämpfung und das Ölvolumen und schließlich die Masse von Kolbenstange und Kolben. Jede dieser
Größen lässt sich durch mathematische
Gleichungen beschreiben. Zusammengefasst ergeben diese einen sogenannten
Block, der in der Datenbank hinterlegt
wird.
Abhängig von der Größe des realen
Maschinenelements Hydraulikzylinder
werden später bei der Simulation die
tatsächlichen Parameter eingegeben. Signalisiert nun die (reale) Steuerung dem
Simulationsprogramm, dass ein Ventil
geöffnet ist, reagiert das Simulationsprogramm in Echtzeit, indem (virtuell) ein
Volumenstrom Hydrauliköl fließt. Da bekannt ist, wie die Pumpe angesteuert ist,
lässt sich in Verbindung mit weiteren
Kennwerten (u.a. Leitungsquerschnitte)
der Volumenstrom berechnen. Trifft das
Öl auf den Zylinder, kann mit der
Flächenbeschreibung die Kraft berechnet
werden, mit der der Kolben bewegt >
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Bild 5. Schematischer Aufbau der Einzelmodule für die physikalische Simulation von Spritzgießmaschinen. Das von der Software generierte physikalische
Verhaltensmodell wird in Echtzeit bewegt und real über die MC5 gesteuert
wird. Daraus ergibt sich die auf die bewegliche Werkzeugplatte wirkende Kraft.
Mit diesen und weiteren Angaben lässt
sich dann z.B. die Holmdehnung ermitteln. Analog ist dieser Ablauf auf die weiteren Maschinen- und Werkzeugbewegungen übertragbar (Bild 6).
„trocken“ zu erproben. Denn – und das
wird besonders die Spritzgießer interessieren – die in der Simulation ermittelten Einstellungen können 1:1 übernommen werden.
Gleiches gilt sinngemäß für die Inbetriebnahme. Durch die vorhergehende Si-
mulation lassen sich einzelne Funktionen
vorab einstellen, bevor die reale Maschine eingeschaltet wird (Bild 7). Das ist allein
aus Kostengründen ein wichtiger Aspekt,
denn wenn die Maschine erst einmal
beim Kunden steht, sollte sie auch Formteile produzieren.
Virtuelle Realität bringt
realistische Resultate
Die Kombination von Simulationssoftware und realer Maschinensteuerung
bietet vielfältige Vorteile. An erster Stelle sind die kürzere Entwicklungszeit und
die schnellere Inbetriebnahme zu nennen.
In Zusammenarbeit mit Konstruktion
und Projektierung können komplexe Bewegungsabläufe bereits im Entwicklungsstadium überprüft und gegebenenfalls modifiziert werden. Steuerungsfunktionen lassen sich unabhängig von
der realen Maschine testen und optimieren. Nicht zu unterschätzen ist zudem die
Möglichkeit, Prozesse, etwa mit Prägevarianten oder Spezialwerkzeugen, quasi
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Bild 6. Die grafische
Darstellung der berechneten (simulierten) Druck-, Kraftund Geschwindigkeitsverläufe beim
Einspritz- und Plastifiziervorgang hilft bei
der qualitativen Beurteilung der einzelnen Regelungsvorgänge und Übergangsfunktionen
© Carl Hanser Verlag, München
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Bild 7. SpinFormWendeplattenmaschinen für komplexe
Mehrkomponenten-Anwendungen lassen sich nach
vorheriger Simulation schnell und effektiv in Betrieb nehmen
Auch die Prozesssicherheit geht in diese Überlegung mit ein, denn am Schreibtisch lassen sich auch Grenzsituationen
erproben. Angenommen, die Anlage ist
für ein großvolumiges Würfelwerkzeug
konzipiert, muss sichergestellt sein, dass
Maschine und Werkzeug kollisionsfrei interagieren. Mit der Echtzeitsimulation
lassen sich die richtigen Einstellungen
schon im Vorfeld ermitteln – so auch
beim Spritzprägen, bei dem die Schließbewegung exakt eingestellt sein muss. Neben dem Zeitaufwand ist bei der Inbetriebnahme auch der Materialverbrauch
der Testläufe ein Kostenfaktor.
Defekte, z.B. ein ausgefallenes Ventil,
lassen sich virtuell ebenfalls gezielt nachstellen, um das Verhalten der Maschine
im Ernstfall zu simulieren. Daraus ergeben sich für die Programmierung von
Fehlermeldungen wichtige, auch für die
Konstruktion relevante Hinweise. Überdies bietet das Simulationsprogramm die
Möglichkeit, in einzelne Maschinenbereiche zu zoomen, um das Zusammenspiel
einzelner Komponenten im Detail zu beobachten. An einer realen Maschine kann
i
Kontakt
KraussMaffei Technologies GmbH
D-80997 München
TEL + 49 89 8899-0
> www.kraussmaffei.com
Industrielle Steuerungstechnik GmbH
D-70174 Stuttgart
TEL +49 711 229923-0
> www.isg-stuttgart.de
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ein derartiger Versuch nicht durchgeführt
werden, oder zumindest nicht ohne eine
mögliche Zerstörung einzelner maschinenbaulicher Komponenten.
Insbesondere bei Großmaschinen
spielt die Produktionsvorbereitung eine
wichtige Rolle. Das Simulationstool unterstützt beispielsweise die Optimierung
der Aufheizphase. Wenn sich abzeichnet,
dass der gewählte Weg nicht den gewünschten Erfolg zeigt, kann die virtuelle Maschine angehalten und das Heizprogramm einfach ausgeschaltet werden. Die
Anlage kühlt quasi auf Knopfdruck ab.
Somit kann ein erneuter Aufheizversuch
innerhalb weniger Sekunden erfolgen, der
real erst nach Stunden, nämlich nach der
Abkühlzeit des Werkzeugs, stattfinden
könnte.
Fehlersuche und Schulung mit
dem Simulator
Falls eine beim Kunden stehende Maschine bei bestimmten Betriebspunkten nicht
das erwartete Verhalten zeigt, können deren Daten in den Simulator eingespeist
werden. Sofern möglich, könnte der Kunde mit einem anderen Werkzeug oder unter Umgehung des bestimmten Betriebspunktes weiter produzieren. In der Zwischenzeit kann bei KraussMaffei – oder
auch vor Ort auf einem Laptop – die Ursache auf dem Simulator gesucht und beseitigt werden.
Zum Service gehört auch die Unterstützung der Kunden bei Neuprojekten.
Sei es, dass ein Verfahren weiterentwickelt
wurde oder eine neue Technologie zu implementieren ist – das physikalische Verhaltensmodell eignet sich auch hier- >
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für. Denn KraussMaffei kann auf die hinterlegten Maschinendaten zurückgreifen,
gegebenenfalls weitere (virtuelle) Komponenten generieren und bereits im Vorfeld bei der Anpassung sowohl der Steuerungssoftware als auch der erforderlichen
Abläufe helfen.
Schließlich eignet sich die Kombination aus Maschinensimulation und realer Steuerung auch für Schulung und
Training. Es liegt auf der Hand, dass die
Ausbildung von Bedienpersonal an einer
teuren Maschine ein unbeliebtes Unterfangen ist. Die Maschine muss unter Umständen aus dem Produktionsprozess genommen werden, und gezielt provozierte Grenzsituationen lassen sich in der Praxis nur eingeschränkt erproben.
Demgegenüber besteht bei einer realitätsnahen Schulung in Echtzeit am PC mit
einer realen Maschinensteuerung kein Risiko. In diesem Zusammenhang kann
man durchaus von einem Flugsimulator
für Spritzgießmaschinen sprechen. Immerhin trainieren Piloten an und mit (im
weitesten Sinne) vergleichbaren Systemen
sowohl Routinen als auch beispielsweise
den Anflug auf ihnen noch unbekannte
Flughäfen.
Auch für das Retrofit bietet sich die virtuelle Realität in Form einer Anlagensimulation in Echtzeit an. Sei es die Weiter-
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entwicklung von Software oder die Adaption eines neuen Verfahrens auf einer älteren Maschine mit entsprechender Softwareanpassung, denkbar ist vieles, wenn
auch am Ende im Einzelfall zu entscheiden ist, ob eine Nachrüstung sinnvoll ist.
enormer Vorteil. Der mit der Übergabe
einer produktionsbereiten Spritzgießmaschine verbundene Zeitgewinn macht
sich schlussendlich für den Anwender in
Form einer verbesserten Produktivität bezahlt. Ausblick
DIE AUTOREN
GÜNTHER GRIMM, geb. 1960, ist Leiter Software
& Steuerungstechnik bei der KraussMaffei Technologies GmbH, München.
DIPL.-ING., MBA GEORG P. HOLZINGER, geb.
1964, ist Leiter Forschung & Entwicklung im selben
Unternehmen.
STEFAN MOSER, geb. 1980, ist als Techniker in
der Abteilung Steuerungstechnik/Simulationsentwicklung im selben Unternehmen tätig.
Es mag utopisch klingen, doch der Einsatz einer Software zur Simulation von
Spritzgießmaschinen unter Einbeziehung
einer realen Steuerung ist sicher nur der
Anfang einer neuen Entwicklung. Zwar
gestattet das Programm noch nicht die
Integration des originären Spritzgießprozesses. Doch es dürfte nur eine Frage der
Zeit sein, bis auch das möglich ist. Das
hier vorgestellte Programm wäre vor drei
Jahren noch nicht auf einem handelsüblichen PC gelaufen. Mittlerweile wird
das Simulationsprogramm seit einem
Jahr erfolgreich in der Praxis eingesetzt.
Eines muss zum Abschluss dennoch
betont werden: Die Simulation ersetzt
weder Versuche noch die Inbetriebnahme. Aber sie unterstützt diese Maßnahmen. Allein, dass die mit der Inbetriebnahme verbundenen und vielfach sehr
umfangreichen Systemchecks zeitlich
vorgezogen werden können, ist für die
Kunden wie den Maschinenhersteller ein
SUMMARY
FLIGHT SIMULATOR FOR INJECTION
MOLDING MACHINES
SOFTWARE DEVELOPMENT. The use of a virtual machine to combine real control with a real field bus in the
development phase opens up new horizons. On-screen
production scenarios enable the functions of the controller to be tested under realistic conditions. The simulation software works in real time and ultimately accelerates commissioning of the real machine.
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