Intelligente Fertigung: Wie schlau wird die Prozessplanung?
Vor 15 Monaten wurde das Projekt LearnWZS begonnen, in dem eine intelligente Prozessplanung für das Werkzeugschleifen entwickelt wird. „Wir möchten das datengebundene Wissen aus Maschine, Prozess und Simulation in der Prozessplanung vereinen und dem Anwender damit eine Methode zur qualitativen und quantitativen Optimierung des Fertigungsprozesses bieten“, fasst Michael Wulf vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover das Projektziel zusammen. Dabei sollen Einfahrprozesse für die Auslegung neuer Stellgrößenkombinationen reduziert werden, um Ressourcen wie das Rohmaterial oder die Maschinenbelegung einzusparen.
Die Welt der Fertigungstechnik bietet im Zusammenhang mit der fortschreitenden Digitalisierung immer mehr Möglichkeiten zur Datenerfassung und -verarbeitung. Vor allem für die Prozessplanung komplexer Kinematiken mit Prozessstellgrößen am Rand der Prozesssicherheit ist diese Datenbasis essenziell, um den Zielgrößenkonflikt zwischen Qualität und Quantität zu überwinden. Ein Anwendungsbeispiel stellt das Werkzeugschleifen als kosten- und zeitintensiven Fertigungsprozess dar. Die synchronen Bewegungen in 5 Maschinenachsen, kombiniert mit der analytisch schwer fassbaren Eingriffssituation, verlangen vom Prozessingenieur ein hohes Maß an Erfahrung und Prozessverständnis. Zudem ist das Rohmaterial durch die hohen Anforderungen an die Schneidstoffe sehr wertvoll, weshalb Ausschuss einen bedeutenden Kostenfaktor darstellt.
Bisher waren für neue Stellgrößenkombinationen kosten- und zeitaufwändige Einfahrversuche erforderlich, die mit der zu entwickelnden Methode reduziert werden können. Die final entwickelte und erforschte Methode ist nun nach der halben Projektlaufzeit deutlich näher gerückt. Die ersten beiden Arbeitspakete „Datenerfassung und -fusion“ sowie „lernende Prozessmodelle“ sind mittlerweile erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde im ersten Arbeitspaket eine prozessparallele Datenerfassung und -simulation eingerichtet, mit der die Synchronisation der verschiedenen Datenquellen möglich ist. Dafür werden Steuerungsdaten wie Achsströme und -positionen ausgelesen und in eine maschineneigene Simulationsumgebung der Software IFW CutS eingespeist. Die Simulationsstellgrößen Zykluszeit und Auflösung der Diskretisierung wurden dafür empirisch erforscht und in einem Vergleich der simulierten mit analytischen und real gemessener Eingriffsgrößen bewertet. Anschließend konnte die Simulation hinsichtlich der minimal erforderlichen Diskretisierung für eine möglichst minimale Rechenzeit optimiert werden.
Im zweiten Arbeitspaket wurden die Prozesskraft und die Werkstückoberfläche modelliert, wodurch die prozessimmanenten Vorgänge numerisch angenähert werden können. Dafür war eine Methode erforderlich, mit der die geometrieabhängigen Eingriffssituationen der verschiedenen Prozesse verglichen werden konnten. Flachschleifversuche ermöglichten eine reale Messung der Prozesskräfte, die wiederum den lokalen Eingriffsgrößen zugeordnet werden konnten. Anschließend wurde das gewonnene Wissen analog auf den kinematisch anspruchsvolleren Werkzeugschleifprozess angewandt, um dort die Prozesskräfte ohne Kraftmessdaten zu modellieren.
Die ausstehenden Arbeitspakete drei und vier umfassen die Prozessadaption und abschließend das Erforschen der bis dahin entwickelten Gesamtmethode. Die Prozessadaption nutzt die Kraftmodellierung des dritten Arbeitspaketes und optimiert den Schleifpfad hinsichtlich der Zielgrößen Werkstückqualität und -quantität. Dabei kann eine Priorisierung in Richtung einer der beiden Zielgrößen stattfinden. Das letzte Arbeitspaket wird die bisher entwickelten Methoden hinsichtlich ihrer Gültigkeit für weitere Stellgrößenbereiche untersuchen. Dabei werden neben dem Werkstückmaterial auch der Schleifscheibenbindungstyp und die Korngröße der Schleifscheibe variiert. Das Arbeitspaket soll zeigen, wie die Modellierung selbstständig lernt und sich an die veränderten Randbedingungen anpasst.
Wulf: „Zum Projektabschluss besteht dann eine Methode, mit der die Werkzeugschleifmaschine intelligenter wird und den Prozessplaner effektiv unterstützen kann. Dies ist gerade mit Blick auf den Fachkräftemangel ein großer Mehrwert, um auch unerfahrenen Mitarbeitern die selbstständige Planung und Fertigung komplexer Werkstücke zu ermöglichen.“ Dies unterstützt die effiziente Auftragsabwicklung und birgt für alle Anwendender eine zusätzliche Sicherheit in der Prozessplanung. Als letzter Schritt folgt die Formulierung eines allgemeinen Prinzips, mit dem auf Basis der entwickelten Methode auch weitere Fertigungsprozesse intelligenter geplant werden können.
Für weitere Informationen steht Ihnen Michael Wulf, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, unter der Telefonnummer +49 511 762 18354 oder per E-Mail unter wulf_m@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.
Vor 15 Monaten wurde das Projekt LearnWZS begonnen, in dem eine intelligente Prozessplanung für das Werkzeugschleifen entwickelt wird. „Wir möchten das datengebundene Wissen aus Maschine, Prozess und Simulation in der Prozessplanung vereinen und dem Anwender damit eine Methode zur qualitativen und quantitativen Optimierung des Fertigungsprozesses bieten“, fasst Michael Wulf vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover das Projektziel zusammen. Dabei sollen Einfahrprozesse für die Auslegung neuer Stellgrößenkombinationen reduziert werden, um Ressourcen wie das Rohmaterial oder die Maschinenbelegung einzusparen.
Die Welt der Fertigungstechnik bietet im Zusammenhang mit der fortschreitenden Digitalisierung immer mehr Möglichkeiten zur Datenerfassung und -verarbeitung. Vor allem für die Prozessplanung komplexer Kinematiken mit Prozessstellgrößen am Rand der Prozesssicherheit ist diese Datenbasis essenziell, um den Zielgrößenkonflikt zwischen Qualität und Quantität zu überwinden. Ein Anwendungsbeispiel stellt das Werkzeugschleifen als kosten- und zeitintensiven Fertigungsprozess dar. Die synchronen Bewegungen in 5 Maschinenachsen, kombiniert mit der analytisch schwer fassbaren Eingriffssituation, verlangen vom Prozessingenieur ein hohes Maß an Erfahrung und Prozessverständnis. Zudem ist das Rohmaterial durch die hohen Anforderungen an die Schneidstoffe sehr wertvoll, weshalb Ausschuss einen bedeutenden Kostenfaktor darstellt.
Bisher waren für neue Stellgrößenkombinationen kosten- und zeitaufwändige Einfahrversuche erforderlich, die mit der zu entwickelnden Methode reduziert werden können. Die final entwickelte und erforschte Methode ist nun nach der halben Projektlaufzeit deutlich näher gerückt. Die ersten beiden Arbeitspakete „Datenerfassung und -fusion“ sowie „lernende Prozessmodelle“ sind mittlerweile erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde im ersten Arbeitspaket eine prozessparallele Datenerfassung und -simulation eingerichtet, mit der die Synchronisation der verschiedenen Datenquellen möglich ist. Dafür werden Steuerungsdaten wie Achsströme und -positionen ausgelesen und in eine maschineneigene Simulationsumgebung der Software IFW CutS eingespeist. Die Simulationsstellgrößen Zykluszeit und Auflösung der Diskretisierung wurden dafür empirisch erforscht und in einem Vergleich der simulierten mit analytischen und real gemessener Eingriffsgrößen bewertet. Anschließend konnte die Simulation hinsichtlich der minimal erforderlichen Diskretisierung für eine möglichst minimale Rechenzeit optimiert werden.
Im zweiten Arbeitspaket wurden die Prozesskraft und die Werkstückoberfläche modelliert, wodurch die prozessimmanenten Vorgänge numerisch angenähert werden können. Dafür war eine Methode erforderlich, mit der die geometrieabhängigen Eingriffssituationen der verschiedenen Prozesse verglichen werden konnten. Flachschleifversuche ermöglichten eine reale Messung der Prozesskräfte, die wiederum den lokalen Eingriffsgrößen zugeordnet werden konnten. Anschließend wurde das gewonnene Wissen analog auf den kinematisch anspruchsvolleren Werkzeugschleifprozess angewandt, um dort die Prozesskräfte ohne Kraftmessdaten zu modellieren.
Die ausstehenden Arbeitspakete drei und vier umfassen die Prozessadaption und abschließend das Erforschen der bis dahin entwickelten Gesamtmethode. Die Prozessadaption nutzt die Kraftmodellierung des dritten Arbeitspaketes und optimiert den Schleifpfad hinsichtlich der Zielgrößen Werkstückqualität und -quantität. Dabei kann eine Priorisierung in Richtung einer der beiden Zielgrößen stattfinden. Das letzte Arbeitspaket wird die bisher entwickelten Methoden hinsichtlich ihrer Gültigkeit für weitere Stellgrößenbereiche untersuchen. Dabei werden neben dem Werkstückmaterial auch der Schleifscheibenbindungstyp und die Korngröße der Schleifscheibe variiert. Das Arbeitspaket soll zeigen, wie die Modellierung selbstständig lernt und sich an die veränderten Randbedingungen anpasst.
Wulf: „Zum Projektabschluss besteht dann eine Methode, mit der die Werkzeugschleifmaschine intelligenter wird und den Prozessplaner effektiv unterstützen kann. Dies ist gerade mit Blick auf den Fachkräftemangel ein großer Mehrwert, um auch unerfahrenen Mitarbeitern die selbstständige Planung und Fertigung komplexer Werkstücke zu ermöglichen.“ Dies unterstützt die effiziente Auftragsabwicklung und birgt für alle Anwendender eine zusätzliche Sicherheit in der Prozessplanung. Als letzter Schritt folgt die Formulierung eines allgemeinen Prinzips, mit dem auf Basis der entwickelten Methode auch weitere Fertigungsprozesse intelligenter geplant werden können.
Für weitere Informationen steht Ihnen Michael Wulf, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, unter der Telefonnummer +49 511 762 18354 oder per E-Mail unter wulf_m@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.