Simulierte Inbetriebnahme von Produktionsanlagen durch Virtual Reality
Funktionsweise und Komponenten für Produktionsabläufe virtuell ermitteln

Glonn, 14. März 2005. Die für eine spielerische Handhabung von Geschäftsprozessen und Produktionsabläufen in der Planungsphase entwickelte Simulations-Software PACE der IBE GmbH, wurde kürzlich erstmalig auch für die so genannte ’Virtuelle Inbetriebnahme’ eingesetzt und mit Methoden der Virtual Reality (VR) verknüpft. Neben zahlreichen konventionellen Anwendungen der PACE-Simulationstechnik für Kontroll- und Planungsaufgaben, wie beispielsweise Bestellprozesse, Fertigungsstraßen, Galvanisieranlagen, Lackieranlagen oder Verpackungsanlagen, erschließen sich immer weitere Einsatzgebiete.

Aus Hardware wird Software – simulierte Abläufe und Prozesse

Eine simulierte Nachbildung einer aus standardisierten Hardware-Bausteinen aufgebaute Fertigungsanlage wird als virtuelle Inbetriebnahme bezeichnet. Für jeden Hardware-Baustein wird ein Software-Baustein erstellt. Für jedes Projekt kann auf vorhandene Bibliotheken, in denen die Grundbausteine und die Ressourcen einer schon bestehenden Maschine beschrieben sind, zurückgegriffen werden. Es können aber auch neue Abläufe und Betriebsdaten in die Simulation mit eingebaut werden. Damit kann die Performance und Auslegung einer Anlage schon während der Planung vollständig bestimmt werden. Da bereits vor dem Bau die wichtigen Betriebsdaten, die über das optimale Funktionieren der Anlage entscheiden bekannt sind, werden sonst übliche teure Nacharbeiten verhindert.

Die Technik eignet sich besonders für den Sondermaschinenbau, denn hier müssen Produkt-spezifische Fertigungsanlagen termingenau, durchlaufoptimiert und fehlerfrei entwickelt, gefertigt und installiert sein. Auch bei Weiterentwicklungen der Produkte, können nachträglich kundenspezifische Änderungen vorgenommen werden. Widersprüche, die durch die unterschiedlichen Entwicklungs- und Realisierungsphasen von Konstruktion, mechanischer Fertigung, Automatisierungskonzept, Softwareentwicklung, Installation, Inbetriebnahmen (meist noch Zweitinbetriebnahmen), Parametrierungen und der Maschinen- und Anlagenoptimierung entstehen, müssen durch die Planung aufgehoben werden. Zumal, wenn ein effektiver, Risiko-minimierter, Nacharbeits-minimierter und damit kostenoptimierter Anlagenerstellungs-Prozess entstehen soll.
CAD-Modelle und Ablaufbeschreibungen für fehlerfreie Fertigung

PACE schafft aus einer Fertigungslinie, bestehend aus mehreren Modulen, ein Modell, mit dem eine dynamische Ablaufoptimierung ermöglicht wird. Auch Ablaufbeschreibungen und dynamische Systemdefinitionen werden neben reinen Geometriedaten (CAD-Daten) für eine Klassifizierung benutzt. Die veränderlichen Parameter sind in einem Ablaufdiagramm enthalten, das aus dem technologischen Arbeitsplan erstellt wird. Auf diesem basierend wird ein Simulationsmodell mit folgenden Anforderungen erstellt:

• Eingabeschnittstelle für veränderliche Parameter (Dateischnittstelle für Ablauf)
• Ausgabeschnittstelle für 3D-Visualisierung
• Modell-Erstellung auf Basis modularisierter Untergruppen (Klassifizierung)
• Prototyp mit manuellen Eingabemöglichkeiten (div. Parameter für Simulation, Flexibilisierung des Modells)

In der 3D-Visualisierung werden strukturierte und definierte Objekte eingelesen. Eventuelle Abweichungen werden mittels einer Online-Kollisionskontrolle ermittelt und gemeldet. Die Verwendung der Software ’Virtools Dev’ macht den Export der CAD-Daten in ein Virtools-lesbares Format nötig. Idealerweise erfolgt die Ausgabe in das Virtools-eigene Dateiformat (.nmo). Für 3D Studio Max ist ein entsprechendes Plug-in verfügbar. Das Ergebnis der VR-Aufbereitung der CAD-Modelle sind 3D-Modelle. Alle Modelle werden in Virtools Dev in eine so genannte Komposition importiert. Der Importvorgang findet im Prototypen der Anwendung intern, das heißt durch Virtools Dev statt. In kommenden Versionen ist der Import der Modelle durch die Anwendung selbst vorgesehen.

Innerhalb einer Komposition wird die darzustellende Szene zusammengesetzt, vorbeleuchtet, positioniert und ausgerichtet. Ausrichtung, Skalierung und Positionierung sollten in kommenden Varianten der Anwendung als Voraussetzungen bereits abgeklärt worden sein, so dass für die Anwendung ein einfacher Import der Modelle ausreicht. Weitere Elemente der Komposition sind die Aktivierung und Animation von Kameras, Gruppierung von Objekten zu strukturellen Einheiten und die Einstellung von Kollisionsbehandlungen. Im Prototypen werden alle genannten Elemente dem Beispiel angepasst und entsprechend in Virtools Dev vorgenommen. Ziel des Entwicklungsprozesses ist die Bereitstellung verschiedener Skripte in Virtools Dev, um über Steuerdateien alle nötigen Einstellungen vornehmen zu können. Zum Beispiel kann es eine freie Kamera geben, die automatisch auf die Gesamtanlage ausgerichtet wird. Zusätzliche Kameras können über Textdateien integriert werden. Gruppierungen und Kollisionen müssen noch geeignet behandelt werden. Die fertige Komposition ist die Grundlage der Animation mittels Web-Viewer beziehungsweise einer eigenständiger Applikation. Zunächst enthält diese keine Steuerdaten, sie werden erst während der Animation eingelesen. Bei der Erstellung und Konfigurierung des PACE-Simulationsmodells wird auf das bereits erstellte 3D-Modell zurückgegriffen. Es besteht auch die Möglichkeit Simulationsexperimente durchzuführen, beispielsweise das Zusammenwirken einer fertigungslinien-spezifischen Verkettung von Sondermaschinen. Relevante Betriebsdaten, wie Schaltzeiten, Bandgeschwindigkeiten oder Durchsatz, können somit aus der Simulation abgeleitet werden.

Kostenübersicht im Handumdrehen

Diese Simulations-Technologie ermöglicht bereits in der Angebotsphase die Darstellung einer ersten Ebene des Maschinenkonzepts. Gerade für Anlagenbauer von Sondermaschinen kann dies besonders wichtig sein, denn dadurch kann potentiellen Auftraggebern ein Vorgeschmack über die Leistungsfähigkeit und Realisierbarkeit der Maschine gegeben werden. Während der Entwicklungsphase kann die Automatisierungssoftware ohne Bestehen der Zielhardware getestet und optimiert werden. Somit ergibt sich ein fehlerfreier, im Ablauf sicherer und kostenoptimierter Anlagenerstellungsprozess.