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Virtuelle Anlagen

Industriekonzepte überzeugend präsentieren

Projekte zur Industrie 4.0 sind vielschichtig und komplex. Wie man ein neues Konzept zum Erlebnis für die Kunden macht, zeigt die Kuka Systems GmbH auf den aktuellen Messen 2016: Mit 3D-Brillen vom Typ Oculus Rift können die Besucher einen virtuellen Karosseriebau der Automobilindustrie durchwandern, der ein neues Matrix-Konzept für die Produktionsautomatisierung verdeutlichen sollte. Dieses Szenario hat das Unternehmen von der Tarakos GmbH in Magdeburg mit ihrer Software dreidimensional abbilden und animieren lassen. Neben dem interaktiven Messeerlebnis entstand dabei auch das Material für ein Video.



Bild: Tarakos GmbH

Als weltweit vertretene Marke für Automations- und Anlagenlösungen mit Robotik versteht sich Kuka als ein Wegbereiter der Industrie 4.0 und will den Wandel hin zur vernetzten, intelligenten Produktion vorantreiben. In diesem Zusammenhang entstand bei der Kuka Systems GmbH in Augsburg ein Konzept zum Matrix-Karosseriebau in der Automobilindustrie. Das Advanced Engineering-Team von Kuka entwickelt hier lange vor jeder kundenspezifischen Planung von Produktionsanlagen neue Technologien für die Zukunft, die prinzipielle Lösungen für wiederkehrende Aufgaben darstellen.

Das Matrix-Konzept für den Karosseriebau

Die Matrix-Produktion basiert auf standardisierten Produktionszellen, die in nahezu beliebiger Anzahl auf einem Raster angeordnet werden. Vier Industrieroboter handhaben und fügen zum Beispiel Karosseriebauteile, Werkzeugspeicher in den Zellen halten die nötigen Werkzeuge bereit. Prozesse wie Schweißen, Kleben, Stanzen, Löten oder Clinchen können in die Anlage integriert werden. Die Produktionszellen werden flankiert von einem Warehouse, in dem sich alle zur Fertigung relevanten Bauteile befinden, und einem Toolstore, das alle typenspezifischen Werkzeuge und Prozesshilfsmittel enthält. Den Transport der Bauteile und Werkzeugsätze an die Zellen übernehmen Automated Guided Vehicles (AGV). Diese fahrerlosen Transportsysteme können mithilfe eines Navigationsalgorithmus ihre jeweiligen Ziele in beliebiger Reihenfolge erreichen. „Anders als bei Robotergärten oder Linienstrukturen sind wir dadurch erstmals in der Lage, den Materialfluss zu programmieren“, sagt Günther Mikuta, Head of Advanced Engineering bei der Kuka Systems GmbH. „Daraus ergibt sich die für Konzepte der Industrie 4.0 notwendige Flexibilität.“

Vorteile des Matrix-Rohbaus

Grundsätzlich lässt sich die Gesamtkapazität einer Anlage durch Veränderung der Zellenanzahl schrittweise skalieren. Ebenso trägt das Konzept der wachsenden Variantenvielfalt Rechnung, denn in jeder Roboterzelle lassen sich beliebige Typen herstellen. Zugleich bedeutet dies Skalierbarkeit im Produktmix, wodurch sich Nachfrageschwankungen ausgleichen lassen. Neue Produkte lassen sich durch allmähliches Ramp-up mit Testlauf in nur einer Zelle mit geringem Risiken integrieren. Alle diese Vorteile greifen nur, wenn die Materialversorgung der Zellen ebenso wie der Werkzeugtransport in ausreichender Geschwindigkeit für die jeweiligen Taktzeiten funktionieren und die Umrüstvorgänge für die verschiedenen Fügeprozesse der Geometriestufen reibungslos ablaufen. „Bevor ein Automobilhersteller oder Zulieferer sich für ein solches Matrix-Konzept interessiert, müssen wir diese Funktionalitäten nachweisen“, sagt Günther Mikuta. „Doch für eine reale Modellierung in unseren Engineering-Systemen ist es noch zu früh.“



D-Ansicht des Hallenlayouts in der einfachen Benutzeroberfläche des taraVRbuilders 2016. Bild: Tarakos GmbH


Für ein digitales Mock-up fehlen einerseits die CAD-Modelle der zu fertigenden Bauteile, andererseits die kundenspezifischen Vorgaben bezüglich Fläche, Taktzeiten, Schweißpunkte, Liefermengen und die Investitionssumme – um nur einige Planungsprämissen aufzuführen. Darüber hinaus wäre damit ein unvertretbar hoher Aufwand verbunden. Um das Konzept trotzdem überzeugend auf der Industriemesse in Hannover präsentieren zu können, wurde die Tarakos GmbH in Magdeburg beauftragt, das Szenario mit ihrer Software taraVRbuilder umzusetzen. Das Ergebnis – eine realitätsnahe 3D-Visualisierung mit Animation – lässt sich einerseits mit einer 3D-Brille durchwandern, andererseits lassen sich frei definierbare Szenen als Video ausgeben. „Wir haben Tarakos bereits 2015 eine ähnliche Aufgabe gestellt, die sehr erfolgreich gelöst worden ist“, sagt Günther Mikuta. „Deshalb haben wir anhand eines Pflichtenheftes und eines Storyboards den Auftrag vergeben, zu dem auch die Betreuung vor Ort auf der Messe gehörte.“

Der taraVRbuilder bietet als PC-basierte Anwendersoftware zahlreiche Möglichkeiten, derartige Aufgaben ohne CAD- und Programmierkenntnisse zu lösen, wenn die erforderlichen Komponenten bereits als Hüllgeometrien konstruiert und mit zahlreichen Eigenschaften parametrisierbar in Bibliotheken vorliegen. Dies war nicht der Fall. Deshalb wurden in Zusammenarbeit mit den Kuka-Ingenieuren die nötigen AGV und Roboter angelegt und mit flexibel skalierbaren Eigenschaften bezüglich Bewegungsgraden, Verfahrwegen, Geschwindigkeiten und Taktzeiten ausgestattet. Zahlreiche Bauteile, Werkzeuge, Absperrzäune und Komponenten wurden aus CAD-Modellen in leichtgewichtige Körper überführt oder mit einfachen Mitteln modelliert. Für realistisches Aussehen lassen sich Logos oder Bilder aufbringen. Schließlich wurde ein exemplarisches Szenario mit mehreren Roboterzellen auf einer Grundfläche platziert, die seitlich von einem Materiallager, dem AGV-Pool und dem Werkzeuglager flankiert wurden. Damit die Fertigungszellen zum Beispiel Material anfordern konnten, hat Tarakos die Software um neue Funktionen ergänzt. Schließlich wurde das Szenario über die Parameter animiert, Standorte für die Betrachter und Detailaufnahmen wurden definiert.



Realistische Visualisierung und Animation: Nahaufnahme einer Matrixzelle mit AGV. Bild: Tarakos GmbH


Verbesserungen bei Aufbau und Transportstrecken

„Tarakos hat das Projekt sehr gut und professionell bearbeitet und unsere Anforderungen schnell und zielgerecht umgesetzt“, sagt Günther Mikuta. Die Ingenieure erlebten anhand der ganzheitlichen Darstellung zunächst einmal selbst, wie das Matrix-Konzept virtuell funktionierte. Es konnten bezüglich des Aufbaus und der Transportstrecken der fahrerlosen Fahrzeuge Verbesserungen vorgenommen werden. Schließlich wurde die Möglichkeit geschaffen, Auswertungen über die Anzahl der produzierten Fertigteile oder bezüglich der Auslastung der AGV zu erstellen. Anhand des Storyboards wurde ein Rundflug aufgezeichnet, der als Rohmaterial den großen Teil eines professionell bearbeiteten Messevideos ergab, das auf einem Großbildschirm gezeigt wurde. Damit wurde Aufmerksamkeit und Anreiz für einen persönlichen virtuellen Rundgang geschaffen: „Viele unserer Stammkunden und Interessenten haben die Gelegenheit ergriffen, das virtuelle Szenario mit unseren beiden 3D-Brillen Oculus Rift ausführlich zu genießen“, sagt Günther Mikuta. „Damit kann man sich Konzepte für die Industrie 4.0 viel besser vorstellen und sie schneller ganzheitlich erfassen. Unserer Besucher stellen schneller die entscheidenden Fragen und übertragen das Szenario auf ihre eigene Situation.“ Gerade die entscheidenden Umrüstvorgänge konnten plausibel verdeutlicht werden, ohne eine echte Anlage aufzubauen. Im Prinzip könnten die Kuka-Ingenieure nun mit dem Baukasten im taraVRbuilder kundenspezifische Abwandlungen des Grundkonzepts erstellen und ebenso überzeugend präsentieren.

Die Simulations- und Planungslösung ‚taraVRbuilder‘

Die Software taraVRbuilder ist eine betriebsnahe Simulations- und Planungslösung für das Tagesgeschäft: Häufige Produktionsanläufe, Linienumstellungen und verzweigte Montageprozesse können schnell und ausfallsicher durchgeführt werden. Wer alle Konsequenzen von Veränderungen im Griff haben will, simuliert die Szenarien mit dem Standardprogramm taraVRbuilder 2016. Hallenansichten lassen sich mit Produktions- und Logistikkomponenten bestücken, die in 15 Bibliotheken mit insgesamt über 500 Objekten der Software mitgeliefert werden. Viele Komponenten aus herstellerspezifischen Katalogen entsprechen dem Original. Einfache Anpassungen und eine Ablaufsteuerung über Parameter lassen sich an einem Tag erlernen. Anschließend stellt man Maschinenhallen, Montageplätze und Logistikbereiche einfach nach und verbindet sie mit animierbarer Fördertechnik. Auf dieser Grundlage gewinnen Produktions-, Betriebs- und Montageleiter schnell den Überblick über geplante Veränderungen. Materialvorräte, Pufferzonen, Bandgeschwindigkeiten und Transporteinrichtungen lassen sich wie mit einem Baukasten abbilden und verändern. Die Version 2016 enthält eine gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut IFF entwickelte Bibliothek von RFID-Komponenten. Damit werden Sende- und Empfangsbereiche, die Ausbreitung von Funkwellen und mögliche Überreichweiten sichtbar, um die Positionierung und Auslegung der RFID-Komponenten zu verbessern. Arbeitsgeschwindigkeiten, Maschinentaktzeiten und Warenströme auf den Fördereinrichtungen lassen sich visualisieren und optimieren. Dies funktioniert nicht nur am Computer: Mit der 3D-Brille Oculus Rift kann man digitale Szenarien virtuell durchwandern und gewinnt so einen realistischen Eindruck von der neuen Arbeitsumgebung. Für Präsentationen lassen sich Rundflüge durch die virtuelle Fabrik als Video aufzeichnen. Weitere Möglichkeiten zur virtuellen Inbetriebnahme, Anlagensimulation und Produktionsüberwachung eröffnet die Software taraVRcontrol für die Industrie 4.0. Damit lassen sich 3D-Objekte in einer Szene zusammenstellen und mit Prozessgrößen aus einer SPS oder einem OPC-Server verbinden. Die 3D-Komponenten werden dann von den Steuerungssignalen im Echtzeitbetrieb ohne Editiermöglichkeiten bewegt. Die Position der 3D-Modelle in X-, Y- und Z-Richtung, die Drehung eines Objektes, seine Größe oder Farbe folgt den Signalen aus der Automatisierungstechnik.

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