Univ. Prof. Dr. Ing.

Bergs, Thomas

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    Integrative Simulation von Werkzeugmaschine und Fertigungstechnologie
    ( 2011)
    Brecher, Christian
    ;
    Klocke, Fritz
    ;
    Lohse, Wolfram
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    Cabral, Gustavo Francisco
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    Rasim, Matthias
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    Triebs, Johannes
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    Minoufekr, Meysam
    ;
    Bäumler, Stephan
    ;
    Bergs, Thomas
    ;
    Herfs, Werner
    ;
    Glasmacher, Lothar
    ;
    Wegner, Hagen
    Die spanende Herstellung komplexer Produkte unterliegt in der heutigen Produktion vielfältigen Planungsunsicherheiten, die eine aufwändige iterative Optimierung und damit eine nicht produktive Belegung von Fertigungsmitteln erfordern. Auf diese Weise wird die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen herabgesetzt und hochqualifiziertes Personal gebunden. Um dem entgegenzuwirken, können bei der CAM-Planung Simulationssysteme zum Einsatz kommen, die ein besseres Prozessverständnis liefern. Die verfügbaren Lösungen vernachlässigen dabei jedoch die physikalischen Eigenschaften, die sich aus dem Verhalten der mechanischen Maschinenstruktur und dem Zerspanungsprozess ergeben. Außerdem erfährt der Einfluss, den NC-Steuerungen durch die aus dem NC-Programm berechente Bahnvorgabe ausüben, keine Berücksichtigung. Während diese Vernachlässigung bei einfachen Fertigungsaufgaben oft gerechtfertigt ist, ergeben sich bei komplexen Bearbeitungen signifikante Unterschiede zwischen dem virtuellen und dem realen Prozess. Schlussfolgerungen, die auf dieser Basis gezogen werden, sind daher mit einer weitreichenden Unsicherheit behaftet. Zur Beschreibung physikalischer Effekte existieren Simulationswerkzeuge, die bislang jedoch kaum in der CAM-Planung eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich in der Regel um isolierte Anwendungen, die die Eigenschaften und das Verhalten eines einzelnen Subsystems, beispielsweise der Maschinenstruktur oder der Werkstoffzerspanung, wiedergeben. Diese Systeme weisen deutliche Unterschiede hinsichtlich Rechenzeiten, Zuverlässigkeit, Umfang berücksichtigter Phänomene und Genauigkeit auf, so dass teilweise Anpassungen für einen Einsatz im CAM-Umfeld erforderlich sind. Gekoppelte Simulationen, die Wechselwirkungen zwischen den Subsystemen einer Werkzeugmaschine virtuell abbilden können, werden vorrangig im Forschungsumfeld und auch hier nicht mit dem Ziel einer CAM-Integration entwickelt. Daher wird im Exzellenzcluster-Teilprojekt "Virtuelle Fertigungssysteme" eine Softwareplattform realisiert, die den Anforderungen der spanenden Bearbeitungsplanung für die Technologien Fräsen und Schleifen gerecht wird. Das entwickelte Virtual Manufacturing System (VMS) koppelt Modelle zur Berücksichtigung der NC-Steuerung, der Regelkreise, der mechanischen Maschinenstruktur und der Prozesskräfte und ermöglicht somit die virtuelle Vorhersage sowohl von Einzeleinflüssen als auch von Wechselwirkungen. Darüber hinaus wird eine enge Bindung an die Planungsebene durch die Einbettung der integrativen Simulation in ein CAM-System angestrebt, damit simulative Ergebnisse ohne Informationsbrüche zu einer optimierten Bearbeitungsplanung beitragen können. Im VMS bilden Steuerungssimulationen, die eine präzise Wiedergabe des NC-Verhaltens erlauben, den Ausgangspunkt. Daran werden beim Fräsen Mehrkörpermodelle als Abbildung der mechanischen Struktur eines fünfachsigen Bearbeitungszentrums angeschlossen und mit Berechnungsalgorithmen zur Ermittlung von Prozesskräften verbunden, die auf Durchdringungsrechnungen sowie empirischen Zusammenhängen beruhen. Letzterer Ansatz wird auch beim Schleifen verfolgt. Hier kommen zur virtuellen Abbildung der Maschinenstruktur jedoch aufgrund der unterschiedlichen Prozesscharakteristika Maschinenstrukturmodelle mit geringerem Detaillierungsgrad zum Einsatz. Die Simulationsmöglichkeiten werden durch Modelle zur Ermittlung des Energiebedarfs von Bearbeitungsoperationen komplettiert, mit denen Aspekte der Energieeffizienz in die CAM-Planung einbezogen werden können. Um die Integration neuer Funktionalität aus dem Planungs- und Simulationsumfeld leichter berücksichtigen zu können, wurden im Teilprojekt "Virtuelle Fertigungssysteme" auch weiterführende Softwarearchitekturansätze analysiert, mit denen informationstechnische Rahmenwerke erstellt werden können. Aus diesen Untersuchungen ist das CAx-Framework zur erweiterten Technologie- und Bahnplanung hervorgegangen, das Basisfunktionen und Anschlusspunkte zur Einbettung neue r CAM-Funktionalitäten bereitstellt. Auf Basis des VMS und des CAx-Framework können Unternehmen aus Hochlohnländern Fertigungsprozesse wirtschaftlicher einfahren, optimieren und umstellen. Qualifiziertes Personal zur Anwendung dieser Softwarewerkzeuge vorausgesetzt, kann die damit verbundene Flexibilitäts- und Qualitätssteigerung zu erheblichen Wettbewerbsvorteilen führen. Auch der in Hochlohnländern wie Deutschlang erfolgreiche Maschinenbau kann vom Einsatz des VMS zur Verbesserung seiner hochgradig komplexen Produkte, d.h. Produktionsmaschinen, wirtschaftlich profitieren.