Der digitale Zwilling ist ein detailliertes virtuelles Abbild eines Produktes, eines Maschinenparts oder einer gesamten Anlage. Die virtuelle Welt verschmilzt mit der realen Welt und eröffnet so Optimierungsmöglichkeiten, die sich auf die Entwicklungsgeschwindigkeit, die Inbetriebnahmezeit und die Performance der Maschine auswirken. Aktuell ist im Maschinenbau immer noch meist ein sequenzieller Entwicklungsprozess an der Tagesordnung. Die Potenziale zur Optimierung der zeitlichen Abläufe sind oft bereits ausgeschöpft. Und trotzdem ist der Wettbewerb schneller! Die Lösung ist kollaboratives Arbeiten mit den digitalen Tools der Industrie 4.0.
Die einzelnen Entwicklungsphasen im Maschinenbau sind:
Mechanische Konstruktion
Antriebsauslegung
Programmierung der Prozesse in der Maschine mit Optimierung der Verfahrprofile
Inbetriebnahme an der echten Maschine
Schulung der Anwender und Service
Besonders im Bereich der Antriebstechnik wirkt der Einsatz des digitalen Zwillings Wunder. Prozesse können parallelisiert und Entwicklungsphasen verkürzt werden. Potenziale bestehen besonders in den Phasen zwei bis fünf des Entwicklungsprozesses.
Was ist der digitale Zwilling?
Der digitale Zwilling ist das digitale Abbild einer realen Maschine. Die Elemente einer Maschine werden definiert: Material, Gewicht, die mechanische Konstruktion, Komponenteneigenschaften, Funktionen, Algorithmen etc. Sie beschreiben die Eigenschaften und das Verhalten der realen Maschine unter bestimmten Bedingungen.
Bereits bei Antriebsauslegung profitieren
Bereits in der Antriebsauslegung machen sich die ersten Vorteile bemerkbar. Die Wahl der passenden Motor-Umrichter-Lösung ist eindeutiger und kann auf verschiedene Kriterien wie zum Beispiel Energieeffizienz oder Dynamik geprüft werden. Weiter geht es bei der Programmierung der Bewegungsprofile. Die kann schon stattfinden, wenn die Maschine selbst noch gar nicht gebaut ist. In der Simulation können die Einflüsse der verschiedenen Reglereinstellungen auf die Qualität und den technisch möglichen Ausstoß einer Maschine ermittelt werden. Womit auch die Optimierung schon in einem frühen Stadium der Maschinenentwicklung möglich ist, noch weit bevor die Maschine fertig gebaut ist.
Ein weiterer Vorteil: der flexible Zugriff auf den digitalen Zwilling. Hardware- und Software in the Loop ermöglicht die Vorbereitung von Steuerung und Programmierung mit dem digitalen Zwilling, ohne fertige Maschine. Die Echtzeitfähigkeit in der Steuerung des Antriebsstrangs bietet dabei früh die Möglichkeit, dass Prozesse analysiert und gegebenenfalls angepasst werden können.
Inbetriebnahme
Dadurch, dass der komplette Antriebsstrang inklusive Mechanik und Steuerung im digitalen Zwilling abgebildet sind, kann auch die Inbetriebnahme bereits vor Fertigstellung der realen Maschine sehr einfach erfolgen erfolgen. Alle Baumüller Antriebskomponenten sind mit Matlab Simulink abgebildet, Mechanikmodelle können anhand von CAD-Daten importiert werden.
Die Simulation erfolgt in der für den Anwender bekannten Inbetriebnahme-Umgebung. Über Positionssollwerte kann die Mechanik dann virtuell in Bewegung gebracht werden. In der Simulation erfolgt dann die virtuelle Inbetriebnahme (IBN) noch vor Fertigstellung der Maschine. Die in der Simulation ermittelten Parameter können exportiert werden und vom Inbetriebnehmer an der Maschine direkt im IBN-Tool eingespielt werden. Vor Ort ist also kein langwieriges Testen der Reglereinstellungen mehr nötig.
Service und Schulung
Auch im After Sales bei Service und Schulungsangeboten bringt der Digitale Zwilling Kostenvorteile mit sich. Mitarbeiter können in der Simulation geschult werden, so wird die Mechanik nicht durch falsche Eingaben gefährdet. Schulungen und Serviceeinsätze können so außerdem remote durchgeführt werden, das schafft Flexibilität und spart Zeit. Durch das Nachbilden von Problemen an der Maschine können außerdem bequem am Schreibtisch Lösungsansätze ermittelt und so der Service unterstützt werden.
Use Cases
Wie sieht das nun konkret mit dem Simulations-Tool
ProSimulation von Baumüller aus? Ein Beispiel aus der Verpackungsbranche: Dort soll eine hochdynamische Schneideeinheit entwickelt werden. Ziel bei der Konstruktion des neuen Maschinenmoduls mit neu designter mechanischer Schneideeinheit ist es, die Produktivität zu steigern. Durch die Integration der Schneideeinheit in die Simulationsumgebung und die Verknüpfung mit den Antriebskomponenten wie Motor und Umrichter ergibt sich die Möglichkeit, die konstruierte Komponente in Bezug auf die regelungstechnischen Eigenschaften mit den Antriebskomponenten auszutesten.
Hier kann der Prozess auf Soll- und Ist-Positionen in Bezug auf das Feldbus- und Regelverhalten analysiert werden; noch bevor die Schneideeinheit gefertigt wird. Der Kundennutzen: Die Realisierbarkeit der mechanischen Einheit kann bereits während der Konstruktion ermittelt werden. Somit wird das Risiko einer Fehlkonstruktion reduziert bzw. ausgeschlossen. Die Zeitersparnis ist enorm und schon während der Konstruktionsphase wissen die Konstrukteure, ob die Schneideeinheit den hohen Anforderungen an Produktivität und Maschinenoutput gerecht wird.
In anderen Projekten konnten mit ProSimulation die optimale Antriebsdimensionierung ermittelt, detaillierte Informationen zum Energieverbrauch erhoben oder Möglichkeiten zur Optimierung der mechanischen Konstruktion aufgezeigt werden.
Vorteile des digitalen Zwillings:
Optimale und energieeffiziente Antriebsdimensionierung
Simulation schon bei der Konstruktion und Auslegung
Maschineninbetriebnahme im virtuellen Raum => Autotuning-Funktionen nutzen oder Werte anpassen, kritische Werte werden angezeigt und können dann angepasst werden.
Optimale Parameter werden im virtuellen Raum ermittelt
Reduzierte IBN-Zeiten
Tests und Optimierungen virtuell und ohne Gefährdung der Maschine
Die optimierten Parameter können dann auf die Maschine gespiegelt werden.
Schulungen können Risikofrei anhand der Simulation durchgeführt werden
Servicekosten können eingespart werden => remote
Optimierung auch von bestehenden Maschinen möglich
Das kann ProSimulation von Baumüller:
Projektierung, Auslegung, Inbetriebnahme
Ansicht in ProSimulation ist die gleiche wie sie auch der Inbetriebnehmer bei der IBN sieht
Einstieg ist einfach dank vorgefertigter Modelle => keine komplexe Modellierung nötig
Auch Prozessanalyse möglich
Für jeden Anwender geeignet
Fazit
Der digitale Zwilling reduziert im Engineering Prozess Kosten und Entwicklungszeiten, schont Ressourcen, verhindert unausgereifte Produkte und sorgt für eine höhere Wettbewerbsfähigkeit.
