Inhalt des Projektes

Durch Schaffung von herstellunabhängigen, standardisierten Schnittstellen an Werkzeugmaschinenspindeln und zu Maschinensteuerungen sollen unterschiedliche Zusatzmodule als Cyber-Physische Systeme leicht in Werkzeugmaschinen integrierbar sein.

Inhalte

Die Systembetrachtung heutiger Bearbeitungszentren zeigt, dass für den einheitlichen Betrieb Cyber-Physischer Zusatzsysteme Kommunikationsstandards zwischen der NC-Steuerung und der Werkzeugmaschine mit Spindel und Werkzeug bzw. mit Werkstückspannung und Werkzeug nicht vorhanden sind.

Systembetrachtung für die Plattformdefinition Cyber-Physischer Zusatzmodule
Abbildung 1: Systembetrachtung für die Plattformdefinition Cyber-Physischer Zusatzmodule

Auf modernen Werkzeugmaschinen wird eine steigende Zahl von Optionen zur Verbesserung der Qualität und zur Erweiterung der Bearbeitungsmöglichkeiten eingesetzt, z.B. Messmittel, aktorische Werkzeuge, Beschriftungsapparate und Werkzeuge, die mit Sensoren zur Prozessüberwachung und -optimierung ausgerüstet sind. Alle Optionen benötigen Energie- und Kommunikationsschnittstellen zur Werkzeugmaschinensteuerung. Diese sind heute herstellerbezogen und müssen jeweils individuell installiert und in der Maschinen-Software programmiert werden. Die Integration von Optionen wird dadurch eingeschränkt und der Kostenaufwand fällt jeweils individuell an. Standardisierte Schnittstellen und sich automatisch konfigurierende Systeme (CPS) sind erforderlich um die Innovationspotentiale zu heben.

Durch herstellerunabhängige Standardmodule können Werkzeugmaschinen zusätzliche Prozessschritte mit aufnehmen, die die Einsatzmöglichkeiten erweitern, die Fertigungsqualität verbessern und die Wirtschaftlichkeit erhöhen, indem Kosten und Durchlaufzeiten sinken. Dadurch werden die internationale Wettbewerbsfähigkeit in der Produktion, sowie die der Werkzeugmaschinenhersteller durch innovative und leistungsfähigere Maschinen deutlich gesteigert.

Durch Schaffung von herstellunabhängigen, standardisierten Schnittstellen an Werkzeugmaschinenspindeln und zu Maschinensteuerungen sollen unterschiedliche Zusatzmodule als Cyber-Physische Systeme leicht in Werkzeugmaschinen integrierbar sein. Die elektro-mechanischen Verbindungen sollen möglichst umfassend standardisiert und Softwaremodule so vorkonfiguriert werden, dass sie CPS automatisch identifizieren und einbinden können („Plug & Produce“). Neben bereits bekannten Zusatzmodulen bildet die Standardisierung die Basis für neue Anwendungen mit intelligenten Sensoren, Aktoren und Verfahren, die sich bisher wegen des hohen Integrationsaufwandes nicht realisieren lassen.

Realisiert werden sollen standardisierte Schnittstellen in Werkzeugmaschinenspindeln, die es ermöglichen, Cyber-Physische Systeme, z.B. Werkzeuge mit Sensoren und Aktoren automatisch anzukoppeln. Die Energie und Datenübertragung wird berührungslos und standardisiert am gegenüberliegenden Ende der Spindel realisiert. Zur Ankopplung an die Maschinensteuerung werden Interfacemodule entwickelt, die die Hard -und Software zur Kommunikation mit der Maschinensteuerung beinhalten. Für die jeweilige Maschinensteuerung werden Softwarebausteine entwickelt, die Zusatzkomponenten (CPS) identifizieren und diese automatisch in die Steuerung konfigurieren können.

Der Ansatz des Forschungsvorhabens ist es, ausgehend von einer Analyse von Anwendungsgebieten neuer Werkzeugtechnologien ein Konzept zur Integration von Cyber-Physischen Modulen in die Werkzeugkette zu entwickeln und zugehörige Schnittstellen zu definieren. Das Forschungsprojekt gliedert sich in insgesamt fünf Arbeitsschritte (AP). Im ersten Arbeitspaket werden Einsatzpotentiale und Randbedingungen analysiert und ausgewertet. Anschließend werden Anforderungen an die Hardwareumgebung definiert. Im zweiten Schritt des Vorhabens werden technische Lösungsansätze konzipiert und erarbeitet. Weiterhin folgt die Entwicklung der informationstechnischen Ansätze, die die Datenübertragung gemäß der entwickelten Hardware gewährleisten. Im nächsten Schritt sollen die entwickelten Hardware- und Softwarelösungen anhand eines Prototyps umgesetzt werden. Zahlreiche Test- und Optimierungsvorgänge finden im letzen Schritt der Validierung statt. Alle technischen Lösungsansätze werden mit Blick auf die Anwendungsszenarien erarbeitet und kontinuierlich von den Projektpartnern validiert. Dafür läuft das Arbeitspaket AP5 parallel zu allen bereits genannten Arbeitspaketen. Unter anderem sind ausgiebige Validierungsmaßnahmen sicherlich nach Arbeitspaket AP 1 und im Zusammenhang mit der Entwicklung der Energie- und Datenübertragung sowie der Softwarearchitektur und nach den Systemtests notwendig.

Arbeitspakete des Forschungsprojektes BaZMod
Abbildung 2: Arbeitspakete des Forschungsprojektes BaZMod

Der Austausch der Projektergebnisse unter den Projektpartnern erfolgt im Projekt kontinuierlich über die internen Projekttreffen und eine Intranetplattform.

Die erarbeiteten Konzepte sollen in unmittelbarer zeitlicher Nähe zum Projektabschluss in die Fertigungseinrichtungen der Industriepartner integriert werden. Bereits bestehende Systeme sollen nachgerüstet, optimiert und weiter ausgebaut werden. Die Standardisierung der Schnittstelle für Cyber-Physische Zusatzmodule soll weiter in einem Normungsprozess vorangetrieben werden, so dass für die Zukunft eine einheitliche und schnelle Implementierung in eine Vielzahl von Werkzeugmaschinen und Spindelsysteme am Markt gegeben ist - unabhängig vom Fabrikat der NC-Steuerung.

Wirtschaftlich gesehen haben die Ergebnisse von BaZmod vielschichtige Auswirkungen auf den Absatz von CPM, Werkzeugmaschinen und die Kostengestaltung sowie Flexibilisierung bei der Teileherstellung. Neue Produkte werden für die Werkstückspannung, die Werkstückbearbeitung, Werkstückmessung sowie die Prozessüberwachung und – optimierung entstehen. Zusätzlich werden Produkte für die berührungslose Energie – und Datenübertragung und Interfaceelektronik als Bindeglied für die Maschinensteuerungen erscheinen. Andere Produkte werden aufgewertet, z.B. Spindeln, die für den BaZmod – Standard gebaut werden oder auch die Werkzeugmaschine, die für den BaZmod – Standard gerüstet ist.

Mehr Absatz wird durch einfachere Integration von zusätzlicher Funktionalität, z.B. durch U-Achssysteme, in Werkzeugmaschinen erzielt. Der Kunde kann dann unterschiedliche Fabrikate in einer Maschine einsetzen, was bisher nicht möglich ist. Durch die Herstellerunabhängigkeit erhöht sich die Investitionssicherheit für den Kunden und damit die Akzeptanz und die Absatzmöglichkeiten. Weitere Verbesserung der Absatzmöglichkeiten für die CPM – Komponenten ergibt sich durch Einsparung an den Komponenten, weil die Energieversorgung, die Datenübertragungskomponenten und auch Software an der Maschine bereits integriert sind.

Die Anwender von Maschinen mit BaZmod – Standard und CPM werden bei der Teileherstellung wirtschaftliche Vorteile durch höhere Qualität (weniger Ausschuß), Komplettbearbeitung (durch zusätzlich Bearbeitungsschritte mit CPM) und damit reduzierte Durchlaufzeiten (kürzere Lieferzeit) haben. Zusätzliche Einsparungen werden möglich, wenn durch die Integration von Bearbeitungsschritten auf der Maschine Investitionen für zusätzlich Bearbeitungsstationen oder Maschinen eingespart werden. Dies kann auch zur Einsparung von Raumkosten führen, wenn die Bearbeitung auf weniger Maschinen durchgeführt werden kann.

All dies vermittelt dem deutschen Werkzeugmaschinenbau einen Innovationsschub und festigt die Marktführerschaft deutscher Produkte im internationalen Wettbewerb.

Zum Seitenanfang