Die gekoppelte Simulation

Die Methodik der Simulation ist sowohl im SPS-Umfeld als auch im Zusammenhang mit der mechanischen Konstruktion seit geraumer Zeit ein Thema. Neu ist die direkte Kopplung der Simulationen von Maschinenmodell und SPS-Programm, die zu einer deutlichen Verkürzung der Entwicklungszeiten führt und nicht zuletzt die Kommunikation zwischen Entwicklern und Kunden sowie innerhalb des Konstruktionsteams verbessert.

Die Methodik der Simulation ist sowohl im SPS-Umfeld als auch im Zusammenhang mit der mechanischen Konstruktion seit geraumer Zeit ein Thema. Neu ist die direkte Kopplung der Simulationen von Maschinenmodell und SPS-Programm, die zu einer deutlichen Verkürzung der Entwicklungszeiten führt und nicht zuletzt die Kommunikation zwischen Entwicklern und Kunden sowie innerhalb des Konstruktionsteams verbessert. 

Die Maschinenbauer kennen das Problem: Der Konstrukteur ist noch mitten in der Konstruktion, der SPS-Programmierer will sein Programm entwickeln und der Einkäufer wartet ungeduldig auf die Ergebnisse der Antriebsauslegung, um die entsprechenden Komponenten bestellen zu können. Und wehe, bei der Steuerungsprogrammierung oder beim Test stellt sich heraus, dass eine Umkonstruktion notwendig ist, weil Leistungsparameter nicht eingehalten werden! 

Im Verpackungsmaschinenbau zum Beispiel besteht die Aufgabe darin, aus vorhandenen Komponenten wie Transportbändern und Klemmbaugruppen auf die jeweilige Verpackungsaufgabe zugeschnittene Maschinen zu entwerfen. Mangels durchgängiger Tool-Unterstützung erfolgt die mechanische Konstruktion hier meist auf Basis von Erfahrungen - verbunden mit der latenten Gefahr von Überoder Unterdimensionierung. Erschwerend kommt hinzu, dass die Entwicklung von effizienten SPS-Programmen meist an der derzeit noch verbreiteten sequentiellen Abfolge von Mechanik-Entwurf und SPSProgrammierung krankt. Ziel muss es daher sein, bereits im Rahmen der Projektierung eine zuverlässige Anlagenbeurteilung vornehmen zu können.

Dieses Ziel vor Augen, haben die Firmen ITI und J+P Maschinenbau zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen im Rahmen eines mit Mitteln des Freistaates Sachsen geförderten Gemeinschaftsprojektes eine Lösung entwickelt, mit der sich die Entwicklungsstränge Mechanik und Steuerungstechnik simultan abwickeln lassen. Parallel dazu erfolgte die Erprobung des Konzeptes anhand einer Verpackungsmaschine für die stehende Befüllung von Beutelware in Kartons, die wie folgt funktioniert: Die Beutel erreichen die Maschine über ein Transportband und werden durch ein als Quereinschub ausgelegtes Paddelband exakt ausgerichtet und dann direkt vor dem Einschieber positioniert. Die hinter der Maschine angeordnete Leerkartonzuführung vereinzelt die Kartons aus der Staustrecke heraus und bringt sie durch eine Schwenkbewegung in die vertikale Position. Von da aus übernimmt das Klemmband den Karton und positioniert ihn direkt vor dem Einschieber. Der Einschieber schiebt nun die Beutel über eine Zunge in mehreren Lagen in die Kartons ein. Mit jeder Lage positioniert das Klemmband den Karton neu. Ist der Karton befüllt, wird er während der Abwärtsbewegung noch ein Stück vom Klemmband geführt und verlässt die Maschine über eine Rutsche. Ein weiteres Transportband stellt den Karton einer Folgemaschine bereit, zum Beispiel einem Karton-Verschliesser. 

Maßgeblichen Einfluss auf den maximalen Beuteltakt der Verpackungsmaschine hat die Klemmbandbaugruppe. Bei der Konstruktion des Klemmbandes werden aus allgemeinen Kundenvorgaben für Packgut, Packschema, Beutel- und Kartonmassen und Taktzahl konkrete Soll- Werte zum Beispiel für Anpressweg, Positioniergenauigkeit und -zeit abgeleitet. Anpressweg und Positioniergenauigkeit ergeben sich aus den Materialeigenschaften der Beutel und den geometrischen Verhältnissen im Karton. Typische Werte für den Anpressweg liegen bei 10 mm, die Positionierung erfolgt etwa mit 1 mm Genauigkeit. Die Positionierzeit des Klemmbandes wird durch den zu erreichenden Beuteltakt bestimmt - üblich sind hier Zeiten von etwa einer Sekunde. 

In der Praxis des simulationsgestützten Entwurfs werden die zur Auswahl geeigneter Antriebe benötigten Geschwindigkeiten und Kräfte/Drehmomente sowie Krafteinwirkungen auf das Verpackungsgut und die resultierenden elastischen Verformungen am virtuellen Prototypen ermittelt - im Beispiel der Verpackungsmaschine von J+P Maschinenbau erfolgte dies auf Basis der Software SimulationX von ITI. 

Parallel dazu startete die Entwicklung der Steuerung, wobei Algorithmus und Parameter, wie etwa Brems- und Abschaltpositionen im Zusammenspiel mit dem virtuellen Prototyp getestet und optimiert wurden.