Simulationssoftware: Visuelle Verifikation für sicherere, schnellere CNC-Operationen

Müde vom Drücken des roten Knopfs? Simulationssoftware ist der Schlüssel zu sichereren, kürzeren Maschinenrüstungen.

In einer perfekten CNC-Welt ist das erste Teil immer ein gutes. Es gibt keine Notwendigkeit für zusätzliche Rohlinge oder Stangenmaterial. Rüstzeiten sind nur so lang wie nötig, um ein paar Werkzeuge zu wechseln und ein neues Programm zu laden. Es gibt nie einen Crash, nie die Notwendigkeit, einen ineffizienten Code neu zu programmieren. Der Bediener drückt einfach den grünen Knopf und Minuten oder Stunden später poppt ein fertiges Werkstück heraus.

Was ist die magische Technologie, die diese Welt möglich macht? Sie heißt Simulationssoftware, und obwohl sie bisher nur wenige Betriebe in den oben beschriebenen Zustand des Fertigungs-Nirwana gebracht hat, ist sie ein wichtiger Schritt in diese Richtung.

Indem sie Programmierern die Fähigkeit gibt, alles am Bearbeitungsprozess zu simulieren – Werkzeughalter, Spindeln und Revolver, das sich ständig ändernde Werkstück und die Schneidwerkzeuge, die sich darum und hindurch bewegen –, machen Softwareentwickler ihre virtuellen Welten zu hochpräzisen Vorhersagern von allem, was passieren wird, sobald der grüne Knopf gedrückt wird. Die Quintessenz ist klar: Wenn Ihr Betrieb keine Werkzeugweg-Simulationssoftware nutzt, um seine NC-Programme zu validieren, verschwenden Sie nicht nur wertvolle Produktionszeit, sondern setzen auch teure Werkzeugmaschinen und Ihre Sicherheitsbilanz aufs Spiel.

Versicherung abschließen

Aber warten Sie – unsere CAM-Software hat doch bereits Simulationsfähigkeiten, denken Sie. Warum sollten wir zusätzliches Geld investieren, wenn unser aktuelles System den Job erledigen kann? Laut Ben Mund, Senior Market Analyst beim Mastercam CAD/CAM-Entwickler CNC Software Inc. (Tolland, CT), gibt es dafür sehr gute Gründe.

„Die meisten CAM-Systeme bieten heute ein gewisses Maß an Werkzeugwegsimulation, das für die Mehrheit der Bearbeitungsanwendungen völlig akzeptabel ist“, sagte er. „Der Unterschied zu dedizierter Simulationssoftware besteht darin, dass CAM-Pakete als Regel den tatsächlich nachbearbeiteten G-Code, der von der Werkzeugmaschine verwendet wird, nicht lesen. Deshalb bietet eigenständige Werkzeugwegsimulation eine zusätzliche Sicherheitsebene für extrem hochwertige Aufträge und komplexe Bearbeitungsanwendungen. Es ist wie der Abschluss einer Versicherungspolice.“

Wie bei allem in der Fertigung wird jedoch auch CAM-Software zunehmend leistungsfähiger, und das schließt die Fähigkeit ein, mehr vom Bearbeitungsprozess zu simulieren – wo einst grobe Drahtgittermodelle von Schneidwerkzeug und Werkstück die Norm waren, bieten Mastercam und andere jetzt überraschend realistische Darstellungen der gesamten Bearbeitungsumgebung, einschließlich Spannvorrichtungen, Werkzeughalter und sogar der CNC selbst.

Mund vergleicht diese Entwicklung mit der allmählichen Konvergenz von CAD und CAM – wo die beiden einst völlig getrennte Produkte waren, wird CAM heute sehr CAD-ähnlich und umgekehrt.

„Viele Betriebe brauchen kein eigenständiges CAD-System mehr, weil ihr CAM-Paket alles tut, was sie brauchen“, sagte er. „Es ist eine sehr ähnliche Situation bei Maschinen- und Werkzeugwegsimulationssoftware – CAM bietet möglicherweise nicht dieselbe Verifikationstiefe, aber wieder: Es sei denn, Sie wollen diese zusätzliche Sicherheitsebene, erledigt es den Job – und entwickelt sich ständig weiter.“

Durchstarten

Craig Chester, PowerMill Product Manager bei Autodesk Inc. (San Rafael, CA), stimmt Munds Einschätzung zu. „Sehr wenige unserer Kunden nutzen spezialisierte Simulationspakete, da sie von der Zuverlässigkeit ihrer CAM-Simulation überzeugt sind“, sagte er.

Der kleine Prozentsatz an Kunden, die in eigenständige Pakete investieren, tun dies typischerweise, weil sie mehrere CAM-Lösungen haben, vielleicht von verschiedenen Anbietern, und eine einzelne, spezialisierte Lösung konsistente Ergebnisse liefert, erklärte Chester. Dies sind in der Regel größere Kunden, wie Luft- und Raumfahrt- oder Rüstungsunternehmen, die auch dazu neigen, unterschiedliche CAM-Pakete für ihre Dreh-Fräs-Zentren, Fünf-Achs-Bearbeitungszentren, EDM-Ausrüstung usw. zu verwenden.

Ironicerweise kann der größte Vorteil eigenständiger Simulationssoftware – die Fähigkeit, Maschinencode zu lesen – auch ihre Achillesferse sein.

„Der Nachteil der Simulation außerhalb des CAM-Programms ist, dass der Anwender Probleme erst entdeckt, nachdem das Teil programmiert wurde“, wies Chester hin. „Wenn der Fehler früh im Bearbeitungsprozess liegt, müssen viele nachfolgende Werkzeugwege neu programmiert werden. Aber indem man alles im CAM-Programm simuliert, können diese unnötigen und kostspieligen Neukalkulationen vermieden werden.“

Aber nicht so schnell. Tom McCollough, Director of Product Management in Autodesks CAM und Hybrid Manufacturing Gruppe, stimmt zu, dass integrierte Simulation Programmierern die Fähigkeit gibt, die Auswirkungen von Werkzeugwegänderungen schnell zu bestimmen, fügte aber hinzu, dass dies für eine Reihe von Unternehmen keine Allheilmittel-Lösung ist.

„Stellen Sie sich vor, Sie haben Wochen an Schruppen und Halbschlichten an einem sehr großen Automobilwerkzeug durchgeführt, nur um in der finalen Phase in den Rohling zu krachen, wodurch sowohl das Teil als auch die Spindel beschädigt werden“, sagte er. „Dies kann nicht nur den betreffenden Auftrag, sondern auch andere Aufträge (für andere Kunden) in der Warteschlange negativ beeinflussen. Die potenziellen Auswirkungen sind enorm, weshalb Hersteller von hochwertigen Bauteilen motiviert sind, eine ‚Zweite Meinung‘ von einer unabhängigen Software einzuholen.“

Die G-Code-getriebene Simulation in NX CAM von Siemens verwendet dieselben NC-Programme, die Werkzeugmaschinen antreiben. Die hochpräzise Simulation hilft Unternehmen, Ausfälle zu eliminieren, Teilequalität zu verbessern und Maschinenverfügbarkeit zu erhöhen, so Siemens.

Machen Sie mir ein Volumenmodell

Jean-Marc Cauzac, DELMIA Role Manager bei Dassault Systèmes (Waltham, MA), gibt ähnliche Empfehlungen. Wie die anderen für diesen Artikel interviewten Softwareanbieter bieten Dassault Systèmes' CAM-Produkte präzise, realistische Simulationsfähigkeiten mit vollständigen 3D-Darstellungen der Werkzeugmaschine, einschließlich Spannvorrichtungen, Spannfutter und Backen sowie Indexköpfen.

Cauzac sagte, dies sei für die Mehrheit der Teilehersteller ausreichend, da die meisten Kollisionsprobleme (und sollten) lange vor der Erzeugung von Maschinencode eliminiert werden können. „Ein integriertes System ermöglicht es, alle Zugänglichkeits- und Erreichbarkeitsherausforderungen sehr früh in der Programdefinition zu prüfen, einschließlich Werkzeugwegfehler wie schnelles Verfahren in das Material oder übermäßig aggressive Schnittparameter sowie mögliche Kollisionen zwischen beliebigen der eben genannten Elemente.“

Cauzac merkte jedoch an, dass integrierte CAM-Simulation in gewisser Weise begrenzt ist: Manche Kunden wollen Simulationen, die von der Software stammen, die den Werkzeugweg erstellt, nicht glauben, da sie befürchten, der Softwareanbieter könne nicht gleichzeitig Richter und Henker sein.

Wenn der Kunde mehrere CAM-Lösungen in seiner Einrichtung nutzt, wird ein einzelnes externes Simulationsprogramm – vorausgesetzt, es hat eine präzise Schnittstelle zur CAM-Software – wegen seiner Fähigkeit zur homogenen Validierung bevorzugt.

Spezialisierte Simulationssoftware ist oft umfassender als CAM-basierte Simulation, die tendenziell stärker werkzeugwegerientiert ist und die Festzyklen und Unterprogramme, die auf den meisten Steuerungen verwendet werden, nicht berücksichtigt.

Argumente für externe Simulationssoftware beiseite, schlug Cauzac vor, dass integrierte Systeme sowohl schneller als auch fehleranfälliger sind. „Sie bieten perfekte digitale Kontinuität, weil alle 3D-Elemente, die in der Simulation verwendet werden, dieselbe Quelle haben“, sagte sie. „Es gibt keine Notwendigkeit für Datentransfer zwischen zwei Systemen, was zusätzlichen Aufwand und die Möglichkeit von Informationsverlust mit sich bringt.“

Nutzen Sie die Force

Wie Mastercams Ben Mund früher erwähnte, ist das Lesen des Codes, der vom Maschinencontroller verwendet wird, vielleicht der entscheidende Unterschied zwischen eigenständiger und integrierter Simulationssoftware. Jemand, der viel zum Thema zu sagen hat, ist Gene Granata, Product Manager für VERICUT Werkzeugwegsimulations- und Verifikationssoftware-Anbieter CGTech Inc. (Irvine, CA).

„Viele Leute versuchen, den Wert von Drittanbieter-Simulation zu entkräften, indem sie behaupten, sie sei unnötig oder Overkill“, sagte er. „Aber um einen digitalen Zwilling der Werkzeugmaschine und des Bearbeitungsprozesses zu erreichen, müssen Sie Dinge wie Fünf-Achs-Kompensation, Werkzeuglängen- und Vorrichtungsversätze, Makros und Unterprogramme und wie sich das Schneidwerkzeug tatsächlich in Positioniermodus bewegt, einbeziehen – Elemente, die nicht berücksichtigt werden, wenn interne Anweisungen des CAM-Systems zum Aufbau der Simulation verwendet werden.“

Während der Streit tobt, ob Maschinenbetriebe dieses Maß an Simulationsgenauigkeit benötigen, weist Granata schnell auf etwas hin, das sie brauchen: Optimierung. „Es ist eine Hund-frisst-Hund-Welt da draußen, und im Geschäft zu bleiben basiert oft auf rasendünnen Gewinnmargen. Zu diesem Zweck gibt es einen riesigen Fokus auf Werkzeugwegoptimierung.“

Für Granata ist Optimierung nicht CAM-spezifische Routinen, die auf effektives Taschenausräumen und konstante Spanlast fokussiert sind, obwohl diese zugegeben notwendige Teile der Bearbeitungsgleichung sind. Was wichtiger ist, sagte er, ist, Wege zu finden, Werkzeugwege basierend auf dem zu optimieren, wozu die Werkzeugmaschine fähig ist, gegeben das Werkstückmaterial und die verwendeten Schneidwerkzeuge.

Hier kommt Force ins Spiel, ein Softwaremodul innerhalb der VERICUT-Suite, das Werkzeugwegsimulation und CAM-Software gleichermaßen ergänzt, egal wessen Logo auf der Box steht.

„Dies stellt eine völlig neue Ebene von Industry 4.0 Programmierintelligenz dar, und CGTech sowie andere Softwareentwickler kratzen wirklich erst an der Oberfläche dieser Fähigkeit“, sagte er. „Jeder Schneidwerkzeughersteller wird Ihnen sagen, dass ihre Werkzeuge härter gefordert werden können und Optimierung der beste Weg ist, das zu erreichen.“

Den G-Code lesen

Zwischen eigenständiger und integrierter Simulation steht Siemens PLM Software Inc. (Plano, TX), das einer der frühesten Partner von CGTech war und diese Rolle bis heute innehat. Aber wie Siemens' Senior Director for Advanced Part Manufacturing Vynce Paradise erklärte, entschied sich das Unternehmen unterwegs, seinen eigenen Spin auf Simulation zu entwickeln, der ein integraler Bestandteil seiner NX CAM-Software ist.

„Es gibt viele gute CAM-Systeme da draußen, und alle bieten ein gewisses Maß an Werkzeugwegsimulation, aber es ist wichtig zu erkennen, dass es mehrere Ebenen gibt“, sagte er. „Da ist die Basissimulation, wo Sie das Rohteilmodell, das Schneidwerkzeug und vielleicht den Werkzeughalter sehen, die sich relativ zueinander bewegen. Das nennen wir Werkzeugwegverifikation, und obwohl nützlich, ist es nur ein Ausgangspunkt.“

Gehen Sie einen Schritt weiter und Sie haben echte Maschinensimulation, den „digitalen Zwilling“, den CGTechs Granata erwähnte und ein Begriff, mit dem jeder bei Siemens vertraut ist. „Das ist worauf wir uns heute konzentrieren“, wies Paradise hin. „Es geht über die gerade beschriebenen Basics hinaus und umfasst alle Aspekte des Bearbeitungssetups, jedes mit seiner eigenen Kinematik und Relativbewegung. Viele CAM-Systeme zeigen dies heute, aber was an unserem anders ist, ist, dass wir NC-Code on-the-fly posten und ihn für die Simulation in NX CAM verwenden, was eine ‚Best-of-both-worlds‘-Lösung bietet.“

Paradise bot die folgende Analogie: Wenn Sie Airline-Pilot werden wollen, würden Sie lieber in einem Flugsimulator lernen, der generische Flugsimulationssoftware nutzt, oder in einem, der die Steuerumgebung des tatsächlichen Flugzeugs enger repliziert? „CAM-integrierte Simulation mit dem tatsächlichen G-Code ist dem letzteren sehr ähnlich und bleibt der vollständigste Weg, zu replizieren, was während des Bearbeitungsprozesses passieren wird.“

Frühlingserwachen

Spring Technologies Inc. (Boston), die in diesem Jahr von Technologielösungsanbieter Hexagon übernommen wurde, ist ein weiterer Entwickler von CNC-Maschinensimulations- und Verifikationssoftware. General Manager Silvère Proisy stimmt seinen Kollegen in den Vorzügen der Werkzeugwegoptimierung und G-Code-Validierung zu, fügte aber mehrere andere Überlegungen für diejenigen hinzu, die an einem dieser Softwaresysteme schnuppern möchten.

Der erste Punkt ist, dass Simulation nicht nur für Betriebe mit hochkomplexen Werkzeugmaschinen oder teuren Teilen ist. „Natürlich sind unsere Primärkunden solche mit Mehrkanal-Drehbänken und Fünf-Achs-Bearbeitungszentren, aber wir sehen einen Anstieg bei Betrieben, die ihre NC-Programme optimieren wollen, und das schließt solche mit grundlegenden Zwei- und Dreiachsmaschinen ein“, sagte Proisy. „Und während sich niemand leisten kann, ein Stück Kapitalanlage zu crashen, sind es die kleineren Betriebe, die am stärksten betroffen sind, wenn dieses unglückliche Ereignis eintritt. Unsere NCSIMUL-Software eliminiert dieses Risiko.“

Werkzeugwegoptimierung von Vericut Werkzeugwegsimulations- und Verifikationssoftware von CGTech basiert auf projizierten Schnittkräften und hilft, Werkzeugstandzeit zu verbessern und Vibrationen zu eliminieren, die zu Rattern führen, so das Unternehmen.

Mit Werkzeugwegsimulation wissen Programmierer immer, wo das Werkzeug war und wohin es als Nächstes geht, wie in diesem Mastercam-Modul.

Kritikern, die vorschlagen, dass der Einsatz eigenständiger Simulationssoftware sowohl zeitaufwändig als auch fehleranfällig sei, sagte Proisy, Anwender sollten Automatisierung als nächsten Schritt in der Werkzeugwegsimulation betrachten; indem man NCSIMUL auf einem Server installiert, der mit dem Shopfloor-Netzwerk verbunden ist, ist es möglich, Werkzeugwegdateien an eine „Black Box“ zu senden und sie automatisch verifizieren zu lassen – es sei denn, es gibt ein Problem, der einzige Aufwand ist das Lesen des per E-Mail versandten Berichts, dass der G-Code gut zum Laufen ist. Dies ist nur der erste Schritt auf dem Automatisierungspfad.

Laut Proisy ist die Software seines Unternehmens derzeit in der Lage, NC-Programme für den Einsatz in anderen Werkzeugmaschinen neu zu verarbeiten, und das „auf Knopfdruck“. Für die Zukunft stellt er sich eine flexible, aber intelligente Schnittstelle vor, die diesen Schritt automatisch basierend auf der Maschine erledigt, der der Auftrag zugewiesen wurde.

„Der dritte Punkt ist Konnektivität“, sagte er. „Dank unserer Partnerschaft mit Hexagon erwarten wir, dass wir bald in der Lage sein werden, Daten von Sensoren an der Werkzeugmaschine abzurufen und diese Werte zu nutzen, um das Programm on-the-fly zu aktualisieren. Es könnten Werkzeuglängenversätze oder Vorrichtungspositionen sein, oder es könnte Feedback zu Spindellast und Vibration sein. Wir sind noch nicht so tief in Industry 4.0, aber es ist definitiv etwas, das kommt.“

Das Sim-Puzzle vervollständigen

Jeff Fritsch, Vice President of Sales and Marketing bei CAMplete Solutions Inc. (Kitchener, ON), hat ebenfalls Industry 4.0 und IIoT (Industrial Internet of Things) im Visier. Die TruePath-Software des Unternehmens „bietet alles, was nötig ist, um Fünf-Achs-Werkzeugwege in einer integrierten 3D-Umgebung zu analysieren, modifizieren, optimieren und simulieren“, während seine Lite- und TurnMill-Produkte ähnliche Funktionalität für Dreiachsfräsen und Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen bieten.

In Bezug auf Industry 4.0-Funktionalität ist es CAMpletes Intelligent Protection System (IPS), das den klarsten Indikator für die Richtung liefert, die die Fertigungsgemeinschaft einschlägt. In Partnerschaft mit Maschinenbauer Matsuura entwickelt, nutzt IPS TruePaths Simulationsfähigkeiten, um intelligentes Vorausschauen basierend auf In-Prozess-Maschinendaten zu liefern. Das Ergebnis ist eine praktisch crash-freie Maschinenumgebung, sogar im manuellen Betriebsmodus, so Fritsch.

In Anbetracht der zunehmenden Nutzung komplexer Dreh-Fräs-Drehbänke und Mehrkanalmaschinen ist präzise Bearbeitungssimulation, wie sie von DELMIA von Dassault Systèmes bereitgestellt wird, wichtiger denn je.

„Wie bei anderen Simulationssystemen liest TruePath den G-Code und verifiziert, dass er sicher in der Maschine laufen wird“, sagte er. „Aber am Ende des Tages kann niemand sicherstellen, dass der Bediener tatsächlich das richtige Werkzeug in die Spindel einsetzt und dass das Teil dort positioniert ist, wo es sein soll.“

IPS arbeitet in Verbindung mit TruePath, um dieses potenzielle Problem zu eliminieren, sagte er. Statt sich auf das CAM-System für verschiedene Werte zu verlassen, gibt es eine Hochgeschwindigkeits-Glasfaserverbindung direkt zum Maschinencontroller – es gibt keine Notwendigkeit, Annahmen über Versätze oder Makro-Werte zu treffen, weil sie in Echtzeit gelesen werden, und die Maschine wird sicher vor der problematischen Position gestoppt.

Obwohl noch nicht für andere Maschinenmarken verfügbar, kommt IPS, ebenso wie intelligentes Maschinenmessen, das Teile misst, die entsprechenden Versätze vornimmt und automatisch den Teil des Programms neu ausführt, der nötig ist, um eine Außer-Toleranz-Bedingung zu korrigieren.

„Das ist nicht anders als das, was ein menschlicher Bediener tun würde, aber wir machen es mit Software“, sagte Fritsch. „Jetzt sind wir dabei, diese Logik aufzubauen, damit die Maschine anfangen kann, sich auf automatisiertes Feedback zu verlassen, um Entscheidungen zu treffen, letztlich Teilequalität zu verbessern, während Zykluszeiten und Betriebskosten reduziert werden. Betriebe sollten nicht zwei oder drei Teile bearbeiten müssen, um ein gutes zu machen, oder Zeit verschwenden, Teile aus der Maschine zu nehmen, um sie zu messen – es sollte erstes Teil, gutes Teil sein, ohne all die menschliche Interaktion. Das ist unser Ziel.“