Die mitdenkende Fabrik

Werkzeugmaschinen und mehr präsentieren Aussteller aus aller Welt auf der EMO Hannover 2011. Dass es sich nicht um einen Werbeslogan handelt, beweist Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart von der Technischen Universität München Tag für Tag. Der Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) bringt reale Werkzeugmaschinen in die virtuelle Welt der Simulation, Rechenalgorithmen und neuronalen Netzwerke.

18. März 2011

„Gerade die Werkzeugmaschine ist ein ideales Übungsfeld für kognitive Fragestellungen“, erklärt Professor Reinhart. „In ihr finden heute nämlich sehr komplexe Abläufe statt.“ So gehe es einerseits um Technologieintegration (etwa Laserbearbeitung und Schleifen in einer Maschine), die sich nur mit Computerunterstützung von Mitarbeitern beherrschen und bedienen lässt, und andererseits um automatische Handhabungsvorgänge, die stör- und fehleranfällig seien. Sensornetzwerke können hier vorbeugend wirken und Rechenprogramme bei Störungen helfen.

Erkennen, schlussfolgern, umsetzen

Über Künstliche Intelligenz, Sensornetzwerke und Algorithmen wird die Welt der Werkzeugmaschinen (WZM) virtuell. Dazu wird im Rahmen von "CoTeSys" (Cognition for Technical Systems) geforscht, einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Exzellenz-Cluster zur Entwicklung kognitiver technischer Systeme. "CoTeSys" soll unter anderem künstliche Intelligenz und Fuzzy-Logik in die Produktionsmaschinen bringen. „Wir wollen mit dem Dreiklang „erkennen, schlussfolgern, umsetzen“ Maschinen dazu bringen, dass sie autonomer als bisher aktiv werden“, sagt Reinhart. Heute sind Produktionsanlagen zwar für einige Entscheidungen programmiert; ein Sensornetzwerk soll es nun den Maschinen ermöglichen, Informationen über sich selbst und ihr Umfeld zu gewinnen, um daraus eigenständig mit Hilfe von Wissensdatenbanken Lösungsmöglichkeiten zu erarbeiten und in Aktionen umzusetzen. Reinhart: „Wir prüfen bei jedem Lösungsansatz, ob er den Dreiklang „erkennen, schlussfolgern, umsetzen“ erfüllen kann.“ Es handele sich dabei nicht um Forschen im luftleeren Raum: In dem Teilprojekt „Cognitive Machine Shop (CogMaSh)“ entstand in München bereits die erste kognitive Fabrik, die mitdenkt – weitere Einrichtungen sind im Aufbau.

Funkende Werkstücke

Ein Aspekt von "CogMaSh" ist das „Internet der Dinge“. Dazu werden Werkstücke mit Funketiketten, so genannten RFID-Tags bestückt. Ein Bauteil fragt etwa WZM Nummer zwei: „Kannst du einen Durchmesser von 50 Millimetern termingerecht bohren, oder soll ich mich zu einer anderen Maschinen bringen lassen?“ Die WZM „bejaht“, das Werkstück bestellt sich via RFID ein „Fabriktaxi“ und sagt zum fahrerlosen Transportsystem: „Bitte bringe mich zur Maschine Nummer zwei.“ Nach dem Bohrvorgang speichert das Werkstück Informationen zu seinem Zustand und zur Bearbeitungsqualität auf seinem RFID-Tag.

Die Münchner beschäftigen sich auch mit der virtuellen Inbetriebnahme. Den Iwb-Forschern gelang es, physikalische Eigenschaften einer Maschine, wie Dichte, Schwerpunkt, Haft- und Gleitreibungskoeffizient abzubilden. Damit beseitigen sie ein Manko der bisherigen Geometrie-Dateien eines CAD-Systems, das nicht auf physikalischen Grundgesetzen basiert. „Da schwebt dann ein Bauteil, das ein Greifer los lässt, in der Luft, obwohl es eigentlich herunter fallen müsste“, erläutert Institutsleiter Reinhart. „Wir bringen dazu jetzt die Physik in die Systeme.“

Auf Echtzeit kommt es an

Auch Komplexes wandert ins EDV-System: So bildet die Simulation laut Reinhart auch aufwändige Bearbeitungszentren mit mehreren Steuerungen ab, die über einen Datenbus miteinander kommunizieren. Ein Hersteller könnte mit der Simulation alle Produktionsanlagen einer Fabrik schon virtuell in Betrieb nehmen, die Software und das Zusammenspiel der Maschinen testen und die Reaktion auf künstlich erzeugte Störfälle simulieren. Die schwierige Aufgabenstellung besteht vor allem darin, die Simulation in Echtzeit durchzuführen.

Damit sich ihre Entwicklungen an der Praxis orientieren, arbeiten der Wissenschaftler und sein Team eng mit dem VDW (Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken) und Mitgliedsfirmen wie Deckel Maho Pfronten GmbH, Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH in Nürtingen und Liebherr-Verzahntechnik GmbH in Kempten zusammen. Zweigleisig gehen die Wissenschaftler bei der Suche nach neuen Ideen vor. „Viele Impulse erhalten wir aus dem Internet mit seinen speziellen Foren und virtuellen Messen wie der CNC-Arena des VDW“, gibt der Fachmann für Virtuelles zu Protokoll. „Wir senden unsere Wissenschaftler jedoch auch zur EMO Hannover, damit sie Fragestellungen vor Ort bei WZM-Herstellern und Anwendern klären können.“

Die WZM-Hersteller interessiere aber momentan eher, wie sich in unterschiedlichen Fachdisziplinen erstellte Dokumente zusammen bringen lassen. Die Aufgabe lautet daher: Vereinen von CAD-Darstellungen des Maschinenbaus, Stromlaufplänen der E-Technik sowie Flussdiagrammen und Programmen der Software-Abteilung unter einem virtuellen Dach. „Mit einem virtuellen Modell wäre es dann beispielsweise möglich, anhand der Logik von Stromlaufplänen Software automatisch zu erstellen“, blickt iwb-Leiter Reinhart in die Zukunft.

Die Münchner simulieren jedoch nicht nur die technische, sondern auch die finanzielle Seite von Fabriken. So entstand ein Modell zur Beurteilung von Risiken für den Unternehmer. Das iwb erprobte das System für einen Automobilzulieferer, der vor der Entscheidung zum Bau eines Werkes in Tschechien oder Bulgarien stand. „Wir haben die möglichen Streuungen der Kapitalwerte dieser Investitionen berechnet“, erläutert Reinhart. „Dabei ging es um die logistische Kette, die Versorgungssicherheit und natürlich auch um die Entwicklung der Löhne, die unter Umständen um bis zu 500 Prozent in die Höhe schnellen können. Da erkennt man schnell, dass sich eine Auslandsinvestition auf lange Sicht doch nicht immer lohnt.“