Veranstaltung: Fraunhofer IPA Workshop, 03. Nov. 2010, Stuttgart "Effiziente Planung und Entwicklung von Automatisierungslösungen"
Vortrag wurde kurzfristig in das Programm aufgenommen. 
Autor: Dieter Scheifele
Schlüsselworte: HILS, virtuelle Maschine, Verkürzung von Inbetriebnahmezeiten, Vermeidung von Maschinenschäden
Siehe auch: Foliensatz Vortrag

Abstract:
Namhafte Maschinenbaufirmen möchten den üblichen sequentiellen Engieneering-Prozess durch einen simultanen ersetzen. Von wesentlicher Bedeutung dafür ist die Simulationstechnik, und zwar so, dass die Originalsteuerung für eine "Hardware-in-the-Loop-Simulation" (HILS) eingesetzt werden kann. Neben der Überprüfung des richtigen Verhaltens von SPS-Steuerungen können dann auch z.B. der Einfluss von CAD/CAM- oder der CNC-Bahnsteuerungsalgorithmen auf die Fertigungszeit bzw. Fertigungsqualität untersucht und beurteilt werden.
Unumgänglich ist die gekoppelte Echtzeitsimulation für die Entwicklung neuer Bahnplanungs- und Kompensationsverfahren, wie sie beispielsweise für das Fräsen mit KUKA-Industrierobotern benötigt werden. Sie hilft Kollisionen zu vermeiden, gezeigt am Beispiel einer Abbundmaschine, wie sie bei der Fa. Blumer-Lehmann AG, Schweiz zur Bearbeitung von Balken für das Dach des Clubhauses des  Yeoju Golf Resort, South Korea eingesetzt wurde.
Nichtlineare Regelstrecken stellen eine große Herausforderung für die Steuerungen dar, weil sie zwischen verschiedenen "Arbeitspunkten" hin- und herschalten müssen. Diese Probleme löste man für die "Expo-Kugel" des deutschen Pavillons in Shanghai gefahrlos dadurch, dass die Steuerungen vor der Erstinbetriebnahme am Echtzeitmodell der Kugel geprüft und optimiert wurden. In Extremfällen müssen sich Steuerungen sogar selbsständig an geänderte Situationen adaptieren. Da komplexe Maschinen jedoch gar nicht so leicht in die jeweilige Betriebssituation zu bringen sind, hat die Fa. Krauss-Maffei für ihre Maschinen heute Echtzeitmodelle vorliegen, die sie direkt an ihre Steuerungen anschließen kann.

Erschienen in: Tagungsband IFF-Wissenschaftstage, 16.-18. Juni 2009
Autoren: Dieter Scheifele, Sascha Röck, Peter Sekler
Schlüsselworte: Echtzeitsimulation, Maschinensimulation, Anlagensimulation in Echtzeit, virtuelle Maschine
Siehe auch: Foliensatz

Der kontinuierlich zunehmende Wettbewerbsdruck zwingt Maschinen- und An­lagenbauer dazu, neue innovative Wege zu finden, um sowohl die Entwicklungs­kosten und –dauer neuer Produkte zu reduzieren als auch deren Qualität und Leistungsvermögen zu erhöhen. Um diese Ziele zu erreichen, bietet sich der Ein­satz von Simulationswerkzeugen in möglichst vielen Phasen des Entwicklungs­zykluses an.

Grundvoraussetzung für eine durchgängige Si­mulation ist die ganzheitliche Be­trachtung des Systems „Produktionsanlage“. Dies beinhaltet nicht nur das komp­lette Maschinen- und Anlagenverhalten sondern auch die Berücksichti­gung der Steuerungstechnik. Hierzu hat sich in den letzten Jahren insbesondere die gekop­pelte Simulation zwischen realer Steuerungstechnik und virtueller Maschine durch­gesetzt.

Dieser Beitrag der Industriellen Steuerungstechnik GmbH (ISG) und des Insti­tuts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Uni­versität Stuttgart (ISW) soll einen Überblick des derzeitig Möglichen anhand von er­folgreichen Umsetzungen mit dem Simulationswerkzeug ISG-virtuos in der In­dustrie geben und zukünftige Potentiale dieser Technologie aufzeigen. ISG-virtuos ist ein Echtzeit-Simulationswerkzeug zur Realisierung virtueller Maschinen und Anlagen für die Hardware-in-the-Loop Simulation (HiLS).

Erschienen in: Proceedings SPS/IPC/DRIVES 2008
Autoren: Dieter Scheifele, Verena Müller
Schlüsselworte: Echtzeitsimulation, Maschinensimulation, Anlagensimulation in Echtzeit, virtuelle Maschine

Der kontinuierlich zunehmende Wettbewerbsdruck zwingt Maschinen- und Anlagenbauer dazu, neue innovative Wege zu finden, um sowohl die Entwicklungskosten und –dauer neuer Produkte zu reduzieren als auch deren Qualität und Leistungsvermögen zu steigern. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Qualität mechatronischer Systeme ist ein frühzeitiges methodisches Testen während der Entwicklung notwendig. Der Einsatz von Simulationswerkzeugen in möglichst vielen Phasen des Entwicklungszyklus bietet sich an.

Maschinen von heute werden mit CAD-Systemen konstruiert. Neben der geometrischen Beschreibung der Teile ist es in heutigen CAD-Systemen möglich, die kinematischen Beziehungen zwischen den Teilen durch Bewegungsanimation zu erfassen. Längst haben auch verschiedene Simulationsmethoden Einzug gefunden, um Maschinenteile z.B. durch optimierte Formgebung leichter und steifer auszulegen. Was aber wird heute von den vielen Überlegungen während der Konstruktionsphase an die Elektrokonstruktion im Maschinenbauunternehmen übergeben?

Dieser Bericht soll Simulationsanwendungen zeigen, die von der Elektrokonstruktion zur Entwicklung und Inbetriebnahme von Steuerungsprogrammen in der Industrie erfolgreich eingesetzt wurden. Auf Basis dieser Erfolgsberichte soll deutlich gemacht werden, welcher zusätzliche Mehrwert durch eine durchgängige toolunterstützte Informationskette von der Mechanikkonstruktion im CAD bis hin zur Elektrokonstruktion für die Inbetriebnahmesimulation zukünftig zu erreichen wäre.

Erschienen in: Tagungsband Fraunhofer IPA Workshop F 172, 18. Nov. 2008, Stuttgart "Effiziente Planung und Entwicklung von Automatisierungslösungen"
Autor: Dieter Scheifele
Schlüsselworte: Echtzeitsimulation, Maschinensimulation, Anlagensimulation in Echtzeit, virtuelle Maschine

Maschinen von heute werden mit CAD-Systemen konstruiert. Neben der geometrischen Beschreibung der Teile ist es in heutigen CAD-Systemen möglich, die kinematischen Beziehungen zwischen den Teilen durch Bewegungsanimation zu erfassen. Längst haben auch verschiedene Simulationsmethoden Einzug gefunden, um Maschinenteile z.B. durch optimierte Formgebung leichter und steifer auszulegen. Was aber wird heute von den vielen Überlegungen während der Konstruktionsphase an die Elektrokonstruktion im Maschinenbauunternehmen übergeben? Erfahrungen zeigen, dass mit dem frühzeitigen Einsatz von virtuellen Maschinen die Kommunikation im Maschinenbauunternehmen verbessert und Wissen gemeinsam besser genutzt wird. Dieser Bericht stellt Simulationsanwendungen vor, die von der Elektrokonstruktion zur Entwicklung und Inbetriebnahme von Steuerungsprogrammen in der Industrie erfolgreich eingesetzt werden. Auf Basis dieser Erfolgsberichte wird deutlich, welcher zusätzliche Mehrwert durch eine durchgängige toolunterstützte Informationskette von der Mechanikkonstruktion im CAD bis hin zur Elektrokonstruktion zu erreichen ist.

Erschienen in: Tagungsband 11. IFF-Wissenschaftstage, 25.-26. Juni 2008
Autor: Dieter Scheifele
Schlüsselworte: Echtzeitsimulation, Maschinensimulation, Anlagensimulation in Echtzeit, virtuelle Maschine

Der Einsatz von Simulationswerkzeugen in der Konzeptions- und Entwicklungsphase ermöglicht Maschinen- und Anlagenherstellern zeitliche und finanzielle Einsparmöglichkeiten. Die simulationsgestützte Verifikation von Neuentwicklungen kann von der Mechanik-Konstruktion über die Elektro-Konstruktion bis hin zur Steuerungs-Softwareentwicklung durchgängig eingesetzt werden. Dadurch werden der Entwicklungsprozess und insbesondere die Inbetriebnahmezeit verkürzt und die Wahrscheinlichkeit von imageschädigenden sowie kostenintensiven Nachbesserungen beim Kunden reduziert. Die ISG bietet dazu Softwarewerkzeuge und Dienstleistungen an.

Die von der ISG Stuttgart entwickelte Simulationsplatt­form virtuos bietet ein durchgängiges Engineeringwerk­zeug zur Abbildung des gesamten Maschinenverhaltens über den kompletten Entwicklungsprozess hinweg. Durch die Integration der verschiedenen Disziplinen in einer Plattform verläuft die Maschinenentwicklung Hand in Hand zwischen den Entwicklungsabteilungen. Durch die Echtzeitfähigkeit der Plattform und die Unterstüt­zung von gängigen Feldbussen kann anschlie­ßend eine virtuelle Inbetriebnahme auf Basis der realen Steuerungstechnik durchgeführt werden. Dazu ist in virtuos berücksichtigt worden, dass für die Ankopplung rea­ler Antriebsbusse harte Echtzeitanforderungen im Bustakt erfüllt sein müssen. Dies ermöglicht die Minimierung von Inbetriebnahmezeiten an der realen Anlage und verlagert diese zu großen Teilen von der Halle in das Büro. Daraus resultieren bessere Planbarkeit der Inbetriebnahme an der Anlage und Steigerung der Softwarequalität durch hö­here Testtiefe.

Im Sinne des simulationsgetriebenen Engineerings von Produktionsmaschinen, der den Einsatz der Simulation über den gesamten Lebenszyklus hinweg fordert, verfolgt die ISG das Konzept der simulationsbasierten Steuerung – der Hardware Simulation Symbiosis (HSS). Gemeinsam mit dem Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart sollen dabei Simulationsmethoden gezielt eingesetzt werden, um Steuerungsfunktionen zu verbessern oder sogar zu realisieren. Gerade neue Anforderungen an die Maschinentechnik motivieren diesen Ansatz. Beispielsweise energieeffiziente Maschinen bei zugleich hoher Dynamik und Genauigkeit führen zu neuen Maschinenkonzepten, die steuerungs- und regelungstechnisch mit herkömmlichen Methoden nicht mehr befriedigend gelöst werden können. Die HSS bietet die Möglichkeit über eine parallel laufende Maschinensimulation spezielle Steuerungsfunktionen mit zusätzliche Informationen des aktuellen Maschinenverhaltens zu versorgen und damit beispielsweise ungewollte Schwingungsanregungen zu vermeiden. Ein weiteres Beispiel sind sensorlose Diagnosefunktionen, die mit Hilfe der Simulation in der Steuerung, zur Instandhaltungsplanung und zur Vermeidung von Störfällen genauere Vorhersagen erlauben.

Erschienen in: Tagungsband zum 8. Dresdner WZM-Fachseminar 2004
Autoren: G. Pritschow, D. Scheifele, T. Bürger
Schlüsselworte: CNC-Baukasten, Steuerungssoftware

Immer größere funktionale Anforderungen im Bereich der Verpackungs- und Handhabungstechnik erfordern immer anspruchsvollere Bewegungssteuerungen, die sich in ihrer Komplexität dadurch zunehmend der Komplexität von Numerischen Steuerungen (Numerical Control, NC) annähern, wie sie aus dem Werkzeugmaschinenbereich bekannt sind. Parallel hierzu werden verstärkt sogenannte hybride Anwendungen realisiert, bei denen Werkzeugmaschinen mit Handlingsystemen (z.B. Roboter für Werkstückwechsel) erweitert und mit Einzelachsen in den Materialfluss der Fabrik eingebunden werden und in entsprechenden Anforderungen an die Steuerungstechnik resultieren. Eine wirtschaftliche Antwort auf die Anforderungen aus unterschiedlichen Branchen ist das Verwenden von Offenen Steuerungen. Mit den Erfahrungen aus anderen Produktbereichen kann man annehmen, dass Konzepte umso erfolgreicher sein werden, je branchenunabhängiger sie ausgeprägt sind, und je geringer der Aufwand für ein branchenspezifisches Tailoring ausfällt. Baukasten­orientierte, offene Lösungen, die eine Wiederverwendung und Anpassung von Steuerungs­software ermöglichen, bieten dann ideale Möglichkeiten, Steuerungssoftware wirt­schaft­lich zu erstellen und am Markt anzubieten.

Erschienen in: Tagungsband zum 3. Workshop Automatisierungstechnische Methoden und Verfahren für die Medizin, 17. und 18. September 2001 an der Ruhr-Universität Bochum
Autoren: T. Bürger, U. Laible, W. Bachmann, D. Scheifele
Schlüsselworte: Operationsroboter, Chirurgie-Roboter, offene Steuerung

Immer öfter werden für chirurgische Eingriffe Robotersysteme eingesetzt, bei denen Instrumente und Werkzeuge durch eine oder mehrere angetriebene Achsen im Manipulatorbetrieb oder automatisch gesteuert werden. Eine Fehlfunktion der antriebsnahen Bahnsteuerung (Robotersteuerung) kann unmittelbar zur Gefährdung von Patienten führen, da diese Steuerung neben Computertomograph, Planungssystem, Navigations­system und Benutzerschnittstelle eine Komponente mit hoher Sicherheitsanforderung ist.

Dieser Beitrag berichtet über das Konzept einer zweikanaligen, fehlersicheren Robotersteuerung, die für einen in der Chirurgie eingesetzten Medizinroboter entwickelt wurde. Dies umfasst die wesentlichen sicherheitsrelevanten Merkmale und Entwicklungsschritte bis hin zur abschließenden Zertifizierung durch den TÜV.

Erschienen in: EDM-Funkey, Juni 2000, S. 79 - 83
Autoren: Günter Pritschow, Alexander Schweiker
Schlüsselworte: Steuerungssoftware, offene Steuerungen, Erodiersteuerung

Aufgrund der besonderen Prozeßanforderungen und den eingeschränkten Stückzahlen gehört das funkenerosive Senken in den Bereich der Sondertechnologien (im Vergleich zu Standardtechnologien wie Fräsen und Drehen). Dies hatte bislang zur Folge, daß keine wirklichen Standard-NC-Steuerungen für das Erodieren am Markt verfügbar sind und somit kein unmittelbarer technologischer und wirtschaftlicher Nutzen aus den Weiterentwicklungen der Standard-NC-Steuerungen gezogen werden kann. Vielmehr existieren für die Erodierbearbeitung zahlreiche herstellerspezifische Soft- und Hardwarelösungen, die auf Dauer keine kostengünstigen Produkte garantieren können und durch teure Sonderentwicklungen an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden müssen.

Deshalb soll hier ein neuer Ansatz vorgestellt werden, wie ausgehend von einem offenen NC-Softwarebaukasten für das fünfachsige Fräsen die notwendigen Erweiterungsmodule für die Erodierbearbeitung integriert werden können. Insbesondere sollen diese Module so ausgelegt werden, daß sie für möglichst viele Technologien mit einem hohen Wiederverwendungswert eingesetzt werden können. Die letztlich verbleibenden spezifischen Erodiererweiterungen sollen dabei auf ein Minimum beschränkt werden. Das fünfachsige Fräsen wird deshalb gewählt, weil hierdurch bereits hohe Synergieeffekte durch Mehrfachverwendung von NC-Funktionen zu erzielen sind. So können z.B. kartesische/kinematische Transformationen, die Werkzeugradiuskorrektur oder Algorithmen zur Splineverarbeitung beim Fräsen und beim Erodieren verwendet werden.

Erschienen in: WB - Werkstatt und Betrieb Jahrg. 133 3/2000
Autor: Dieter Scheifele
Schlüsselworte: Softwarebaukasten für offene Steuerungen

Maschinenhersteller brauchen offene Steuerungen, um möglichst viele Komponenten vom Markt einsetzen und Abhängigkeiten mini­mieren zu können. Nur so können sie bei ihren Maschinen die Geschwindigkeit des technischen Fortschritts selbst bestimmen und gegenüber dem Wettbewerb bestehen.

Erschienen in: Proceedings of the 6th European Conference on Software Quality, Wien, April 1999
Autoren: Dieter Scheifele, Roland Beeh, Thomas Bürger, Thomas Nagel
Schlüsselworte: Konfigurationsmanagement, CNC

Der Stellenwert des Konfigurationsmanagements (KM) ist in kleineren Unternehmen oft nur gering. Know How ist weitgehend nur personengebunden vorhanden, mit dem Weggang eines Entwicklers stirbt die Software. Wiederverwendung von Software findet kaum statt, Änderungen sind nicht nachvollziehbar, die Qualität wird in die Software hineingetestet. Die Versions- und Variantenvielfalt ist nicht mehr überschaubar, der Umfang der Software kann nicht mehr auf herkömmliche Weise verwaltet werden.

Der folgende Beitrag soll zeigen, daß ein im Mittelpunkt der Entwicklung stehendes Konfigurationsmanagement für den Erfolg von Softwareprojekten ebenso notwendig ist wie die Bereiche Projektmanagement, Systementwicklung und Qualitätssicherung. Im Rahmen eines ESSI geförderten Process Improvement Experiment (PIE) wird dies am Beispiel eines offenen, modularen Steuerungssystems aufgezeigt, welches für Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen eingesetzt wird.

Gegliedert ist der Vortrag in eine Kontextbeschreibung, die Problemstellung Konfigurationsmanagement für ein offenes, modulares Steuerungssystem, die bisher erreichten Ergebnisse sowie den Ausblick auf zu erwartende Veränderungen.

Erschienen in: Tagungsband zum Rosenheimer Kolloquiums '98
Autor: Dieter Scheifele
Schlüsselworte: Offene Steuerungstechnik, Vernetzung, CNC

Während hochkomplexe Zentren oder Transferlinien des Werkzeug­maschinenbaues eher bei größeren Produzenten wie in der Automobilindustrie zu finden sind, werden gleichermaßen komplexe Holzbearbeitungs-maschinen eher bei KMU (Klein- und Mittelbetriebe) oder auch in Meisterbetrieben eingesetzt. Dies verlangt von den Steuerungen eine wesentlich stärker ausgeprägte handlungsorientierte Interaktionsfähigkeit. 

Besondere Anforderungen an planende Funktionen sind dadurch gegeben, daß Holzbearbeitungsmaschinen häufig zur Einzelstückbearbeitung verwendet werden, da die Erzeugnisse sehr stark individuell geplant sind und spezifischen geometrischen Randbedingungen gehorchen müssen. Dies zeigt sich in der sehr ausgeprägten Vernetzbarkeit der Steuerungen. Durch den Einsatz bei KMU und Meisterbetrieben ist eine wesentliche Ferndiagnoseunterstützung erforderlich, da eher selten eine hohe Vorortkompetenz bei der Fehlersuche und Fehlerbehebung vorgefunden werden kann.

Erschienen in:Tagungsunterlagen zur ISW Arbeitstagung Steuerungstechnik '96
Autor: Dieter Scheifele
Schlüsselworte: Baukasten, ISG-Systemkonzept, Softwarearchitektur, CNC

Einem Baukasten liegt das Prinzip der Wiederverwendung und damit der Standardisierung zugrunde. Jede Wiederverwendung teilt die Entwicklungskosten auf mehr Nutzungen auf und schafft neue Freiräume zur Qualitätsverbesserung und zum Ausbau der Funktionalität. Zu einem Baukasten gehört ein Systemkonzept und eine Referenzarchitektur. Es gehört dazu ein Vorgehensmodell zur Softwarerstellung und zur Änderung. Und es muß ein Regelwerk geben, wie Fehler und Versionen behandelt werden.

Erschienen in: Tagungsunterlagen zur ISW-Veranstaltung „SOFTWARE-Engineering und CASE-Tools für Steuerungen und Fertigungseinrichtungen“ am 24. November '95
Autor: Dieter Scheifele
Schlüsselworte: NC-Baukasten, Offene Steuerung, ISG-Systemkonzept

Die Firma ISG entwickelt Softwarebausteine zum Aufbau Numerischer Steuerungen. Kun­den dieser auch als "NC-Baukasten" oder "Offenen Steue­rung" bezeichneten Soft­ware sind neben Maschinenherstellern mit eigener Steuerungsent­wicklung auch Steue­rungs­herstel­ler. Derzeit existieren als "Standard" 2½-D Lösungen mit bis zu 9 Achsen in 4 Kanälen für das Fräsen bzw. Schleifen. Aktuelle Entwicklungen befassen sich mit dem Dre­hen und der 5-Achs- bzw. Robotersteuerung.

Alle Softwarebausteine werden in C erstellt und zusammen mit ihrer Dokumentation an den Kunden weitergereicht. Dieser ist dann in der Lage, eigene Module hinzuzufügen bzw. bestehende Funktionen abzu­ändern. Grundlage der Arbeiten ist der im "Systemkonzept" spezifizierte Aufbau. Er legt fest, in wel­cher Form Funkti­ons­bausteine (auch als Beauftragbare Funktionen BF bezeichnet) mit ihrer Außenwelt kommunizie­ren und wie der Datenaustausch stattfin­det. Weitere Beschrei­bungen befassen sich mit der laufzeit­mäßigen Anbindung an einen bzw. mehrere Prozessoren. Grundprinzip der Steuerung ist es, daß Kon­figurationslisten beim Hochlauf der Steuerung ihre Topologie festlegen ("Verdrahtung") (Bild 1) und in Analogie zur objekt­orientierten Instantiierung aus "Baumustern" Funktionsexemplare oder Software-IC bilden.

Besonderheiten des numerischen Steuerns von Maschinen für die Holzbearbeitung

Erschienen in: MM-Maschinenmarkt Heft Nr. 46,
November 1994
Autoren: Karl Frey und Dieter Scheifele
Schlüsselworte: CNC, G-Code, Interpolation, schnelle Steuerung

Weil Maschinen für Holz kostengünstiger sind als solche für Metall, müssen es auch die NC sein, und das trotz steigender Anfor­derungen. Am Beispiel eines firmenübergreifenden Konzeptes aus Standard­hardware und einem Soft­warebaukasten läßt sich zeigen, welche Aufgaben heutige NC erfüllen können.

Erschienen in: HOB Die Holzbearbeitung, Heft 7/8, 
Juli / August 1993
Autor: Dieter Scheifele
Schlüsselworte: Offene Steuerungstechnik, Baukasten für CNC

Der Begriff Offene Steuerungstechnik orientierte sich zunächst überwiegend an gerätetechnischen Kriterien. Hier ist augenscheinlich, dass der Einsatz von Standards wie VME, Multibus, MPST, EISA gegenüber herstellerspezifischen Lösungen Unabhängigkeit von der Innovationskraft eines einzelnen Herstellers verspricht. Der Einsatz einer solcherma­ßen aufgebauten Steuerung suggeriert, dass fehlende Komponenten einfach vom Markt zugekauft werden können. Will man diesen Weg aber beschreiten, stellt man fest, daß Steuerungstechnik mehr als Gerätetechnik ist und Ergänzungen nur möglich sind, wenn der Software-Hersteller dies unterstützt. 

Erschienen in: MM - Maschinenmarkt Heft 45 November 1990
Autoren: Günter Pritschow, Dieter Scheifele, Gerhard Krebser
Schlüsselworte: Funktionsblock, Beauftragbare Funktion, Systemkonzept

Numerische Steuerungen werden heute von den Herstellern als ge­schlossene Systeme mit wenig Möglichkeiten zur Funktionserwei­terung für den Maschinenhersteller angeboten. Zukünftige Lösungen müssen diese Anforderungen mit einheitlichen Steuerungsstruktu­ren und offengelegten Schnittstel­len besser erfüllen. Es wurde des­halb ein Systemkonzept für frei­konfigurierbare offene Steue­rungssysteme entwickelt.