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Fertigung: Ohne Maschinenkommunikation keine Flexibilität

Die Fertigung steht im Zentrum vieler Entwicklungen im Unternehmen, oft unter Namen wie Industrie 4.0 oder Lean Production. Durch die modernen Plattformen ist die Fertigung nicht mehr Endpunkt und „ausführendes Organ“ der vorgelagerten Produktentwicklung, sondern ein integraler Bestandteil des Unternehmens und seiner Datenflüsse. MES und IoT versprechen, Daten aus der Fertigung in die Softwareplattform zurückzumelden – die Schnittstellen für die Kommunikation zwischen Maschinen (M2M-Kommunikation) sind allerdings seltsam unterentwickelt, wie mir letzte Woche auffiel.

M2M Kommunikation in der Fertigung
Die Basis für Industrie 4.0 ist M2M-Kommunikation – aber über welche Schnittstellen (Alle Bilder: GerdAltmann/Pixabay)?

In der letzten Woche hatte ich ein Interview mit zwei Fertigungs- und Plattformspezialisten von Cenit. Das Thema des Interviews waren eigentlich die Prozesse in der Produktentwicklung, mir ging jedoch eine Bemerkung, die eher im Nebensatz fiel, nicht aus dem Kopf: Seit der Entwicklung des G-Code um das Jahr 1950 ist die Abfolge von G- und M-Befehlen nach wie vor die „offizielle“ Sprache computergesteuerter Maschinen. Ein Rückkanal ist dabei zunächst einmal nicht vorgesehen.

So einfach und praktisch eine Sprache wie G-Code sein mag, die aus relativ wenigen Befehlen und nur wenigen Programmierkonstrukten wie Unterroutinen und Verzweigungen, so limitierend ist sie heute. CNC-Maschinen können heute extrem komplex sein, mit vier, fünf oder mehr Achsen, angetriebenen Werkzeugen, mehreren Spindeln – und die damit möglichen, komplexen Bearbeitungen müssen irgendwie in die limitierend wenigen Befehle gequetscht werden. Und so erweiterten und erweitern die Hersteller je nach Bedarf und Funktion der Maschinen den in der Norm DIN 66025/ISO 6983 hinterlegten Befehlssatz.

Dabei wurden die Maschinensteuerungen im Lauf der Jahre immer komplexer. Seit einigen Jahren kommt immer seltener spezielle Hardware zum Einsatz, sondern die Steuerung läuft auf einer Standard-PC-Hardware mit Erweiterungen, die die Achsen und Motoren anlenken. Das ermöglichte es unter anderem, die Maschinen sehr einfach ins Firmennetzwerk einzubinden, um Programme direkt auf die Maschinensteuerung zu transferieren.

Um diese komplexen Maschinen sinnvoll nutzen zu können, haben sich CAM-Systeme entwickelt, die auf Basis einer CAD-Geometrie komplexe Bearbeitungen berechnen. Der Programmierer gibt lediglich das Werkzeug, die betroffenen Bereiche und die Art der Bearbeitung an, das CAM-System berechnet dann die Werkzeugwege. Um die Erweiterungen der Hersteller abzubilden, ist dazu noch ein Postprozessor notwendig, um G-Code zu erzeugen, der von der jeweiligen Maschine wirklich verstanden wird.

Trotz aller Intelligenz in der Vorbereitung der Bearbeitung und der Steuerung der Maschine– am Ende ist es einfacher G-Code, der in die Steuerung eingelesen wird. Soll ein Bauteil auf einer anderen Maschine gefertigt werden, ist wegen der Unterschiede in der Steuerung und Ausrüstung zudem oft ein neuer Postprozessorlauf notwendig.

Fertigungsmaschinen sind heute noch überwiegend Autisten

Jahrzehntelang war ein Rückkanal aus der Maschine in die Unternehmenssoftware uninteressant – Hauptsache, die Maschine arbeitete ihr Programm ab. Mit dem Aufkommen von MES-Systemen, die eine Feinplanung der Fertigung auf Basis von Echtzeitdaten aus den Maschinen etablierten, änderte sich dies. Über mehr oder minder proprietäre Schnittstellen können Maschinen seither bestimmte Parameter nach außen melden. Dabei handelt es sich jedoch vor allem um fertigungslastige Statusmeldungen, die beispielsweise angeben, wie viele Stück eines Teils gefertigt wurden. Es geht um Betriebsdatenerfassung, Rüstzeiten und Rückverfolgbarkeit.

Kommunikation zwischen Maschinen
Wie sollen die Maschinen in der Fertigung miteinander kommunizieren?

Mit IoT etabliert sich nun auch noch ein dritter Kommunikationspfad, bei dem es schließlich tatsächlich um technische Daten wir Lagertemperaturen, Schwingungen, Drehzahlen und anderes geht. Aktuell werden diese IoT-Schnittstellen oft parallel zur Steuerung und nachträglich an die Maschinen gepflanzt, aber die IoT-Daten lassen sich natürlich auch direkt über die Steuerung verarbeiten und weiterkommunizieren. Inzwischen werden die beiden Rückkanäle für Betriebsdaten und technische Daten auch zusammengefasst und beispielsweise über die OPC-UA-Schnittstelle übertragen.

Aber – und das war der Gesichtspunkt, der mich ins Nachdenken brachte – ist das wirklich Kommunikation? Hin geht es über eine proprietäre, überforderte, zeilenorientierte Sprachschnittstelle, zurück über modernere, aber völlig getrennte Schnittstellen.

Ein Beispiel: Der Steuerung wird mittels G-Code mit „M03 S10000“ der Auftrag gegeben, die Spindel im Uhrzeigersinn und mit 10.000 Umdrehungen zu starten. Die Information, dass sich die Spindel nun tatsächlich mit 10.000 U/min im Uhrzeigersinn dreht, soll an einen anderen Prozess weitergegeben werden. Es gibt aber eben keinen „G-Code-Rückkanal“! Die Rückmeldung muss von der Steuerung in eine andere Maschinensprache übersetzt und auf einem anderen Medium zurückgemeldet werden.

Zusammenarbeit von Maschinen in der Fertigung – auf welcher Basis?

Man stelle sich nun vor, zwei oder mehr Maschinen, Roboterarme und andere Geräte sollen flexibel zusammenarbeiten – wie es beispielsweise in Industrie 4.0-Szenarien üblich werden soll. Hier wird die Maschine-Maschine-Kommunikation zum Alptraum, vor allem sind die meisten Maschinen heutzutage noch „Autisten“ die mit minimaler Interaktion nach außen in ihrer eigenen Welt leben.

Diese triviale Erkenntnis zeigt einmal mehr, wie weit der Weg zu einer wirklich intelligenten Produktion ist, in der eine Maschine ihrer Kollegin sagen kann: „Ich halte Dir gerade ein Teil hin, kannst Du da bitte ein Loch reinbohren?“ Denn das ist ja das Ziel von Industrie 4.0: Ohne großen Programmieraufwand eine Zusammenarbeit der Fertigungsanlagen zu erreichen, die sich ständig auf neue Gegebenheiten, Produkte und Abläufe einstellen kann. Und so lange braucht es auch noch den Menschen, der ein Teil aus einer Maschine aus- und in die nächste einspannt, sowie seinen hochspezialisierten Kollegen, der hochkomplexe Bearbeitungen am CAM-System programmiert.

Zu diesem Thema würde mich die Meinung meiner Leser sehr interessieren. Vielleicht ist die Technik ja auch schon weiter als ich glaube – ich freue mich auf Ihre Kommentare!

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