Führende Universität setzt CNC- und 3D-Simulationssoftware mit offener Architektur von NUM für Maschinenbau-Lehrveranstaltungen ein

Das renommierte College of Engineering der Purdue University hat beschlossen, eines seiner wichtigsten Lernlabors mit CNC-Systemen und 3D-Simulationssoftware mit offener Architektur von NUM auszustatten. Durch diese Ausrüstung erhalten die Studierenden CNC-Programmiererfahrung aus erster Hand, und sie können sich mit den Betriebs- und Steuertechniken moderner CNC-Werkzeugmaschinen vertraut machen. Dabei kommt eine leistungsfähige Verbindung aus virtuellen Maschinen und physisch vorhandenen Hochleistungs-CNC-Demonstratorsystemen zum Einsatz.

Die Purdue University ist eine der führenden universitären Forschungseinrichtungen der USA und beherbergt eine der grössten ingenieurwissenschaftlichen Fakultäten des Landes. Das dortige College of Engineering umfasst 14 Schulen und Institute, die jeweils auf eine bestimmte Fachrichtung der Ingenieurwissenschaften spezialisiert sind, und expandiert derzeit stark weiter. Im Rahmen des Ausbaus rüstet die Purdue University das Maschinenbaulabor auf dem Hauptcampus der Universität auf. Das Labor wird hauptsächlich verwendet, um den Studierenden die Grundlagen der CNC-Steuerung und -Programmierung zu vermitteln und ihnen eine Einführung in maschinenbasierte Produktionsverfahren und -techniken zu bieten. Derzeit ist es mit mehreren zweiachsigen CNC-Demonstratoren auf der Grundlage von NUM 760 und CNC-Systemen der Serie 10xx sowie einem 2D-Simulator von NUM ausgestattet.

Professor Yung C. Shin, der für den gesamten CNC-Forschungs- und Lehrbetrieb an der Schule für Maschinenbau verantwortlich ist, erklärt: „Als wir in den 1990er-Jahren das Maschinenbaulabor einrichteten, haben wir uns die CNC-Systeme zahlreicher Hersteller angesehen. Die meisten Systeme waren jedoch wie eine Blackbox, sodass ihr Betrieb schwer nachvollziehbar war. Das ist alles andere als ideal, wenn man wie wir die Grundlagen der CNC-Steuerung vermitteln will. Daher haben wir beschlossen, unsere Lehrplattform auf der Grundlage von CNC-Systemen von NUM aufzubauen, vor allem aufgrund der offenen Architektur und der Tatsache, dass NUM uns mit Begeisterung dabei unterstützt hat, ihre Produkte zu diesem Zweck einzusetzen. Die Offenheit der CNC-Systeme, insbesondere in Bezug auf den NC-Code und die I/O-Anlagen, ermöglicht uns, den Datenaustausch zwischen PLC, CNC und Antriebselektronik deutlich zu zeigen, und vereinfacht die Integration mit den anderen Laborgeräten. Da viele CNC-Maschinen, die wir in unseren Produktionsforschungslabors verwenden, auf CNC-Systemen von NUM basieren, gibt es ausserdem viele Übereinstimmungen bei der Codierung.“

NUM fungiert seit etwa 24 Jahren als CNC-Partner der Schule für Maschinenbau. Steven Schilling, Geschäftsführer der NUM Corporation in Naperville, Illinois, betont, wie wichtig eine so langfristige Unterstützung für Bildungseinrichtungen ist: „Das Personal der Purdue University kann jederzeit auf unseren technischen Support zählen und bekommt immer Hilfe von unseren Ingenieuren, wenn die CNC-Systeme für neue Projekte umkonfiguriert oder neu programmiert werden müssen. Durch diese enge Zusammenarbeit wird gewährleistet, dass die CNC-Laborausstattung der Purdue University über die neuesten Funktionen und Werkzeuge verfügt, um den Studierenden dabei zu helfen, neue Bearbeitungstechnologien zu entwickeln.“

Die jüngste Aufrüstung der CNC-Ausstattung des Maschinenbaulabors ist umfangreich. NUM hat zwei für Fräsanwendungen konfigurierte Flexium-68-CNC-Systeme mit je einem NCK (numerischer Steuerungskernel), PLC und HMI sowie mit 3D-Simulatorhardware und -software und zusätzlich Simulator-Dongles für vier PCs geliefert. Flexium 68 bietet eine sehr vielseitige Grundlage für Lehr- und Forschungsanwendungen wie diese, bei denen sich Maschinentyp und Steuerungsansatz im Laufe der Zeit ändern. Der NCK bringt serienmässig bis zu 5 Achsen/Spindeln mit vollständiger Interpolation auf 4 Achsen auf einem einzigen Kanal unter. Durch einzelne NCK-Optionen kann dies auf bis zu 32 Achsen/Spindeln auf bis zu 8 Kanälen mit bis zu 9 interpolierten Achsen pro Kanal ausgebaut werden. Konfigurationen mit mehreren NCK können sogar mit über 200 Achsen umgehen.

Zur Verbesserung der Ergonomie verfügt das Labor über zwei Desktopkonsolen für die Interaktion von Mensch und Maschine. Jede Konsole ist mit einem FS152i-Bedienfeld von NUM und einem MP04-Maschinenfeld mit CAN-Schnittstellen ausgestattet. Die Bedienfelder verfügen über 15-Zoll-LCD-Bildschirme und integrierte Industrie-PCs mit Solid-State-Laufwerken, die mit einer eingebetteten Windows-Version betrieben werden und an das Ethernet-Netzwerk der Universität angeschlossen sind. Jede Konsole kann zur Simulation oder zur Steuerung der CNC-Demonstratoren im Labor verwendet werden. Darüber hinaus hat NUM alle Motoren, Antriebe, Stromversorgungselemente und sonstige Hardware für zwei weitere zweiachsige Demonstratoren geliefert. Beide verbinden die biaxialen Servoantriebe NUMDrive C der jüngsten Generation mit bürstenlosen BPH-Servomotoren. Eine dieser Maschinen verfügt über die Hochleistungsversion des Antriebs mit Hochleistungsregelkreisen, um die Erforschung von Anwendungen mit sehr schneller oder genauer Kinematik zu ermöglichen.

Mit Hilfe von Flexium können die Studierenden und graduierten Wissen-schaftler/-innen der Purdue University CNC-Techniken jetzt sehr detailliert untersuchen. Alle Einstellungen und Programmierungen von CNC, Servoantrieb, I/O und PLC erfolgen mit Hilfe eines einheitlichen Software-Toolsets, um dazu beizutragen, die Lernkurve zu verkürzen, die Produktivität und die Zufriedenheit am Arbeitsplatz zu steigern sowie gemeinschaftliche Anstrengungen zu fördern. Die systeminhärente offene Architektur hat zahlreiche Vorteile. Mit Industriestandard-Editoren und -Sprachen wie HTML, JavaScript, Visual Basic, Delphi, C oder C++ lassen sich einfach anwendungsspezifische HMIs (Mensch-Maschine-Schnittstellen) erstellen oder ändern. Das PLC hingegen lässt sich mit jeder IEC-61131-3-kompatiblen objektorientierten Grafik- oder Textsprache programmieren. Darüber hinaus können Studierende, die eine NCK-Steuerung auf niedriger Ebene benötigen –  etwa für Achsentransformationen in Echtzeit –, dynamische Operatoren im Code verwenden, während Techniken wie Echtzeitausgleich durch in die Servoantriebe eingebettete Regelkreismakros entwickelt werden können.

Die 3D-Grafiksimulationsmöglichkeiten mit Flexium, die die Purdue University im Maschinenbaulabor schafft, werden die Flexibilität bei der Arbeit signifikant steigern. Bisher war die Simulationssoftware auf eine physische Verbindung zum CNC-System angewiesen, sodass sie jeweils nur von einer Studentin bzw. einem Studenten genutzt werden konnte. Ausserdem war sie auf die grundlegende 2D-Simulation von Pfadzeilen beschränkt. Jetzt verfügt das Labor über sechs separate Simulatorstationen – zwei an den Desktopkonsolen und vier an Einzel-PCs –, die alle einzeln zur echten 3D-Simulation von Werkstücken fähig sind, ohne auf ein CNC-System zugreifen zu müssen. Zudem werden sechs weitere Netzwerk-PCs installiert, sodass die Studierenden die Simulationen an verschiedenen Standorten durchführen können.

Die Studierenden sind nun in der Lage, jedes ISO-Code-Teilprogramm, das sie geschrieben haben, zu simulieren und zu optimieren und dabei den Mittelpunktpfad des Werkzeugs sowie den Materialabtrag vom Werkstück vollständig zu visualisieren. Dabei werden sie durch eine automatische Prüfung auf Kollisionen zwischen Maschinenbestandteilen, Werkzeug und Werkstück unterstützt. Die Simulationssoftware unterstützt derzeit das Drehen auf drei bis fünf Achsen und das Fräsen/Bohren sowie das Wasserstrahl- und Plasmakonturschneiden. Dabei kann sehr einfach zwischen den Anwendungen gewechselt werden. Die Software erstellt ein dynamisches Farbbild und stellt das Werkstück als 3D-Volumen dar, das gedreht und aus jeder Perspektive betrachtet werden kann.

Die Purdue University plant, den Studierenden die neue CNC-Ausstattung ab Herbst zur Verfügung zu stellen. Professor Shin erläutert: „Wir müssen so schnell wie möglich in der Lage sein, mehr Studierenden Erfahrungen aus erster Hand bei der CNC-Programmierung und -Visualisierung zu bieten. Der inländische Automationstechnikmarkt befindet sich dank Verfahren wie der Herstellung von Additiven wieder im Aufschwung, und CNC-Programmierkenntnisse sind wieder sehr gefragt. Die Studierenden sind von der CNC-Programmierung begeistert, weil sie die Ergebnisse ihrer Bemühungen sehen können – sei es am Simulator, am CNC-Demonstrator oder an der Werkzeugmaschine. Deshalb ist unsere neue Anlage ein so wichtiges Ausbildungswerkzeug. Etwa 65 Prozent unserer Absolventen schlagen eine Karriere in der Produktion ein, und viele sind mittlerweile selbst Professoren geworden. Der Gedanke gefällt mir, dass sie sich bei der Einrichtung ihrer eigenen Labors an die Grundlagen erinnern, die wir ihnen vermittelt haben.“