Digitaler Zwilling

Mit bedienerseitigen Eingriffsmöglichkeiten erlauben semi-autonome Systeme eine bessere Bewältigung auftretender Komplexitäten als vollautonome Systeme. Der Einsatz eines digitalen Zwillings ermöglicht eine neuartige Schnittstelle für die Interaktion mit solchen Systemen. Dieser Beitrag beschreibt die Implementierung der Steuerung und Nutzerschnittstelle in einem System mit digitalem Zwilling. Es wird gezeigt, wie die entwickelte Steuerungsarchitektur die Einbindung verschiedener Methoden der Mensch-Technik-Interaktion und die Durchführung virtueller Schulungen ermöglicht. Auf diese Weise kann die Steuerung des Systems über die Betriebsphase hinaus in anderen Phasen des Lebenszyklus verwendet werden.

Der Digitale Zwilling ist auf dem besten Weg, ein elementarer Bestandteil der Unternehmenswelt zu werden. Unternehmenslenker erhoffen sich durch diese intelligenten Abbilder einer immer dynamischeren Unternehmensrealität eine deutliche Komplexitätsreduktion. Idealerweise können modellbasierte Analysen und (teil-)automatisierte Entscheidungen mittels Methoden der Simulationstechnik und der Künstlichen Intelligenz auf Basis eines optimierten IoT-Datenmanagements ihren Beitrag zu einer Unternehmensagilität leisten. Im Rahmen des Beitrags werden neben der Begriffs-/Konzeptdefinition sowohl aktuelle Herausforderungen thematisiert als auch verschiedene Anwendungsbeispiele vorgestellt. Darauf aufbauend wird ein Vorgehensmodell für die Einführung von Digitalen Zwillingen im Sinne der Technologiemigration präsentiert.

In der heutigen Industrie 4.0 müssen variantenreiche Robotersysteme eingesetzt werden, die mit Menschen kooperieren, um die Produktion flexibel auf Kundenwünsche anzupassen. Hierfür wird nachfolgend ein Ansatz vorgestellt, der die Steuerungssoftware mit Standard-Funktionsbausteinen für verschiedene Achsengruppen modular zusammenstellt und mit einem digitalen Zwilling in der Simulation erprobt. Die Robotersimulation basiert auf der Spielesoftware UnReal und kann durch Vorgabe der Denavit-Hartenberg-Parameter leicht auf unterschiedliche Kinematiken angepasst werden. Nach erfolgreicher virtueller Inbetriebnahme wird der Roboter durch Einzelachsen ebenso modular zusammengesetzt wie die Steuerungssoftware. Je nach Anwendung können Achsen hinzugefügt oder weggelassen werden. Der Ansatz ermöglicht einen schnellen und einfachen Entwurf des Robotersystems, seiner Steuerungssoftware und der Simulation für unterschiedliche Bewegungsaufgaben in der digitalen Fabrik.

Produktionsanlagen sind heute auf die Massenproduktion identischer Güter ausgelegt. Zwar besitzen sie oft eine gewisse Flexibilität, diese ist aber vorab klar definiert. Im Kontrast zu Flexibilität, wobei es sich um die Fähigkeit handelt, zwischen vordefinierten Produktvarianten zu wechseln, steht die Wandlungsfähigkeit. Die Wandlungsfähigkeit einer Anlage beschreibt die Fähigkeit, auch ungeplante Änderungen effizient durchzuführen. Diese sind heute mit einem hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Wandlungsfähigkeit erlaubt es Produzenten schneller auf veränderte Nachfragesituationen zu reagieren und auch Produktionsaufträge, die nur kleine Stückzahlen umfassen, effizient zu fertigen. Das Ziel hierbei ist es, eine effiziente Fertigung von Aufträgen mit der Losgröße Eins zu erreichen, also die individualisierte Massenproduktion. Bei dem Konzept des Digitalen Zwillings handelt es sich dabei um ein Schlüsselkonzept zur Umsetzung der geforderten Wandlungsfähigkeit.

Simulation wird branchenübergreifend als wichtiges und etabliertes Werkzeug für moderne Engineering-Prozesse betrachtet. Insbesondere die Automatisierung komplexer Produktionsanlagen verwendet Modellierungs- und Simulationstechniken in verschiedenen Projektphasen, um sowohl die Anlage, aber auch das Produkt in bestmöglicher Qualität zu entwickeln. Die jüngsten Trends rund um die Digitalisierung von Produktionsanlagen bestärken die Relevanz von virtuellen Engineering-Szenarien. Dieser Beitrag beschreibt die Notwendigkeit von domänen- und werkzeugübergreifenden Standards für die Modellierung von mechatronischen Anlagen und Maschinen im Rahmen eines digitalen Zwillings.

Industrieunternehmen ergänzen zunehmend ihr Angebot an physischen Produkten um produktnahe Dienstleistungen mit dem Ziel, sich dadurch von anderen Anbietern am Markt zu differenzieren. Um eine bestmögliche Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit erzielen zu können, muss jedoch die individuelle Anpassung der Dienstleistungen an das zugrunde liegende Produkt sichergestellt und die Wechselwirkungen von Sach- und Dienstleistungen im Laufe der Entwicklung adäquat berücksichtigt werden. Das Vorhandensein einer konsistenten Methode zur durchgängigen Produkt- und Prozessmodellierung aller materiellen Produkte (Sachleistungen) und immateriellen Produkte (Dienstleistungen) eines Unternehmens ist daher zu einer wichtigen Voraussetzung für ein ganzheitliches Geschäftsprozessmanagement geworden.