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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von zueinander gleichen Teilen durch Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zur Herstellung von zueinander gleichen Biegeteilen durch zwei- oder dreidimensionales Biegen von Abschnitten eines langgestreckten Werkstücks, insbesondere eines Drahtes oder eines Rohres, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Bei der automatisierten Herstellung von zwei- oder mehrdimensional gebogenen Biegeteilen mit Hilfe numerisch gesteuerter Biegemaschinen werden die Bewegungen von Maschinenachsen einer Biegemaschine mit Hilfe einer Steuereinrichtung koordiniert angesteuert, um an dem Werkstück, beispielsweise einem Draht, einem Rohr, einer Leitung oder einem Stab, durch plastisches Umformen eine oder mehrere bleibende Biegungen zu erzeugen. In einem Biegeprozess wird dabei mindestens ein Abschnitt des Werkstücks durch eine oder mehrere Zufuhroperationen, wie Einziehen, Positionieren und/oder Orientieren, in eine Ausgangsstellung im Eingriffsbereich eines Biegewerkzeugs bewegt und mit Hilfe des Biegewerkzeugs in mindestens einer Biegeoperation durch Biegen umgeformt.
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Wenn in einer Biegeoperation eine Biegung hergestellt wird, wird das freie Ende des Biegeteils, welches gegebenenfalls bereits ein- oder mehrfach gebogen ist, um ein Teil des Biegewerkzeuges, beispielsweise einen feststehenden Biegedorn, herumgeführt. Insbesondere bei der Biegeoperation, ggf. aber auch bei der Positionierung des Werkstücks und/oder bei einem Wechsel der Biegeebene, kann der freie Endabschnitt des Werkstücks Bewegungen und Beschleunigungen ausgesetzt sein, die zu Schwingungen des freien Endabschnitts führen können. Dieser Effekt der Erzeugung von Schwingungsbewegungen freier Werkstückabschnitte im Biegeprozess wird gelegentlich als „Peitscheneffekt“ bezeichnet.
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Der Peitscheneffekt wirkt sich in der Regel negativ auf die Stückleistung aus. Durch Schwingungsbewegungen kann es sogar zu unerwünschten plastischen Verformungen am Biegeteil kommen. Die Größe, die Länge und damit die Masse bzw. die Massenträgheit des Werkstücks sowie seine Steifigkeit haben dabei entscheidenden Einfluss auf das Ausmaß und die Art der unerwünschten Schwingungsbewegungen.
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Wenn Probleme mit Schwingungen des Biegeteils auftraten oder erwartet wurden, wurden häufig die Geschwindigkeiten und/oder die Beschleunigungen der Maschinenachsen bei schwingungskritischen Bewegungen so weit reduziert, dass Schwingungen nur noch in einem nicht störenden Ausmaß oder idealer Weise gar nicht mehr auftreten. Alternativ oder zusätzlich wurden teilweise Beruhigungszeiten zwischen den einzelnen Bewegungen programmiert. Diese Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens basierten auf dem Wissen und Können des Anwenders und setzen sehr erfahrene Maschinenbediener voraus. In jedem Fall wurde die Stückleistung der Biegemaschine durch diese Maßnahmen begrenzt, wodurch letztendlich die Herstellungskosten der Biegeteile steigen.
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In der
DE 10 2010 007 888 A1 (entsprechend
US 8,573,019 B2 ) werden Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, die sich dadurch auszeichnen, dass während einer schwingungsrelevanten Bewegung einer oder mehrerer Maschinenachsen in mindestens einem Kompensationszeitintervall eine die Schwingungserzeugung vermindernde und/oder eine Schwingungsenergie aus dem schwingenden Endabschnitt abziehende Kompensationsbewegung erzeugt wird. Die Bewegungsprofile von schwingungsrelevanten Bewegungen werden dabei im Vergleich zu entsprechenden Bewegungsprofilen herkömmlicher Verfahren gezielt so modifiziert, dass Schwingungen von störendem Ausmaß von vorneherein unterdrückt werden und/oder dass die Amplitude entstandener Schwingungen durch Schwingungsenergieentzug so stark reduziert wird, dass unvermeidliche Restschwingungen so geringfügig sind, dass der Biegeprozess dadurch praktisch nicht beeinträchtigt wird. Hierdurch ist eine erhebliche Steigerung der Stückleistung bei mindestens gleichbleibender Teilequalität möglich geworden.
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Maschinenhersteller treiben aufwändige Entwicklungsarbeit, um ihren Kunden immer besser nutzbare und flexibler einsetzbare Maschinen bereitzustellen. Gerade bei Biegemaschinen mit vielen unabhängig voneinander steuerbaren Maschinenachsen nimmt die Komplexität der technischen Möglichkeiten rasch zu, so dass die Anforderungen an die fachliche Qualifikation und Erfahrung der Bediener stetig steigen.
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Im Bereich der Maschinensteuerung werden dem Endnutzer Weiterentwicklungen häufig in Form von zusätzlichen und/oder modifizierten Software-Paketen angeboten. Die Software-Entwicklungskosten werden dann üblicherweise mindestens zum Teil in Form von Einmalzahlungen für den Erwerb eines Software-Pakets oder in Form von Jahreslizenzen oder dergleichen vom Endnutzer mitbezahlt. Solche Zahlungen sind üblicherweise unabhängig von der damit produzierten Stückzahl und Anzahl unterschiedlicher gefertigter Teile.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Teilen zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Anwender die technischen Möglichkeiten einer komplexen Produktionsmaschine bei günstigen Betriebskosten angepasst an den eigenen Bedarf optimal nutzen kann. Insbesondere soll das Verfahren bei der Herstellung von Biegeteilen durch zwei- oder dreidimensionales Biegen langgestreckter Werkstückabschnitte nutzbar sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei dem Verfahren werden zunächst die für ein zu produzierendes Teil spezifischen Teileparameter und ein Qualitätsstandard vorgegeben, um gewünschte Eigenschaften der zu produzierenden Teile zu definieren. Dadurch kann beispielsweise die Teilegeometrie vorgegeben werden. Zu den Qualitätsstandards gehören vor allem die Toleranzen, innerhalb derer Abweichungen von der Soll-Geometrie noch zulässig sind, so dass ein gefertigtes Teil noch als Gutteil anzusehen ist.
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Danach wird durch einen Anwender ein Satz erster Einstellparameter für die Produktionsmaschine ermittelt, die genutzt werden sollen, um die vorab definierten Teile herzustellen. Die ermittelten ersten Einstellparameter werden dann an der Produktionsmaschine oder an einer virtuellen Produktionsmaschine (Simulation der Eigenschaften der Maschine auf einem Softwaresystem) eingestellt, um damit eine Vielzahl erster Teile in einem ersten Produktionszyklus unter Verwendung der ersten Einstellparameter zu produzieren. Bei dieser „Produktion“ kann es sich um eine reale Produktion echter Teile mithilfe der Produktionsmaschine handeln. Es ist auch möglich, mittels eines NC-Code-Simulators den Produktionsprozess unter Verwendung der ersten Einstellparameter rechnerisch zu simulieren und die Taktzeit zu ermitteln („Virtuelle Produktionsmaschine“). In jedem Fall wird der Anwender sich in dieser Phase bemühen, einen Satz erster Einstellparameter zu finden, mit denen die ersten Teile innerhalb des Qualitätsstandards möglichst schnell, d.h. mit möglichst hoher Stückleistung (Teile pro Zeiteinheit), hergestellt werden können. Diejenige maximale Stückleistung, die ein Anwender durch seine Einstellungsversuche erreichen kann, wird hier als „erste Stückleistung“ bezeichnet.
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Erfahrungsgemäß sind die erzielbaren ersten Stückleistungen umso höher, je qualifizierter und erfahrener der die Einstellung vornehmende Maschinenbediener ist. Das Auffinden eines optimierten Satzes erster Einstellparameter ist in der Regel ein zeitraubender iterativer Prozess, bei dem vernünftige Kompromisse hinsichtlich Stückleistung und Teilequalität gefunden werden müssen. Diese Arbeit wird umso aufwändiger, je komplexer das Zusammenspiel der Ansteuerung von vielen miteinander kooperierenden Maschinenachsen ist. Wenn eine aus Sicht des Anwenders optimale Einstellung gefunden ist, wird ein erster Stückleistungswert ermittelt, der die erste Stückleistung repräsentiert. Der erste Stückleistungswert wird elektronisch oder auf andere Weise gespeichert bzw. festgehalten.
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Das Verfahren beinhaltet weiterhin die Berechnung eines Satzes zweiter Einstellparameter mithilfe einer Simulationsrechnung unter Verwendung der gleichen teilespezifischen Teileparameter und des gleichen Qualitätsstandards. Diese Berechnung wird unabhängig von denjenigen Versuchen durchgeführt, mit denen der Anwender versucht, einen optimalen Satz erster Einstellparameter zu finden. Die Berechnung der zweiten Einstellparameter kann zeitlich vor oder zeitlich nach Ermittlung der ersten Einstellparameter ablaufen, ggf. auch zeitlich überlappend, also mindestens phasenweise gleichzeitig.
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Beim Berechnen des Satzes zweiter Einstellparameter werden optimale Achsverfahrwege, Achsverfahrgeschwindigkeiten, Achsverfahrbeschleunigungen der am Herstellungsprozess beteiligten Maschinenachsen spezifisch für das jeweilige Teil durch eine gegebenenfalls äußerst rechenzeitintensive Simulationsrechnung berechnet. Die zweiten Einstellparameter repräsentieren das Ergebnis dieser rechnergestützten Optimierungsoperation. Die Optimierung kann zum Beispiel bei einem Biegeprozess insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung oder Minimierung von Schwingungen beim Produzieren des jeweiligen Biegeteils durchgeführt werden. Die zweiten Einstellparameter können dabei so berechnet werden, dass im Biegeprozess entstehende Schwingungen durch Ausgleichs- oder Kompensationsbewegungen der beteiligten Werkzeuge bzw. Maschinenachsen ausgeglichen und gegebenenfalls getilgt werden. Beim Durchführen der Produktion auf Basis der zweiten Einstellparameter ist dann in der Regel durch Reduzierung von Schwingungen eine Steigerung der Teilequalität möglich. Vor allem aber ergibt sich in aller Regel eine erhebliche Steigerung der Produktivität durch gesteigerte Ausbringung von Gutteilen. Die Produktivität kann hierbei quantifiziert werden durch die maximal erreichbare Stückleistung (Anzahl von Teilen pro Zeiteinheit), mit der die Teile ohne störende und ungewollte plastische Deformationen vor allem durch Schwingungseffekte hergestellt werden können.
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Der ermittelte Satz zweiter Einstellparameter wird dann an der Produktionsmaschine (des Anwenders) oder einer zu der Produktionsmaschine äquivalenten, beispielsweise baugleichen, Referenzmaschine eingestellt. Dann wird eine Vielzahl zweiter Teile in einem zweiten Produktionszyklus unter Verwendung der zweiten Einstellparameter hergestellt. Diese zweiten Teile werden innerhalb des Qualitätsstandards mit einer zweiten Stückleistung produziert, welche diejenige maximale Stückleistung repräsentiert, die unter Verwendung der zweiten Einstellparameter erreichbar ist. Auf Basis dieser Werte wird ein die zweite Stückleistung repräsentierender zweiter Stückleistungswert ermittelt und elektronisch oder auf andere Weise gespeichert.
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Es liegen nun zwei auf unabhängige Weisen ermittelte Stückleistungswerte für dasselbe zu produzierende Teil vor. Wenn die zweite Stückleistung größer als die erste Stückleistung ist, entspricht dies einem Produktivitätsgewinn bzw. Produktionszeitgewinn, der sich ergibt, wenn anstelle der (vom Anwender ermittelten) ersten Einstellparameter die (durch Simulationsrechnung ermittelten) zweiten Einstellparameter gewählt werden.
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Gemäß dem Verfahren wird nun dem Anwender z.B. an der Produktionsmaschine eine Auswahloption bereitgestellt, um anstelle der selbst gefundenen ersten Einstellparameter (oder auf andere Weise ermittelter Einstellparameter) wahlweise die Produktionsmaschine mit den durch die Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern zu betreiben.
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Ein Anwender kann also auf Basis eines Vergleichs der unterschiedlichen zur Verfügung stehenden Stückleistungen entscheiden, ob die eigene Einstellung (erster Einstellparameter) oder die mittels Simulation optimierte zweite Einstellung (zweiter Einstellparameter) genutzt werden soll. Bei Auswahl der Nutzung mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern kann das Leistungspotential der Produktionsmaschine auch durch einen weniger erfahrenen Bediener vollständig ausgeschöpft werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird bei einer Nutzung der Produktionsmaschine mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern ein dadurch erzielter Produktionszeitgewinn ermittelt. Der Produktionszeitgewinn errechnet sich dabei z.B. aus der Differenz der (mit den ersten Einstellparametern erzielbaren) ersten Stückleistung und der (mit den zweiten Einstellparametern erzielbaren) zweiten Stückleistung multipliziert mit der Anzahl der produzierten Teile in der Zeit, in welcher anstelle der ersten Einstellparameter die zweiten Einstellparameter genutzt werden. Vorzugsweise wird einem Anwender nur eine dem Produktionszeitgewinn proportionale Gegenleistung belastet. Dadurch ist eine für den Anwender und für den Maschinenhersteller vorteilhafte Vorgehensweise möglich. Dem Anwender wird nur dann eine Gegenleistung belastet, wenn er die durch die aufwändige Simulation ermittelten zweiten Einstellparameter nutzt, und zwar nur entsprechend dem Mehrwert, den der optimierte Bewegungsablauf gegenüber dem durch eigene Einstellung erzielbaren Bewegungsablauf tatsächlich erbracht hat. Auf Seiten des Entwicklers des Programms für die Simulationsrechnung und/oder des Herstellers ergibt sich eine Motivation, die Simulation so leistungsfähig zu gestalten, dass dem Anwender der Produktionsmaschine ein echter Mehrwert entsteht, wenn er sie Simulationsergebnisse nutzt. Je besser diese Zielvorgabe erreicht wird, desto höher ist auch auf Seiten desjenigen, der die Simulation entwickelt und durchführt, der Nutzen. Auf diese Weise kann der Bereitsteller der Simulationsrechnung (z.B. ein Hersteller der Produktionsmaschine) an tatsächlich erzielten Einsparungen des Anwenders bezüglich Produktionszeit beteiligt werden. Dem Anwender ist die Wahlmöglichkeit gegeben, diesen Mehrwert zu nutzen oder nicht.
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Zur Realisierung dieser Funktionalität kann während einer Nutzung der Produktionsmaschine mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern eine Zähloperation zur Ermittlung eines der Nutzungsdauer proportionalen Produktionszeitgewinns oder einer dazu proportionalen Größe durchgeführt werden. Hierzu kann in der Steuereinheit der Produktionsmaschine eine geeignete Zählereinheit beispielsweise mittels Software realisiert sein. Hierdurch ist eine objektive Erfassung des durch den Anwender erzielten Mehrwerts ohne Eingriff von außen möglich.
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Eine besonders anwenderfreundliche Lösung kann dadurch realisiert werden, dass in einem Speicher der Steuereinheit ein Produktionszeitgewinn-Guthaben (bzw. ein entsprechender Datensatz) gespeichert wird und dass der durch Nutzung der Produktionsmaschine mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern erzielte Produktionszeitgewinn (bzw. entsprechende Daten) von dem Produktionszeitgewinn-Guthaben, vorzugsweise laufend, abgezogen wird. Hierdurch kann eine Prepaid-Funktion für Produktionsmaschinen realisiert werden, bei der es der Anwender komplett in der Hand hat, ob, wann und in welchem Umfang er einen durch die aufwändige Simulation erzielbaren Produktionszeitgewinn realisieren möchte.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Option der Nutzung der Produktionsmaschine mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern gesperrt wird, wenn das Produktionszeitgewinn-Guthaben aufgebraucht ist. In diesem Fall kann sich die Produktionsmaschine automatisch auf einen Betrieb mit den ersten Einstellparametern oder mit anderen vom Anwender eingegebenen Einstellparametern umstellen. Die Produktionsmaschine kann auch ohne die zweiten Einstellparameter in vollem Umfang weiter betrieben werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Sperrung der Nutzung der Produktionsmaschine mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern nicht unmittelbar nach Aufbrauchen des Produktionszeitgewinn-Guthabens wirksam wird, sondern zu einem anderen Zeitpunkt, der durch geeignete Bedingungen definiert sein kann. Auf diese Weise kann gegebenenfalls ein Kredit für Produktionszeitgewinn realisiert werden.
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Bei manchen Varianten werden im Rahmen der Simulationsrechnung Berechnungen nach einer Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Dabei werden partielle Differenzialgleichungen numerisch gelöst. Bekanntlich liefert diese Methode Näherungsfunktionen an exakte Lösungen von Differenzialgleichungen, wobei deren Genauigkeit durch die Erhöhung der Freiheitsgrade und damit des Rechenaufwands verbessert werden kann. Vorteilhafte Bewegungsabläufe beim Betrieb einer Draht- oder Rohrbiegemaschine sind beispielhaft in der
DE 10 2010 007 888 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird. Mit der Simulationsrechnung ist auch eine Ermittlung einer tatsächlichen Biegegeschwindigkeit ohne Maschine möglich. Ein bei der Simulationsrechnung berücksichtigtes Kriterium für ein „zu starkes“ Schwingen kann z.B. die Überschreitung einer Spannung im Bereich des Biegeteiles durch das Schwingen sein, welche zu einer plastischen Deformation führen kann.
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Es hat sich beispielsweise bei der Berechnung von optimierten Bewegungsabläufen für Maschinenachsen bei Biegeoperationen herausgestellt, dass bei den derzeit verfügbaren Rechenleistungen kommerzieller Recheneinheiten Rechenzeiten in der Größenordnung von mehreren Tagen oder auch mehreren Wochen anfallen können, um Bewegungsabläufe immer weiter zu optimieren. Es scheint in vielen Fällen nicht sinnvoll, derartig hohe Rechenleistungen in einer Recheneinheit der Produktionsmaschine vorzuhalten. Daher wird bei manchen Ausführungsformen der Satz zweiter Einstellparameter unter Verwendung einer von der Steuereinheit gesonderten externen Recheneinheit berechnet. Dadurch kann erreicht werden, dass an der Produktionsmaschine selbst keine für Simulationsrechnungen ausreichend leistungsfähige Recheneinheit vorgehalten werden muss. Es reicht aus, wenn die Steuereinheit für die Steuerungsaufgaben auf Basis berechneter Einstellparameter optimiert ist. Dafür reicht in der Regel moderate Rechenleistung aus.
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Die externe Rechnereinheit kann speziell für die Durchführung derartiger Simulationsrechnungen optimiert sein und eine entsprechende Rechenkapazität aufweisen, ohne dass die Kosten hierfür auf die Kosten für die Produktionsmaschine pauschal umgelegt werden.
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Es ist jedoch auch möglich, die Rechenkapazität für die Simulationsrechnung in die Produktionsmaschine zu integrieren, so dass eine lokale Simulation am Ort der Produktionsmaschine, z.B. in deren Steuereinheit, ablaufen kann.
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Insbesondere bei Verwendung einer externen Rechnereinheit zur Ermittlung der zweiten Einstellparameter kann es sinnvoll sein, wenn der zweite Produktionszyklus, durch welchen die zweite Stückleistung ermittelt wird, an einer von der Produktionsmaschine gesonderten, zu der Produktionsmaschine identischen oder äquivalenten Referenzmaschine durchgeführt wird. Der dabei ermittelte Satz zweiter Einstellparameter kann dann in Form eines geeignet formatierten Datensatzes in einen Speicher der Steuereinheit der Produktionsmaschine übertragen und dort gespeichert werden. Bei dieser Variante erfolgen somit eine externe Optimierung des Bewegungsablaufs und eine Verifizierung des Erfolgs der Optimierung außerhalb des beim Anwender laufenden Produktionsprozesses.
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Eine hohe Bedienerfreundlichkeit ergibt sich gemäß einer Weiterbildung dadurch, dass an einer Anzeigeeinrichtung der Produktionsmaschine mindestens einer der folgenden Parameter angezeigt wird: ein Guthaben-Parameter, der ein aktuelles Produktionszeitgewinn-Guthaben repräsentiert; ein Einsparungsparameter, der einen Zeitgewinn an Produktionszeit pro gefertigtem Teil repräsentiert; ein Rest-Parameter, der eine verbleibende Anzahl von Teilen angibt, die bei einem aktuellen Guthaben mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern herstellbar sind. Ein Anwender kann aufgrund derartiger Angaben bequem und vorausschauend die weitere Nutzung der Produktionsmaschine planen und seine Ressourcen optimal einsetzen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Produktionsmaschine zur Herstellung einer Vielzahl von zueinander gleichen Teilen, welche zur Durchführung von Verfahrensschritten des hier beschriebenen neuen Verfahrens speziell konfiguriert ist. Es kann sich z.B. um eine Biegemaschine handeln. Die Produktionsmaschine hat eine Steuereinheit mit einem Speicher zum Speichern von Stückleistungswerten und eine Anzeigeeinrichtung, an der in einem Betriebsmodus eine Auswahloption für den Anwender zur wahlweisen Nutzung der Produktionsmaschine mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern oder anderen Einstellparametern bereitgestellt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Systems mit einer Biegemaschine mit Antrieben für die Maschinenachsen sowie Einrichtungen zur Steuerung und Bedienung der Biegemaschine bei einem Anwender und korrespondierenden Einrichtungen bei eine Maschinenhersteller;
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2 eine schematische Darstellung möglicher Abläufe bei einer Ausführungsform des Verfahrens; und
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3 einen Ausschnitt aus einer Bedieneroberfläche der Biegemaschine aus 1 mit Optionen zur Auswahl unterschiedlicher Stückleistungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Aspekte von Ausführungsbeispielen der beanspruchten Erfindung werden im Folgenden am Beispiel der Herstellung komplex geformter Biegeteile durch eine computernumerisch gesteuerte Biegemaschine dargestellt. Ein Biegeteil im Sinne dieser Anmeldung ist ein z.B. aus Draht oder Rohr durch Umformen gefertigtes Teil, bei dessen Produktion mindestens eine Biegeoperation beteiligt ist. Es kann sich z.B. um Biegeteile handeln, die längere geradlinige Abschnitte und eine oder mehrere Biegungen mit einem Biegewinkel von 45° oder mehr aufweisen und/oder um eine Schenkelfeder o.dgl.. Die Erfindung kann z.B. bei Drahtbiegemaschinen oder Rohrbiegemaschinen genutzt werden, die z.B. als Einkopf- oder Mehrkopf-Biegemaschinen ausgestaltet sein können. Das Verfahren ist aber auch bei anderen Produktionsverfahren und Produktionsmaschinen nutzbar.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Biegeeinheit einer Einkopf-Biegemaschine mit den zugehörigen Antrieben für die Maschinenachsen sowie Einrichtungen zur Steuerung und Bedienung der Biegemaschine 100. Die Biegeeinheit hat eine Zufuhreinheit 110, welche der Zufuhr eines noch unverbogenen Werkstücks 120 in den Eingriffsbereich eines Biegewerkzeugs 130 dient, das im Folgenden auch als Biegekopf bezeichnet wird. Die Zufuhreinheit kann beispielsweise einen Greifer oder eine Zange haben oder Vorschubwalzen aufweisen, die einen noch unverbogenen Abschnitt des von einen Werkstückvorrat (z.B. Drahtcoil, Haspel) kommenden und durch eine zwischengeschaltete Richteinheit geführten Werkstücks in Richtung Biegewerkzeug fördert. Durch die Zufuhreinheit werden die Lage und die Orientierung der Werkstückachse des noch unverbogenen Werkstücks festgelegt.
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Der als Biegewerkzeug dienende Biegekopf 130 hat einen um eine Zentralachse ZA drehbaren Dornteller 132, an dessen Oberseite zwei mit gegenseitigem Abstand zueinander angeordnet Biegedorne (nur Dorn 136 erkennbar) angeordnet sind, sowie einen mit radialem Abstand zur Zentralachse ZA angeordneten Biegestift 138, der um die Zentralachse des Dorntellers 132 schwenkbar ist.
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Das Biegewerkzeug (Biegekopf 130) und das Werkstück 120 beziehungsweise die Zufuhreinheit 110 können zueinander beliebig positioniert und orientiert werden. Dazu sind im Allgemeinen meist drei zueinander senkrechte lineare Maschinenachsen sowie eine Drehachse (um die Werkstückachse 125) vorgesehen. Diese Maschinenachsen können am Biegekopf 130 oder an der Zufuhreinheit 110 vorgesehen sein. Meist wird eine Kombination von Werkstückpositionierung und Biegekopfpositionierung eingesetzt. Der Biegekopf ist normalerweise mit zwei oder drei Drehachsen ausgerüstet und kann um eine zur Werkstückachse parallele Achse verschiebbar sein.
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Beim Ausführungsbeispiel hat die Biegemaschine ein mit Kleinbuchstaben x, y und z gekennzeichnetes rechtwinkliges Maschinenkoordinatensystem MK mit einer vertikalen z-Achse und horizontalen x- und y-Achsen, wobei die x-Achse parallel zur Werkstückachse 125 verläuft. Von den Koordinatenachsen sind die geregelt angetriebenen Maschinenachsen zu unterscheiden, die jeweils mit Großbuchstaben (z.B. A, B, C, W, Z) bezeichnet werden.
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Der Biegekopf 130 ist in zwei zueinander senkrechten Richtungen senkrecht zur Werkstückachse 125 linear positionierbar und das Werkstück 120 ist um seine Werkstückachse 125 drehbar und in Axialrichtung positionierbar. Eine übliche Bezeichnung der Maschinenachsen wird an Hand von 1 erläutert. Die Zufuhreinheit 110 (manchmal als Zangenvorschub ausgeführt) ist mit Hilfe einer linearen C-Achse (manchmal als Zangenvorschub bezeichnet) parallel zur Werkstückachse (und damit parallel zur x-Achse) geradlinig verfahrbar. Der Antrieb hierzu erfolgt mit Hilfe eines Servomotors MC. Mit Hilfe der A-Achse (Werkstückdrehachse) ist eine (theoretisch) unbegrenzte Drehung des Werkstücks um die Werkstückachse 125 möglich, wobei hier als Antrieb ein Servomotor MA dient. Die anderen Maschinenachsen sind dem Biegewerkzeug 130 zugeordnet. Der Biegekopf 130 ist mit Hilfe eines Servomotors MW der W-Achse um die (parallel zur z-Achse des Maschinenkoordinatensystems verlaufende) Zentralachse ZA unbegrenzt verdrehbar. Der Biegestift 138 kann mit Hilfe eines Servomotors MY der Y-Achse um die Zentralachse ZA des Biegekopfes unbegrenzt verschwenkt werden. Die Zentralachse ZA definiert dabei den Mittelpunkt der Biegung und wird daher auch als Biegungsachse bezeichnet. Das Biegewerkzeug kann als Ganzes in zwei Richtungen senkrecht zur Werkstückachse linear verfahren werden, nämlich mittels einer parallel zur Zentralachse ZA verlaufenden Z-Achse mit Hilfe eines Motors MZ und mittels einer senkrecht zur Z-Achse verlaufen B-Achse (nicht gezeigt) mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Motors. Die Motoren für Linearbewegungen können jeweils Servomotoren oder elektrische Linearantriebe (Direktantriebe) sein.
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Die Drehachse der Biegebewegung verläuft im Beispielsfall in vertikaler Richtung, so dass die B-Achse der horizontalen Positionierung und die Z-Achse der vertikalen Positionierung des Biegekopfes dient. Der Biegekopf kann manuell oder servomotorisch schräg angestellt werden.
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Sämtliche Antriebe für die Maschinenachsen sind elektrisch leitend an eine Steuereinrichtung 150 angeschlossen, die u.a. die Leistungsversorgungen für die Antriebe, eine zentrale Rechnereinheit und Speichereinheiten enthält. Mit Hilfe der in der Steuereinrichtung aktiven Steuerungssoftware können die Bewegungen sämtlicher Maschinenachsen auf Basis von Einstellparametern mit hoher zeitlicher Auflösung variabel gesteuert werden, um z.B. während eines Biegeprozesses Bewegungsgeschwindigkeiten und Beschleunigungen der Biegeachse gezielt zu verändern.
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Eine an die Steuereinrichtung angeschlossene Anzeige- und Bedieneinheit 160 dient als Schnittstelle zum Maschinenbediener. Dieser kann an der Bedieneinheit bestimmte, für den Biegeprozess relevante Parameter z. B. die gewünschte Biegeteilgeometrie (Geometriedaten) und verschiedene Werkstückeigenschaften (Werkstückdaten) und Werkzeugdaten eingeben, bevor der Biegeprozess beginnt.
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Die Biegemaschine
100 dient als Produktionsmaschine zur Serienproduktion von Biegeteilen und steht z.B. in der Produktionshalle HK eines Endnutzers, der Kunde eines Maschinenherstellers ist. Eine in allen relevanten Komponenten baugleiche Biegemaschine steht im Entwicklungszentrum EZ des Maschinenherstellers und dient als Referenz-Produktionsmaschine REF. Im Entwicklungszentrum ist weiterhin eine Hochleistungs-Rechnereinheit RE untergebracht, in der eine leistungsfähige Simulations-Software zur Simulation von Biegeprozessen und zur Berechnung optimierter Einstellparameter für die Biegemaschine residiert. Damit können insbesondere schwingungsoptimierte Biegeabläufe bzw. Achsbewegungen von Maschinenachsen gemäß den in der
DE 10 2010 007 888 A1 angegebenen Beispielen durch FEM-Simulationen und/oder auf andere Weise errechnet werden.
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Die Ergebnisse der Simulation können in Form von zweiten Einstellparametern EP2 an die Steuereinheit 150 der Produktionsmaschine 100 in Form geeigneter Datensätze z.B. über einen Datenträger, Datenleitungen oder eine drahtlose Übertragungsstrecke übertragen werden. Die Steuereinheit 150 der Produktionsmaschine ist dafür konfiguriert, extern ermittelte zweite Einstellparameter EP2 zu übernehmen und bei der Steuerung der Biegemaschine 100 zu nutzen. Dazu ist Schnittstelle zur Übernahme der zweiten Einstellparameter EP2 vorhanden.
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Ein Verfahren zur Herstellung von Biegeteilen durch zwei- oder dreidimensionales Biegen von Abschnitten eines langgestreckten Werkstücks, beispielsweise eines Drahts, kann mithilfe dieses Systems wie folgt ablaufen.
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Sofern die Biegemaschine 100 noch keine Steuerungssoftware zur Verarbeitung extern erstellter zweiter Einstellparameter EP2 hat, wird solche Software vom Maschinenhersteller bereitgestellt und in der Steuereinheit 150 installiert.
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Der Kunde bzw. Endnutzer erwirbt weiterhin ein Leistungspaket, welches einerseits die rechnergestützte Optimierung eines Biegeablaufs für ein Biegeteil oder einer vordefinierten Anzahl verschiedener Biegeabläufe für unterschiedliche Biegeteile mittels Simulation auf Seiten des Maschinenherstellers umfasst. Das Leistungspaket umfasst außerdem ein Produktionszeitgewinn-Guthaben in definierter Höhe. Das Produktionszeitgewinn-Guthaben repräsentiert einen gewissen Umfang an Produktionszeitersparnis, den der Endnutzer bei Verwendung von extern durch den Maschinenhersteller ermittelten zweiten Einstellparametern in der Produktion tatsächlich realisieren kann. Auf Basis dieser Voraussetzungen kann dann bei der Fertigung eines bestimmten Biegeteils gemäß der Vorgehensweise in 2 fortgefahren werden.
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Wenn der Kunde ein bestimmtes Biegeteil produzieren möchte, werden vom Kunden in Schritt S1 zunächst für das zu produzierende Biegeteil spezifische Biegeteilparameter und ein Qualitätsstandard definiert (DEF), um die gewünschten Eigenschaften der Biegeteile festzulegen bzw. zu definieren. Zu den Biegeteilparametern gehören insbesondere Geometrieparameter, die die gewünschte Form bzw. Gestalt des Biegeteils definieren. Zu den Biegeteilparametern gehören auch Werkstoffdaten des zu verarbeitenden Drahtwerkstoffs, wie zum Beispiel Drahtdurchmesser, Elastizitätsmodul des Drahtmaterials etc. Je nach Anwendung der produzierten Biegeteile können auch mehr oder weniger große Abweichungen von der idealen Biegeteilgeometrie zulässig sein. Solche Toleranzen sind im Qualitätsstandard enthalten. Die gesamten, das Biegeteil definierenden Eigenschaften sind in einem Teileparameter-Datensatz TP enthalten.
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Auf Seiten des Kunden bzw. des Anwenders wird ein Bediener OP in Schritt S2 versuchen, einen Satz erster Einstellparameter für die Biegemaschine zu finden, mit denen ein Biegeprozess mit möglichst hoher Stückleistung Biegeteile mit hinreichend guter Qualität produzieren kann. Üblicherweise sind hierzu viele Versuche und Verstellungen einzelner Einstellparameter notwendig. Die für den Einstellprozess erforderliche Einstellzeit sowie die Qualität des Endergebnisses sind stark von den Erfahrungen und der Qualifikation des Maschinenbedieners abhängig.
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Wenn ein aus Sicht des Anwenders optimaler Satz erster Einstellparameter EP1 gefunden ist, wird in einem ersten Produktionszyklus PROD1 eine Testserie mit einer Vielzahl erster Biegeteile unter Verwendung der ersten Einstellparameter hergestellt (Schritt S3). Dadurch wird festgestellt, mit welcher maximalen Stückleistung Biegeteile bei diesen Einstellungen mit ausreichender Qualität produziert werden können. Diese maximale Stückleistung entspricht einer ersten Stückleistung. In Schritt S4 wird ein erster Stückleistungswert SL1, welcher diese erste Stückleistung repräsentiert, in einem Speicher der Steuereinheit 150 über einen entsprechenden Datensatz gespeichert. Die Produktionsmaschine kann nun mit den gefundenen ersten Einstellparametern betrieben werden.
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Dem Anwender steht es jedoch frei, unter Zuhilfenahme der Ergebnisse einer auf Seiten des Maschinenherstellers durchgeführten rechenintensiven teilespezifischen Simulation eventuell eine bessere Stückleistung zu erzielen. Hierzu werden die spezifizierten Teileparameter TP (zum Beispiel in Form einer Zeichnung, Angaben zur Biegeteilgeometrie, Werkstoffdaten des zu verarbeitenden Drahtwerkstoffs etc.) in Schritt S5 an den Hersteller H übertragen. Auf Seiten des Herstellers wird nun in Schritt S6 durch Simulationsrechnungen SIM unter Verwendung der teilespezifischen Teileparameter ein hinsichtlich Produktivität optimierter Biegeablauf ermittelt, der bei gesteigerter Stückleistung zuverlässig Biegeteile innerhalb des vorgegebenen Qualitätsstandards liefert. Die zugehörigen Einstellparameter für die Produktionsmaschine werden hier als „zweite Einstellparameter“ EP2 bezeichnet.
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Bei der Simulationsrechnung werden in der Regel zwei oder mehr Einstellparameter der folgenden Gruppe im Wesentlichen simultan verändert und dadurch optimiert: Achsverfahrgeschwindigkeit einer oder mehrerer Maschinenachsen; Achsbeschleunigung einer oder mehrerer Maschinenachsen; Beginnzeitpunkt und/oder Endzeitpunkt einer Beschleunigungsbewegung; Bewegungen (Beschleunigungen) können z.B. sein: Drehung eines winkelverstellbaren Werkzeugs, Linearbewegung eines linear bewegbaren Werkzeugs, z.B. eines Biegeschiebers, Bewegungen zum Drehen des Drahts etc. Es können auch aufeinanderfolgende Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge in ihrer Überlagerung der Schwingung am Biegeteil genutzt werden, um die Schwingungen zu reduzieren.
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Im Schritt S7 wird nun auf der Referenz-Biegemaschine REF mit dem über die zweiten Einstellparameter EP2 optimierten Biegeablauf ein zweiter Produktionszyklus PROD2 gefahren, bei dem zweite Biegeteile unter Verwendung der zweiten Einstellparameter innerhalb des vorgegebenen Qualitätsstandards mit einer zweiten Stückleistung produziert werden. Hierdurch wird die Tauglichkeit der zweiten Einstellparameter praktisch verifiziert. Ein zugehöriger zweiter Stückleistungswert SL2 wird in Schritt S8 für die weitere Verwendung gespeichert.
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Anhand der beiden Stückleistungswerte SL1 und SL2 ist nun ein quantitativer Vergleich der Leistungsfähigkeit der beiden auf unterschiedliche Weise eingerichteten Biegeprozesse möglich. Im Beispielsfall von 2 wird diese Vergleichsmöglichkeit in Schritt S9 durch eine gemeinsame Anzeige der beiden Stückleistungswerte (oder damit korrelierender Angaben) in einer Anzeigeeinrichtung DISP realisiert.
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Weitere Einzelheiten werden anhand von 3 erläutert. Diese zeigt einen Ausschnitt aus einer Bildschirmanzeige an der Anzeige- und Bedieneinrichtung 160 der beim Anwender stehenden Biegemaschine 100 (Produktions-Biegemaschine). Im Beispiel ist angenommen, dass der Anwender zum Beispiel ein Guthaben über einen Produktionszeitgewinn in Höhe von 100 Stunden Produktionszeitgewinn erworben hatte. In der Zeile Z1 der Anzeige wird ein Guthaben-Parameter GUT angezeigt, der demjenigen Produktionszeitgewinn-Guthaben entspricht, welches aktuell für den Anwender noch verfügbar und durch den ursprünglichen Erwerb des Guthabens abgegolten ist. Aus dem beispielhaft gezeigten Restguthaben ist ersichtlich, dass der Anwender in vorangegangenen Produktionszeiten bereits einige Stunden Produktionszeitgewinn durch Nutzung von zweiten Einstellparametern realisieren konnte.
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In der zweiten Zeile Z2 wird dem Anwender eine Auswahloption zur wahlweisen Nutzung der Produktionsmaschine mit den durch Simulation ermittelten zweiten Einstellparametern angeboten. Durch einfaches Anklicken der Check-Box kann der Anwender die Biegemaschine zwischen zwei Produktionsmodi umschalten, wovon einer der Produktionsmodi derjenige mit optimierten Biegeabläufen ist, welcher auf den zweiten Einstellparametern basiert. Im Beispielsfall ist diese Option gewählt, so dass die Biegemaschine auf Basis der zweiten Einstellparameter mit durch Simulation optimierten Biegeabläufen arbeitet. Bei Abwählen der Option läuft die Biegemaschine mit anderen Einstellparametern, z.B. den ersten Einstellparametern.
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In Zeile Z3 ist der erste Stückleistungswert SL1 in Form einer Angabe für die Stückleistung pro Minute angegeben. Dieser Wert wird durch die vom Anwender vorab durchzuführende optimale Einstellung der Biegemaschine im ersten Produktionszyklus PROD1 festgestellt, im Speicher der Steuereinheit gespeichert und ist dann fixiert und durch äußeren Eingriff nicht veränderbar.
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In der darunterliegenden Zeile Z4 ist der zweite Stückleistungswert SL2 angezeigt, der im Beispielsfall mehr als 10% größer ist als der erste Stückleistungswert SL1. Hier wird durch unmittelbaren Vergleich die Größenordnung des Produktionszeitgewinns bei Verwendung der zweiten Einstellparameter für den Anwender sichtbar.
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Der Anwender kann jederzeit durch Anklicken der Check-Box in Zeile Z2 zwischen den beiden Betriebsarten umschalten. Ist das Guthaben aufgebraucht, so schaltet die Produktionsmaschine automatisch in den Betrieb mit den ersten Einstellparametern um, wodurch dann die Stückleistung reduziert wird, jedoch eine Produktion weiterhin Biegeteile von im Wesentlichen gleicher Qualität liefert.
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Wird mittels Check-Box der simulationstechnisch optimierte Ablauf gewählt, produziert der Kunde mit optimiertem Biegeprogramm. Die Zeitdifferenz zwischen der Biegezeit vor der Optimierung und der Biegezeit nach der Optimierung wird vom Guthaben abgezogen, solange das optimierte Biegeprogramm genutzt wird. Ist das Guthaben aufgebraucht, produziert die Biegemaschine wieder so langsam wie vor der Optimierung bzw. ohne Optimierung. Der Kunde kann dann ein weiteres Guthaben an Produktionszeitersparnis erwerben, um wieder mit dem optimierten Ablauf mit höherer Stückleistung produzieren zu können.
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Eine Besonderheit dieses Vorschlags liegt darin, dass nur die durch Verwendung der Simulationsergebnisse tatsächlich eingesparte Zeit bzw. ein entsprechender Wert vom Guthaben abgezogen wird. Über die Preisgestaltung des Guthabens kann ein Teil des Kundenvorteils in Abhängigkeit dessen, wie stark der Kunde die Funktion nutzt und davon profitiert, als Ertrag auf Seiten des Maschinenherstellers bzw. auf Seiten des Entwicklers der Simulation realisiert werden.
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Erfahrungen zeigen, dass es bei Simulation komplexerer Biegeabläufe mehrere Tage oder Wochen dauern kann, bis eine optimale Kombination bzw. ein optimierter Satz zweiter Einstellparameter gefunden ist. Dabei konvergieren die zweiten Einstellparameter in der Regel allmählich in Richtung auf immer bessere Werte. Erfahrungsgemäß können auch bei der Nutzung von zwischenzeitlich vorliegenden Zwischenwerten zweiter Einstellparameter schon wesentlich bessere Stückleistungen erzielt werden als nach einer Einstellung durch einen nicht mit Simulationsmöglichkeiten ausgestatteten Anwender. Bei einer Verfahrensvariante kann die Simulation phasenweise zeitgleich mit der Produktion durchgeführt werden. Dem Anwender werden bei Bedarf einmal oder mehrfach hintereinander jeweils signifikant verbesserte zweite Einstellparameter zur Verfügung gestellt, während die Simulation noch läuft. Dadurch kann der Anwender die Stückleistung zeitnah zur Simulation schrittweise ggf. bis zum durch Simulation erzielbaren Bestwert steigern. Der Produktionszeitgewinn kann entsprechend stufenweise berechnet und vom Guthaben abgezogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010007888 A1 [0006, 0025, 0045]
- US 8573019 B2 [0006]
