Simulationen in ihren zahlreichen

Transkript

1 DER VIRTUELLE DARWIN Klaus Feldmann, Agus Sutanto und Matthias Brossog Mit seinem Mechanismus der natürlichen Selektion lieferte Charles Darwin bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts eine Erklärung für die Evolution. Die Durchsetzung des Schnelleren gegenüber dem Langsameren, des Stärkeren gegenüber dem Schwächeren gilt seitdem als genialer Bauplan der Natur. Moderne Simulationssysteme bieten die Möglichkeit, eine Art Evolution in beschleunigter Form nachzubilden. Dabei erfolgt die Abbildung einer real existierenden oder geplanten Umgebung innerhalb des Computers in unterschiedlichen Abstraktionen. Die Möglichkeit, auf diese Weise mehrere Alternativen für eine bestimmte Problemstellung vor der Realisierung durchspielen zu können und die nach bestimmten Kriterien ermittelte optimale Lösung auszuwählen, folgt in jeder Hinsicht dem evolutionären Gedanken. Eine der anschaulichsten Simulationsarten ist die grafische 3D-Simulation, die in Verbindung mit der Ergonomiesimulation den Faktor Mensch in die Planung integrieren kann. Die Auswertung der Simulationsergebnisse bleibt in diesem Fall nicht allein dem Fachmann vorbehalten, da der grafisch-interaktive Charakter der 3D-Simulationen die Ergebnisse auch für Laien nachvollziehbar macht. Simulationen in ihren zahlreichen Facetten spielen in unterschiedlichen Bereichen des täglichen Lebens eine wichtige Rolle. Unabhängig von der jeweiligen Simulationsart erlauben sie einen genaueren Blick auf bestimmte Eigenschaften des zu untersuchenden Systems, die für die Gewinnung von Erkenntnissen von besonderem Interesse sind. Andere Aspekte, die für das Ergebnis offensichtlich keine Rolle spielen, werden dagegen gezielt vereinfacht oder weggelassen. Das so genannte Simulationsmodell abstrahiert das zu simulierende System und dient als Grundlage der Untersuchungen. Der geliebte rote Porsche in der Garage musste in der Entwicklungsphase mehrere obligatorische Crashtests bestehen, die Unfälle als reale Verkehrssituationen simulieren. Die genauen Umstände des Unfalls oder der Autotyp des Unfallgegners spielen dabei eine untergeordnete Rolle und werden deshalb vernachlässigt beziehungsweise stark vereinfacht. Ganz anders bei den Crashtest-Dummies: Um präzise Ergebnisse über mögliche Verletzungen bei der Simulation zu erhalten, sind sie mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, die die mechanischen Eigenschaften von Knochen und Gelenken möglichst genau abbilden. Für Simulationen sprechen eine ganze Reihe unterschiedlicher Gründe: Die Untersuchung am realen System ist teuer, aufwändig oder wie Crashtests zu gefährlich. Bevor das erste Teil des neuen A380 gebaut wurde, haben Entwickler zum Beispiel die Flügelform durch unzählige Simulationen optimiert und dabei härteste Wetterverhältnisse durchgespielt, damit die Fluggäste auch bei Orkan sicher ihr Ziel erreichen. Der Flugsimulator stellt gefahrlos und kostengünstig die Ausbildung der Piloten sicher. Oft können unsere Sinne ein reales System gar nicht beobachten: Arbeitet es beispielsweise zu schnell, wie Simulationsmodelle von Mensch und Maschine in der 3D-Kinematiksimulation. Zukunft im Brennpunkt

2 elektronische Schaltungen oder die erwähnte Crash-Simulation, oder zu langsam, wie geologische Prozesse, so hilft die Simulationstechnik, die Vorgänge nachvollziehbar abzubilden. Gut simuliert ist halb gebaut Besonders für produzierende Unternehmen spielen Simulationstechnologien eine wichtige Rolle. Sie setzen die vier Simulationstypen Ablaufsimulation, Mehrkörpersimulation, FEM - (Finite-Elemente-Methode) und grafische 3D-Simulation in unterschiedlichen Planungsebenen ein. Grobe Ablaufsimulationen beschreiben neben dem Anlagenlayout ebenso gut Materialfluss und Logistik, Systemleistung, Fertigungsprinzipien sowie Steuer- und Entstörstrategien einer Anlage. Die feinere Ablaufsimulation und grafische 3D-Simulationen kommen dagegen auf der so genannten Zellenebene zum Einsatz, das heißt bei der Konzeption von Fertigungszellen und den zugehörigen Fertigungseinrichtungen (zum Beispiel Montageautomaten oder Werkzeugmaschinen). Planungsinhalte sind das Zellenlayout, Ablaufvorschriften, RC- und NC-Programmierung, Kollisionsvermeidung und Taktzeitoptimierung. Die grafische 3D-Simulation analysiert und optimiert Bewegungsabläufe in Produktionssystemen. Entwickler benutzen für die Planung und Konstruktion der Komponenten zum einen die Kinematiksimulation, zum anderen FEM- und Mehrkörpersimulation. Die Kinematik (kinema, griech.: Bewegung) beschreibt mathematisch die Bewegung von Punkten und Körpern mit Hilfe der Größen Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung im Raum ohne auf die Ursachen einer Bewegung einzugehen. Die Finite-Elemente-Methode bildet die physikalischen Eigenschaften von Prozessen ab, wie zum Beispiel die mechanische Beanspruchung und das Schwingungsverhalten von Einzelteilen oder Baugruppen. Die Mehrkörper-Simulation dient der Berechnung der Kinetik von Systemen, die aus mehreren Komponenten bestehen. Eine Plattform für alles Ein wichtiger Teil des Produktionsprozesses ist die Montage, in der das Produkt aus Einzelteilen zusammengebaut wird und seine endgültige Funktionalität erhält. Innerhalb dieses abschließenden Arbeitsschrittes sind die meisten Tätigkeiten Handarbeit und nicht automatisiert. Selbst bei der Herstellung von hoch komplexen Produkten, wie Mobiltelefonen, überwiegen in der Endphase des Produktionsprozesses wegen der vielen unterschiedlichen Modelle manuelle Montagevorgänge. Wenn es um die Planung automatisierter oder manueller Arbeitsplätze geht, ist deshalb auch die Simulation eine andere. Klassische Kinematiksimulationen decken den Bereich der automatisierten Arbeitsplätze ab. Geht es dagegen um die Planung von manuellen Arbeitsplätzen, kommen Ergonomiesimulationen zum Zug. Um das gesamte Aufgabenspektrum auf einer gemeinsamen Plattform abdecken zu können, sind etablierte Softwarekonzerne bestrebt, durchgängige Lösungen bei der Planung von Produktionsanlagen und -prozessen (Product Lifecycle Management) zu entwickeln. Die erwähnten durchgängigen Lösungen haben jedoch sowohl räumliche als auch zeitliche Grenzen: Mehrere Benutzer an unterschiedlichen Orten können am selben Objekt nicht oder nur eingeschränkt zeitlich parallel planen. Das Internet eröffnet den Planern jedoch Möglichkeiten, kollaborativ zu arbeiten. Hierzu hat der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) einen Softwareprototyp entwickelt, der den Benutzern das gemeinsame Arbeiten in einer virtuellen Planungsumgebung über das Internet ermöglicht. Bei der Entwicklung dieses Werkzeugs haben die Wissenschaftler großen Wert auf eine durchgängige Lösung gelegt und deshalb Module zur Untersuchung der Produktstruktur, zur ergonomischen Auslegung manueller Arbeitsplätze sowie eine grafische 3D-Umgebung zur Layoutplanung auf Basis von VRML (Virtual Reality Modelling Language) integriert. Alles in Reichweite Für die Planung einer Roboterzelle mit kooperierenden Sechsachsrobotern setzte das FAPS die Kinematiksimulation IGRIP (DELMIA GmbH) ein, um die beste geometrische Anordnung zu ermitteln. Im Gegensatz zur normalen Bodenbefestigung hängen in diesem Fall die beiden Industrieroboter an der 86 Zukunft im Brennpunkt 2005

3 Kooperierende Sechsachsroboter in einer Montagezelle. Wand. Daraus resultiert ein sehr großer gemeinsamer Arbeitsraum, in dem die Roboter in Kooperation Montageaufgaben durchführen können. Das Potenzial der Kinematiksimulation erschließt sich bei dieser Anwendung auch dem fachfremden Betrachter, denn er sieht mit Hilfe der eingeblendeten Arbeitsräume auf einen Blick, wie groß der überlappende Arbeitsbereich ist und ob alle Bauteilabholpositionen gut erreicht werden können. Wenn die Roboter winklig zueinander stehen, vergrößert sich der gemeinsame Arbeitsraum. Wie bei der Schulter-Arm-Anordnung des Menschen ist auch hier das Aktionsfeld überwiegend nach vorne ausgerichtet, wie zum Beispiel die Übergabe eines Gegenstandes von einer in die Simulierte Parallelkinematik (Hexapod) mit sechs seriellen Achsen. andere Hand verdeutlicht. Die Kinematiksimulation kann demnach bereits in der frühen Planungsphase sagen, ob eine Roboterzelle oder Anlage so überhaupt gebaut werden kann und wie wirtschaftlich sie sein wird. Eine weitere anspruchsvolle Anwendung der Kinematiksimulation ist die Nachbildung paralleler Kinematiken, die mehrere kinematische Ketten in sich vereinen. Ein Beispiel hierfür ist der am FAPS entwickelte Hexapod für die Montage von Bauteilen. Ein Hexapod ist eine Plattform, die sich über sechs angebundene Gelenkachsen beliebig in sechs Freiheitsgraden bewegen kann. Mit einem Bauraum von 600 x 600 mm, einer Traglast von rund 70 kg und einem Hub von 200 mm eignet er sich speziell für den Einsatz in einer Montagezelle. Wie der Hexapod in die Montagezelle eingebaut werden muss, um optimal arbeiten zu können, lässt sich mit Hilfe der Kinematiksimulation entscheiden. Dazu wurde ein bewegungsfähiges 3D-Modell des realen Hexapods in der Kinematiksimulation abgebildet, das auch für weitere Anwendungen und Planungen, wie die Programmierung der Bewegungen vor dem realen Einsatz, zur Verfügung steht. Einblendung der Arbeitsräume zur Abschätzung des gemeinsamen Arbeitsraums und für Erreichbarkeitsuntersuchungen. Zukunft im Brennpunkt

4 Schlechte Ergonomie ist teuer Ein weiteres großes Einsatzfeld für die Simulationstechnik ist die Gestaltung von ergonomischen Arbeitsplätzen, die gemäß dem Grundsatz Schlechte Ergonomie ist teuer immer wichtiger wird. Die weltweit unterschiedlichen Körpermaße und die verschiedenen Gesetze im internationalen Markt stellen neue Anforderungen an die manuellen Arbeitsplätze. Ein anderer Faktor, der für die ergonomische Gestaltung am Arbeitsplatz eine Rolle spielt, ist die Betrachtung der Körperkräfte in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht, wodurch beispielsweise auf eine veränderte Altersstruktur in Betrieben reagiert werden kann. Die Ergonomiesimulation bietet die Möglichkeit, bereits in der Planungsphase manuelle Arbeitsplätze in Montagesystemen am virtuellen Prototypen nach ergonomischen Gesichtspunkten zu gestalten. Dazu zählt beispielsweise die Anordnung von Geräten im Greifraum des Mitarbeiters, sodass der Arbeitsablauf effizient ist und den Mitarbeiter physisch nicht belastet. Neue ergonomische und methodische Erkenntnisse über Körperhaltung, Sichtbeziehungen, Greifraum oder Handling gehen rechtzeitig in die Planung ein und ergänzen die klassische Auslegung nach vorgegebenen Arbeitsplatzmaßen. Der Simulationseinsatz Simulationsmodell zur Auslegung manueller und automatisierter Arbeitssysteme. hilft, kurz- und langfristige Beschwerden im Bereich der Wirbelsäule, der Muskulatur, der Gelenke oder der Sehnen zu reduzieren oder sogar ganz zu vermeiden. Weitere positive Auswirkungen sind eine gesteigerte Motivation und Arbeitsleistung, eine reduzierte Unfallgefahr und höhere Servicequalität. Aus wirtschaftlicher Sicht sind besonders die Arbeitszeitersparnis und die damit einhergehende Produktionssteigerung wichtig. Gelenke und Segmente des menschlichen Körpers dienen als Basis für die Entwicklung eines Simulationsmodells. 88 Zukunft im Brennpunkt 2005

5 Unterschiedliche Gelenkkonfigurationen eines Industrieroboters zum Erreichen der gleichen Zielposition. Der Mensch ist auch nur ein Roboter Wer glaubt, die Simulation von Menschen basiere auf grundsätzlich anderen Prinzipien als die von Robotern, muss sich eines Besseren belehren lassen. Beide Kinematiken setzen sich aus denselben Elementen zusammen: Gelenken und Segmenten. Während das Menschenmodell mehrere Gelenkketten in sich vereint, besteht der Industrieroboter aus einer einzigen kinematischen Kette, die abgesehen von der Art der Gelenke einem menschlichen Arm vergleichbar ist. Beide können ihren so genannten Endeffektor, den Greifer oder die Hand, beliebig ausfahren und ausrichten. Die Gelenke nehmen dabei eine ihren Freiheitsgraden entsprechende Position ein. Die Konfiguration der kinematischen Kette ist meist nicht eindeutig, denn der Endeffektor erreicht die gewünschte Lage und Orientierung oft über mehrere Wege, das heißt unterschiedliche Gelenkstellungen. Wie die Handhabungsgeräte, so müssen auch die Humanmodelle ihre bestimmten Bewegungen lernen; das Modell wird geteacht. Dazu fahren Mensch- oder Maschinenmodelle in die gewünschten Positionen, die dann für die Programmierung des Bewegungsablaufs gespeichert werden. Miteinander statt gegeneinander Bei der Betrachtung der kinematischen Gemeinsamkeiten von Menschen und Robotern in der Simulation drängt sich der Gedanke an eine intensivere Kooperation zwischen Mensch und Maschine auf. Angesichts der gegenwärtigen Situation in Industriebetrieben kann jedoch nur bedingt von einer Zusammenarbeit die Rede sein. Alle Aufgaben, die wirtschaftlich automatisiert werden können, übernehmen die Maschinen. Dem Menschen werden oft nur Aufgaben zur Überwachung und Störungsbeseitigung oder hochkomplexe Arbeiten überlassen, die eine Maschine nicht leisten kann. Mensch und Maschine sind zudem durch einen Sicherheitsbereich strikt voneinander getrennt, um den Menschen vor jeglicher Gefährdung durch die Maschine zu schützen. Mehr Kooperation zwischen Mensch und Maschine sollte möglich sein. Neben umfangreichen softwaretechnischen Überwachungsmechanismen verringern geringere bewegte Massen und elastische Strukturen die Verletzungsgefahr. Dies würde in Zukunft eine Abkehr von der bisher üblichen massiven und steifen Bauweise für Industrieroboter erfordern. Ein weiteres Problem ist die Akzeptanz eines Roboters durch den Mitarbeiter. Als Arbeitshilfe akzeptiert wird der Roboter dann, wenn er dem Mitarbeiter durch Abmessungen, Gewicht und Art der Bewegungen ähnelt, denn dann nimmt er ihn nicht nur als Bedrohung wahr. Dieses Thema umfasst das Forschungsgebiet humanoider Roboter, das Maschinen nicht als Ersatz, sondern als Ergänzung zu den Mitarbeitern anstrebt. Während die Kooperation zwischen zwei Robotern wie beschrie- Zukunft im Brennpunkt

6 Prof. Dr.-Ing. Klaus Feldmann (Jahrgang 1943) leitet den Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) an der Universität Erlangen-Nürnberg. Er war Sprecher des Bayerischen Forschungsverbundes Simulationstechnik (FORSIM) und ist Teilprojektleiter im Bayerischen Forschungsverbund Flexible Werkzeugsysteme (FORWERKZEUG). Zu seinen Forschungsschwerpunkten zählen die rechnergestützte Planung und Simulation, Steuerungs- und Sensortechnik, Fertigungszellen und Materialfluss, Entwicklung und Betrieb von Montagesystemen, Produktionssysteme in der Elektronik sowie Kommunikationstechnik und Telediagnose. Dr.-Ing. Agus Sutanto, M.T. (Jahrgang 1966) arbeitete zunächst als DAAD-Stipendiat und anschließend als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik an Simulationsprogrammen. Er beschäftigt sich mit Ergonomiesimulationen sowie mit der webbasierten Montageplanung. Dipl.-Ing. Matthias Brossog (Jahrgang 1977) ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Ergonomiesimulation, Kinematiksimulation und Montageplanung. ben technisch machbar ist, so ist eine unmittelbare Kooperation zwischen Mensch und Roboter bis heute Gegenstand intensiver Forschung. Sobald ein Mensch in den Arbeitsraum des Roboters eingreift, muss ein Schutzmechanismus den Roboter stoppen, weil nur einer von beiden den gemeinsamen Arbeitsraum benutzen darf. Neue sensible und flexible Kollisionserkennungen lassen auf eine Verbesserung der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine in Zukunft hoffen, die nicht nur Stillstandszeiten verringern, sondern auch den Bewegungsablauf bei der Arbeit optimieren. Virtuelle Zukunft Auch wenn umfassende und detaillierte Simulationstechniken viele Planungsaufgaben bereits heute unterstützen, wächst der Bedarf an neuen Methoden zur Abbildung der Wirklichkeit im Computer auch in Zukunft weiter. Zum Beispiel unterstützt die Erweiterte Realität, die virtuelle Modellwelten mit Ausschnitten aus einer realen Umgebung überlagert, den Betrachter bei der Visualisierung seiner Planungen. Die vielfältigen Möglichkeiten sowie die größere Verbreitung und Akzeptanz von Simulationen ebnen den Weg, neue Regeln für die Gestaltung von Arbeitsplätzen zu integrieren, die dem Mitarbeiter mehr Komfort und Sicherheit geben und die er mit mehr Motivation und Leistung honoriert. Auch bei der Verbesserung der Mensch-Maschine- Kooperation kann die Simulation eine Schlüsselrolle spielen. In der virtuellen Welt können Szenarien, die aus heutiger Sicht aus unterschiedlichen Gründen (noch) nicht realisierbar sind, jederzeit durchgespielt und Rückschlüsse für zukünftige Entwicklungen gezogen werden. 90 Zukunft im Brennpunkt 2005