Skalierbare Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme

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1 Skalierbare Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart Dipl.-Inf. Frédéric-Felix Lacour Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) Technische Universität München Boltzmannstraße 15, Garching Tel. 089/ , Fax. 089/ Zusammenfassung Die Virtuelle Inbetriebnahme wurde in den letzten Jahren vom Anwendungsgebiet der Werkzeugmaschinen unter anderem auf materialflussintensive Produktionsanlagen übertragen. Dabei zeigt sich, dass der Materialfluss für die Aussagekraft der Simulation wesentlich ist. Hierzu wird nach dem aktuellen Stand der Technik ein so genanntes Physikmodell eingesetzt, das den Materialfluss auf der Basis physikalischer Parameter (wie z. B. Massen, Massenschwerpunkte, Reibung) beschreibt und von einer Physik- Engine ausgewertet wird. Trotz erster erfolgreicher Anwendungen dieser Methode ist die Abbildung kinematischer Strukturen bislang auf Gelenke und Motoren begrenzt. Dies resultiert in hohen Modellerstellungsaufwänden, da jede kinematische Struktur aus diesen Grundelementen erstellt werden muss. Um diesem Problem zu begegnen, werden in diesem Beitrag neue Methoden beschrieben, welche die bisherige Beschränkung auf einfache kinematische Elemente aufheben und dabei unterschiedliche Detaillierungsgrade im Anlagen- und Steuerungsentwicklungsprozess ermöglichen. Hierzu werden neue Verfahren zur Modellierung kinematischer Verarbeitungssysteme präsentiert und zwei Methoden zur Abbildung von Fördersystemen dargestellt. Anhand eines realitätsnahen Anwendungsszenarios mit zwei Detaillierungsstufen werden die praktische Nutzbarkeit gezeigt und zukünftige Forschungsbereiche identifiziert. Schlüsselwörter Virtuelle Inbetriebnahme, Mechatronische Simulation, Kinematik, Virtuelle Realität, Automatisierung

2 Seite 114 G. Reinhart, F.-F. Lacour 1 Einleitung In den letzten Jahrzehnten stieg der Softwareanteil in modernen Maschinen und Anlagen stetig an [ABW+05], [Gla93], [NAB+07], [ZL08]. Mechanische Funktionen werden durch softwaretechnische Lösungen ersetzt, so dass die Steuerungslogik in diesen mechatronischen Systemen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dies resultiert primär aus den gestiegenen Kundenanforderungen an die Funktionsflexibilität, bietet darüber hinaus jedoch das Potenzial für erhebliche Kosteneinsparungen. Den Vorteilen bei der Funktionsvielfalt und den Kosten steht jedoch eine Komplexitätssteigerung in der Steuerungssoftware gegenüber, die zu einer steigenden Fehlerwahrscheinlichkeit in der Steuerungslogik führt. Um dennoch die Vorteile von mechatronischen Produktionsmaschinen weiter auszubauen, werden die Methoden der Virtuellen Inbetriebnahme eingesetzt, um die Steuerungslogik bereits vor dem realen Aufbau an einem virtuellen Simulationsmodell zu validieren. Auf diese Weise können frühzeitig konstruktive Mängel und eine Vielzahl von Fehlern in der Steuerungssoftware erkannt und behoben werden, so dass sich ein Einsparungspotenzial in Bezug auf den Zeitaufwand bei der eigentlichen Inbetriebnahme ergibt [Wün07]. Bisher steht dem Nutzen der Simulation allerdings ein erheblicher Zeitaufwand bei der Erstellung der Simulationsmodelle mit den aktuell am Markt verfügbaren Softwaresystemen gegenüber. Um dennoch die Vorteile der Simulation auch für materialflussintensive Produktionsanlagen nutzen zu können, kann daher eine Methode eingesetzt werden, welche auf der Basis von Physikmodellen 1 das Verhalten von Fördergütern, z.b. bei Transportvorgängen, mithilfe einer so genannten Physik-Engine automatisch abbildet [Spi09]. Obwohl erhebliche Einsparungen bei der Erstellung der Simulationsmodelle erreicht werden, ist bei bisherigen physikbasierten Ansätzen die simulierbare Modellgröße eingeschränkt. So konnte in Versuchen gezeigt werden, dass Anlagenmodelle mit mehr als drei Förderbändern und zehn Transportgütern nicht in Echtzeit simulierbar und somit nicht für eine Hardware-in-the-Loop-Kopplung nutzbar sind [Spi09]. Aus diesem Grund wurde eine neue Methodik entwickelt, so dass auch Anlagenmodelle mit einem komplexen Materialfluss in Echtzeit simuliert werden können [RL10]. Hierzu wurden die bisher konkaven Kollisionskörper des Fördergutes durch eine Menge konvexer Teile ersetzt. Der daraus resultierende Vorteil bei der Berechnungsdauer wurde anschließend anhand eines realitätsnahen Anwendungsszenarios nachgewiesen. Trotz dieses entscheidenden Fortschritts für die physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme wird die Modellgröße aktuell durch die Anzahl und die Komplexität der simulierten kinematischen Strukturen beschränkt. 1 Das Physikmodell umfasst Informationen, welche innerhalb der Simulation für die Abbildung des simulierten physikalischen Verhaltens eines Bauteils verwendet werden (bspw. Masse und Schwerpunkt). Zusätzlich werden in einem Physikmodell auch die Parameter der Umgebung (z. B. Gravitation) definiert.

3 Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme Seite Stand der Wissenschaft und der Technik 2.1 Virtuelle Inbetriebnahme und mechatronische Simulation Bei der Entwicklung und Inbetriebnahme von Produktionsanlagen hat sich die Simulation mittlerweile in vielen Bereichen etabliert [ABW+05]; [Kra01]; [Woj99]. Dennoch stellt die industrielle Umsetzbarkeit die Entwickler und Anwender vor zahlreiche Herausforderungen [NAB+07]; [Wün09]. Gerade der Test der Steuerungsprogramme mithilfe von Simulationssystemen bietet Unternehmen die Möglichkeit, den stetig wachsenden softwaretechnischen Funktionsumfang der Anlagen kontrollieren und einen einwandfreien Ablauf der Produktion bereits vor der Inbetriebnahme der Anlage sicherstellen zu können [PR04]. Um die Steuerungssoftware schon vor dem eigentlichen Aufbau einer Maschine oder Anlage zu testen, werden die Methoden der so genannten Virtuellen Inbetriebnahme [Wün07]; [Dom07]; [RP07] und der mechatronischen Simulation [ZPM05], [RW07b] eingesetzt. Mithilfe dieser Methoden können sowohl die Steuerungslogik, als auch das Maschinenverhalten vorab anhand eines digitalen Modells validiert werden. Darüber hinaus existieren auch Mischformen der Virtuellen und realen Inbetriebnahme, beispielsweise die so genannte Hybride Inbetriebnahme [Dom07], in der schrittweise die Modelle in der Virtuellen Inbetriebnahme durch reale Komponenten ersetzt werden können. Für materialflussintensive Produktionsanlagen mit zahlreichen Prozessgütern ist die Erstellung des Simulationsmodells aktuell sehr arbeitsintensiv [DH07], da unter anderem der Verfahrweg für jedes transportierte Fördergut explizit in Programmierskripten hinterlegt werden muss [Mew05]; [RW07a]. 2.2 Physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme Um die Modellerstellung bei der Virtuellen Inbetriebnahme zu vereinfachen und zu beschleunigen, kann das bisherige Modell des Materialflusses durch ein so genanntes Physikmodell ersetzt werden. Durch diese physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme ist es möglich, den Transport der Fördergüter auf der Basis physikalischer Gesetzmäßigkeiten (wie z. B. Gravitation und Reibung) vorab zu simulieren. Eine wichtige Grundlage der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme ist die Methode zur Erstellung von Physikmodellen zur Simulation von Maschinen und Anlagen im Rahmen eines integrierten Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses [Spi09]. Hierbei wird ein Vorgehen beschrieben, welches die polygonale Oberfläche der Bauteile nutzt, um konkave Kollisionskörper zu erstellen [RL08a]; [RL08b]. Darauf aufbauend wird ein fünfstufiges Vorgehen abgeleitet, mithilfe dessen, ausgehend von den realen 3D-CAD-Daten der Anlage, ein Physikmodell teilautomatisiert erstellt werden kann [RL09]. Insbesondere wird hierfür das vereinfachte Dreiecksnetz der Bauteile genutzt, um das Kollisionsmodell für die physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme abzuleiten. Dieses Kollisionsmodell wird in der Anwendung genutzt, um Kontakte zwischen den Bauteilen zu errechnen und Kollisionsreaktionen der Bauteile zu generieren. Somit ist es möglich, ein physikalisch

4 Seite 116 G. Reinhart, F.-F. Lacour korrektes Verhalten des Fördergutes innerhalb einer Produktionsanlage zu berechnen und die Aussagekraft der Virtuellen Inbetriebnahme zu steigern. Darauf aufbauend wurde eine neue Methode entwickelt, welche die bisher konkaven Kollisionskörper durch eine Menge konvexer Teile ersetzt. Hiermit kann eine erhebliche Beschleunigung der Berechnungsdauer erreicht werden, so dass auch größere Simulationsmodelle in Echtzeit simuliert werden können [RL10]. 2.3 Simulation kinematischer Strukturen Die Simulation kinematischer Strukturen hat in der computerunterstützten Produktentwicklung eine lange Tradition [ABW+07]. Zur rechnerbasierten Lösung kinematischer Fragestellungen wurde daher eine Vielzahl von Methoden, wie bspw. die Mehrkörpersimulation, entwickelt [Sie08]. Die direkte Anwendung dieser Methoden bei der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme ist jedoch nicht möglich, da diese Berechnungen oftmals mehrere Stunden dauern. Eine Berechnungsdauer weniger Millisekunden pro Simulationszyklus (z. B. 10ms) darf jedoch nicht überschritten werden, um interaktive Benutzereingaben während eines Simulationslaufes zu ermöglichen [Spi09]. Um dennoch die kinematische Struktur in Echtzeit zu simulieren, bieten moderne Physik- Engines die Möglichkeit, einfache Gelenke und Motoren zu modellieren, um z. B. Türgelenke zu simulieren. Trotz erster Umsetzungen ist dieser Ansatz für große Produktionsanlagen nicht in Echtzeit simulierbar, aufwendig zu erstellen und daher nicht für den industriellen Einsatz geeignet Simulation von Gelenken und Motoren In der physikbasierten Simulation besitzt jedes Objekt sechs Freiheitsgrade (drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade), so dass sich die Objekte im virtuellen Raum frei bewegen können. Die Anzahl der Freiheitsgrade kann dabei beliebig eingeschränkt werden, um z. B. Drehgelenke und linear bewegliche Gelenke zu simulieren (siehe Bild 1). Bild 1: Schematische Darstellung eines Drehgelenks und eines linear beweglichen Gelenks Diese Gelenke werden weitgehend unabhängig von der geometrischen Repräsentation modelliert. Hierbei werden einer virtuellen Achse zwei Körper zugewiesen [RJ08]. Darüber hinaus ist es möglich, diese einfachen Gelenke um so genannte Motoren zu erweitern, so dass eine aktive Bewegung simuliert wird.

5 Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme Seite Kontaktmodifikation Die Simulation physikalischer Effekte in der physikbasierten Simulation erfolgt in zwei Phasen. Zunächst werden in der so genannten Kollisionserkennung alle Kontakte zwischen den Kollisionskörpern ermittelt. Anschließend werden die daraus resultierenden Reaktionen auf der Basis physikalischer Gesetzmäßigkeiten in der so genannten Kollisionsreaktion berechnet. Insbesondere werden dabei für jeden Kontakt die auftretenden Kräfte ermittelt, um beispielsweise bei einem auftretenden Stoß die resultierende Bewegung zu ermitteln. An dieser Stelle bieten moderne Physik-Engines die Möglichkeit, diese Kontakte zu modifizieren. So ist es möglich, weiche Oberflächen (wie z. B. Gummi) zu simulieren. Dies wird durch eine einfache Skalierung der resultierenden Aufprallkraft erreicht. Darüber hinaus können auch die Positionen der Kontakte entlang einer vorgegebenen Richtung verschoben werden Posensteuerung Ein weiteres Konzept zur Simulation kinematischer Elemente besteht in der Manipulation der Pose 2 eines Objektes. Grundsätzlich können hierbei zwei Methoden unterschieden werden. Zunächst kann die Pose eines Objektes vor einem Simulationsschritt direkt manipuliert werden (direkte Posensteuerung). Darüber hinaus ist es möglich, eine kinematische Bewegung auf eine neue Pose zu definieren (kinematische Posensteuerung). Durch die direkte Posensteuerung eines Objektes wird dieses im anschließenden Simulationsschritt an der neuen Pose platziert. Dabei werden alle bestehenden Kontakte verworfen. Somit wird das Objekt 2 in Bild 2 bei einer Bewegung nach links auf die neue Pose gesetzt und das Objekt 1 verharrt in der Ausgangspose. Objekt 1 Objekt 2 Bild 2: Bei der direkten Manipulation der Pose von Objekt 2 wird Objekt 1 nicht transportiert, da die bestehenden Kontakte (Kreise) verworfen werden. Alternativ hierzu werden bei der kinematischen Bewegung von Objekt 2 auf die neue Pose die bestehenden Kontakte nicht aufgelöst. Somit wird Objekt 1, durch die Verfahrbewegung von Objekt 2, in Kombination mit den bestehenden Kontakten ebenfalls auf eine neue Pose gesetzt (siehe Bild 3). 2 Eine Pose ist die Kombination von Position und Orientierung eines Objektes im dreidimensionalen Raum [DIN94].

6 Seite 118 G. Reinhart, F.-F. Lacour Objekt 1 Objekt 2 Bild 3: Die kinematische Bewegung der Pose von Objekt 2 führt zu dem gewünschten Transport von Objekt 1 nach links, da die bestehenden Kontakte (Kreise) beibehalten werden. Somit bleibt das obere Objekt in diesem Fall auf derselben Pose relativ zum unteren Objekt stehen. Durch diese kinematischen Verfahrbewegungen werden in Physik- Engines oftmals bewegte Plattformen simuliert, um darauf positionierte Objekte zu transportieren. 3 Vorverarbeitung der Bauteilhierarchie Die Nutzbarmachung der beschriebenen Posensteuerung zur kinematischen Simulation bedarf einer Anpassung der Modellstruktur in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme. Den Ausgangspunkt zur Definition des kinematischen Modells stellt das triangulierte Geometriemodell dar [RL09]. Die Objekte im triangulierten Modell werden, entsprechend der Hierarchie im 3D-CAD-Modell, in einem so genannten Szenegraphen verwaltet. Dieser ist im Wesentlichen ein gerichteter Baum mit einer Reihe von Transformationsknoten und Geometrieblättern. Im Gegensatz hierzu erwarten Physik-Engines Objekte mit maximal einem Transformationsknoten. Darüber hinaus darf in diesem Transformationsknoten, meist eine 4x4 Matrix zur Kodierung von Translation und Rotation (homogene Transformationsmatrix), keine Skalierung enthalten sein. Dies gilt insbesondere für die Manipulation der Pose eines Bauteiles, da der resultierende Transformationsknoten des Objektes skalierungsfrei sein muss. Demgegenüber stehen die Szenegraphen der triangulierten Modelle, die Skalierungsanteile in den Transformationsknoten enthalten. Somit wird das Bauteil bei einer Manipulation der Pose in der graphischen Repräsentation falsch skaliert. Bisher wurde daher für jedes Objekt die so genannte Weltmatrix berechnet und die Eckpunkte sowie die Normalen der Geometrie in das Weltkoordinatensystem transformiert. Dieses Verfahren ist sehr rechenintensiv und führt darüber hinaus zum Verlust der ursprünglichen Bauteilhierarchie. Folglich muss der Skalierungsanteil aus den Transformationsmatrizen extrahiert werden, wobei die eigentliche graphische Repräsentation nicht beeinträchtigt werden darf. Die polare Zerlegung von Matrizen [Hec00] ermöglicht die Zerlegung einer beliebigen Matrix in 3, mit einem skalierungsfreien Anteil und einem Skalierungsanteil in. Die Matrix T beinhaltet hierbei den translatorischen Anteil von M. 3 Genau genommen wird in zerlegt, jedoch wurde auf die Multiplikationszeichen zwischen den einzelnen Matrizen zu Gunsten der Lesbarkeit verzichtet.

7 Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme Seite 119 Die Matrix, die so genannte Flip -Matrix, ist entweder die positive oder negative Identität. und sind Rotationsmatrizen und ist die Skalierungsmatrix, die auf ihrer Diagonalen positive reelle Werte oder Nullen beinhaltet. Somit ist es möglich, die Transformationsmatrix des Bauteiles mit zu multiplizieren, so dass die resultierende Transformationsmatrix des Bauteiles skalierungsfrei ist (formal:. Um den dadurch induzierten Skalierungsfehler in der graphischen Repräsentation wiederum auszugleichen, wird unterhalb des Transformationsknotens eine weitere Transformationsmatrix eingefügt, so dass die ursprüngliche Weltmatrix und die transformierte Weltmatrix identisch sind (siehe Bild 4). Bauteil01 M=TFRUKU t Bauteil01 M=TFR M=UKU t Legende Transformationsknoten Geometrieblatt M Lokale Matrix des Transformationsknotens Bild 4: Splittung der Transformationsmatrix des Bauteiles Bauteil01 auf die zwei Transformationsknoten mit den Matrizen und. Nach Abschluss der Vorverarbeitung des Geometriemodells entsteht so ein Szenegraph aus skalierungsfreien Matrizen für die beweglichen Bauteile. Die skalierungsfreien Matrizen der Bauteile können folglich bei der Posensteuerung mit einer beliebigen Pose überschrieben werden, ohne die graphische Skalierung zu beeinträchtigen. 4 Modellierung kinematischer Strukturen Bei der Virtuellen Inbetriebnahme sind insbesondere die Verfahrwege des Förderguts und die Trajektorien der Anlagenkinematiken von großem Interesse. Bisher wurden daher die graphischen Repräsentationen der Bauteile und der kinematischen Achsen durch manuell implementierte Verfahrwege animiert. Diese direkte Posensteuerung ist jedoch bei dem Einsatz eines Physikmodells nicht zulässig, da hierdurch unter Umständen einzelne Bauteile in Fördergüter gesetzt werden können, so dass instabile Simulationszustände auftreten 4. Somit bedarf es neuartiger Methoden, um das kinematische Verhalten einer Produktionsanlage zu simulieren. Um dieses Problem zu beheben, wer- 4 Die Physik-Engine versucht daraufhin diese Durchdringung aufzulösen und erzeugt hohe, auf das Fördergut wirkende, Kräfte.

8 Seite 120 G. Reinhart, F.-F. Lacour den nach dem aktuellen Stand der Technik einfache Motoren und Gelenke als Abstraktion der kinematischen Struktur eingesetzt, die jedoch bei der Simulation großer Produktionsanlagen zu hohen Rechenaufwänden führen. Alternativ zu der Modellierung mit Gelenken und Motoren können kinematische Strukturen mithilfe der Kontaktmanipulation und der Posensteuerung simuliert werden. Hierbei wird im Folgenden zwischen den Gruppen der Verarbeitungssysteme und der Fördersysteme differenziert. 4.1 Integration kinematischer Verarbeitungssysteme Bei der Modellierung und Simulation kinematischer Verarbeitungssysteme können sowohl vordefinierte Verfahrwege abgefahren werden, als auch die Posen extern von der Steuerung vorgegeben werden. Bei der Nutzung vordefinierter Verfahrwege wird eine Menge von Posen im Simulationssystem hinterlegt. Die Steuerung übermittelt während der Simulation lediglich die Verfahrgeschwindigkeit, so dass die notwendigen Posen automatisch aus der hinterlegten Trajektorie ermittelt werden. Die auftretenden Kollisionen werden kinematisch korrekt abgearbeitet, so dass das kreisrunde Objekt in Bild 5 von seiner ursprünglichen Position verschoben wird. Legende Kinematisch bewegtes Bauteil Frei bewegliches Objekt Pose im nächsten Simulationsschritt Bild 5: Kinematische Bewegung eines Objektes entlang eines vorgegebenen Verfahrweges Bei der Steuerung der Posen über die externe Steuerung werden die anzufahrenden Posen im Steuerungssystem berechnet und anschließend an die Softwareumgebung zur physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme übermittelt. Hierbei wird die Pose als 4x4 Matrix kodiert und innerhalb des Simulationssystems an die entsprechenden Objekte in der Bauteilehierarchie weitergeleitet. Dies entspricht im Kern der Animation der graphischen Repräsentation, jedoch wird bei der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme nicht die Pose direkt gesetzt, sondern kinematisch korrekt angefahren (vgl. Abschnitt 2.3.3). Mithilfe dieser neuen Methode ist es beispielsweise möglich, einen Greifvorgang, wie in Bild 6 dargestellt, zu simulieren. Zunächst werden die anzufahrenden Posen an die beiden Backen des Greifers übermittelt und über die Physik-Engine die Bewegung simuliert. Somit wird das Objekt (schematisch als Kreis in Bild 6 dargestellt) zwischen die beiden Backen geklemmt und bei weiteren Bewegungen der Backen transportiert (siehe Bild 6 rechts). Im Gegensatz dazu würde beim Setzen der Pose in der klassischen Vorgehensweise das Objekt nicht transportiert werden.

9 Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme Seite 121 Legende Kinematisch bewegtes Bauteil Frei bewegliches Objekt Pose im nächsten Simulationsschritt Bild 6: Durch die kinematische Bewegung der Backen kann der Greifvorgang korrekt in die physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme integriert werden Durch diese beiden Methoden ist es möglich, die Kinematik des Verarbeitungssystems in verschiedener Detaillierung zu modellieren. Einerseits können durch die direkte Posensteuerung sich häufig verändernde Verfahrwege, wie sie beispielsweise bei Pickand-Place-Anwendungen auftreten, simuliert werden. Andererseits ist es somit möglich, konstante Bewegungen eines Verarbeitungssystems aufwandsarm zu hinterlegen und in die Simulation zu integrieren. Die resultierenden Bewegungen der Anlagenkinematik werden somit in die physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme integriert und die korrekte Interaktion mit dem Fördergut gewährleistet. 4.2 Abbildung kinematischer Fördersysteme Die Abbildung von Fördersystemen kann durch Kontaktmodifikation und durch die Definition der kinematischen Verfahrwege der Förderelemente in verschiedenen Detaillierungsstufen erfolgen. Die Modellierung über die Kontaktmodifikation ermöglicht die Simulation einfacher Förderbänder. Durch die Vorgabe eines normierten Geschwindigkeitsvektors und einer Skalierung (entspricht der Geschwindigkeit des Förderbandes ) können somit beispielsweise Gurtförderer aufwandsarm in die physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme integriert werden. Hierbei wird beim Auftreten eines Kontaktes zwischen Fördergut und Fördersystem die resultierende Kraft in dem Kontakt berechnet und gleichzeitig der Kontaktpunkt um den Geschwindigkeitsvektor, skaliert um die vorgegebene Geschwindigkeit, verschoben (siehe Bild 7). Somit wird das Fördergut physikalisch korrekt auf dem Fördersystem transportiert. Bild 7: Die Modifikation des Kontaktes führt zu dem gewünschten Fördereffekt Alternativ zur Simulation eines Fördersystems mithilfe der Kontaktsimulation ist es in anderen Anwendungsfällen notwendig, eine detailliertere Abbildung des Transportmechanismus zu modellieren. Insbesondere im Falle von Gliederförderern müssen die einzelnen Glieder in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme kinematisch korrekt simuliert werden. Für jede Förderplatte kann eine Menge von Posen vorgegeben werden, die anschließend in der Simulation abgefahren werden. Somit wird die kinematische Bewegung des Fördersystems abgebildet (siehe Bild 8).

10 Seite 122 G. Reinhart, F.-F. Lacour Bild 8: Durch die Vorgabe der Posen entlang einer Förderstrecke wird ein Bauteil auf den Förderplatten korrekt transportiert Dieses Vorgehen zur Erstellung der kinematischen Verfahrwege ist bei einer großen Anzahl von Förderplatten sehr zeitintensiv, da die Trajektorie für jedes Bauteil einzeln modelliert werden muss. Um diesen Aufwand zu reduzieren, wird daher für die physikbasierte Virtuelle Inbetriebnahme ein neuer Ansatz verfolgt. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich die Verfahrwege der einzelnen Förderglieder lediglich um die Startposition unterscheiden, der Verfahrweg ansonsten jedoch identisch ist. Daher wird die kinematische Bewegung nur für eine Förderplatte modelliert und als parametrische Kurve mathematisch beschrieben. Ausgehend von der definierten Kurve und den initialen Posen der Förderplatten wird für jede Platte ein so genannter Startparameter nach folgender Formel festgelegt: # Hierbei bezeichnet eine Nummer zwischen 0 und der Anzahl der Objekte (#Objekte) und der maximale Kurvenparameter der Kurve. Während eines Simulationslaufs wird anschließend für jedes Bauteil der neue Kurvenparameter durch folgende Formel bestimmt: / Hierbei bezeichnet die aktuelle Geschwindigkeit des Förderbandes, die aktuelle Zeitschrittweite und die Gesamtlänge des Verfahrweges. Ausgehend von diesem Kurvenparameter wird die Kurve ausgewertet und die entsprechende Pose auf die Förderplatte kinematisch übertragen. Somit verfahren die Förderplatten, ausgehend von ihrer Startpose, korrekt entlang der Kurve und simulieren so ein kinematisch geschlossenes Fördersystem. 5 Anwendungsszenario Um die skalierbare Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme zu validieren, wird im Folgenden der Aufbau und das Modell eines realitätsnahen Anwendungsszenarios aus dem Bereich der Automatisierungstechnik spezifiziert. Zunächst werden Kisten über ein Fördersystem angeliefert und anschließend in einer Verarbeitungsstation auf eine Ablagefläche transportiert. Hierzu werden

11 Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme Seite 123 ein grobes Modell und ein detailliertes Modell simuliert, um schrittweise die Anlage- spezifika zu definieren. 5.1 Grobplanungsphase Das Modell der Grobplanungsphase dient zur Klärung des grundsätzlichenn Aufbaues und der notwendigen Automatisierungskomponenten. Das Fördersystem ist mithilfe der Kontaktsimulation als Quader modelliert. Das Verarbeitungssystem zum Transport der Kisten ist durch die Vorgabe fester Verfahrwege der Greiferbacken aufwandsarm abge- bildet (siehe Bild 9). Bild 9: Das Layout und der Transportmechanismus der Anlage in der Grobplanung Hierzu werden in einem 3D-CAD-System der Verfahrweg der Greiferbacken als ma- diesen thematische Kurve definiert und in das Simulationssystem übertragen. Durch kinematischen Verfahrweg werden die Kisten auf eine konstante Absetzposition beför- möglich war (siehe Bild dert, was mit bisherigen Verfahren nur durch aufwändige, manuelle Implementierung 10). Bild 10: Die Modellierung Kurve der Verfahrwege der Greiferbacken als mathematische Das Ergebnis diverser Simulationsläufe liefert ein grundsätzliches Verständnis der Funktionsweise der Anlage und dient als Ausgangsbasis für die Feinplanung der Anla- ge. 5.2 Feinplanungsphase Im Modell der Feinplanung ist das Fördersystem durch einen Plattenfördermechanismus konkretisiert und dabei kinematisch in das Simulationssystem integriert, um die darauf

12 Seite 124 G. Reinhart, F.-F. Lacour abgestellten Kisten korrekt an das Ende des Bandes zu befördern. Hierbei ist die Simulationsmethode der kinematischen Verfahrwege gewählt und das Transportgut durch detailliertere geometrische Beschreibungen abgebildet. Im Gegensatz hierzu wäre der Fördermechanismus in klassischen Systemen vollständig durch Motoren und Gelenke abgebildet und somit nicht in Echtzeit simulierbar. Die Posen der Greiferbacken im Verarbeitungssystem werden extern in der Steuerung berechnet und über das Netzwerk an das Simulationssystem übertragen. Somit können die konkreten Pick-and-Place Algorithmen physikbasiert validiert werden und verschiedene Absetzstrategien verfolgt werden. Hierzu wird das Verfahren der kinematischen Posensteuerung genutzt, um den Greifprozess zu simulieren. Der Transport wird somit durch die Kontakte zwischen Greiferbacken und Kiste simuliert, was eine realitätsnahe Validierung ermöglicht. Die Durchführung von Simulationsläufen der Anlage zeigt, dass bei der Absetzposition der Kisten in der Verarbeitungsstation weiterer Optimierungsbedarf besteht, da hier Kollisionen der Kisten entstehen (siehe Bild 11). Bild 11: Durch kinematische Bewegung der Greiferposen werden die Kisten korrekt in die Verarbeitungsstation transportiert und führen dort zu Kollisionen 5.3 Ergebnisse Zusammenfassend kann mithilfe des gewählten Anwendungsszenarios die praktische Umsetzbarkeit der skalierbaren Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme nachgewiesen werden und der effiziente Einsatz in verschiedenen Detaillierungsstufen belegt werden. Der Vorteil der vorgestellten Methodik besteht somit in der skalierbaren Umsetzung von Lösungskonzepten und der zeiteffizienten Integration in die Simulationsumgebung. Mithilfe dieses neuen Ansatzes können eine Vielzahl von Lösungsvarianten produktionstechnischer Anlagen kostengünstig überprüft und validiert werden. Darüber hinaus können verschiedene Detaillierungsstufen im Entwicklungsprozess simuliert werden und somit frühzeitig konstruktive Mängel ausgebessert werden. 6 Resümee und Ausblick Die Virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen wird in immer mehr Unternehmen umgesetzt, um wertvolle Zeit bei der Entwicklung und Inbetriebnahme zu sparen. Der hohe Aufwand bei der Modellerstellung für die Simulation führt dazu, dass der wirtschaftliche Nutzen in Frage gestellt wird. Ein Lösungsansatz besteht in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme, bei welcher der Materialfluss mittels eines Phy-

13 Simulation kinematischer Strukturen in der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme Seite 125 sikmodells erstellt wird. Trotz erster Erfolge der neuen Methodik, ist die Abbildung kinematischer Strukturen bisher stark limitiert. Daher wurden die neuen Methoden der vordefinierten Verfahrwege und der externen kinematischen Posensteuerung zur Modellierung von Verarbeitungssystemen präsentiert. Darüber hinaus wurden die Kontaktsimulation und die kinematische Bewegung von Fördersystemen dargestellt, so dass ein skalierbarer Detaillierungsgrad bei der physikbasierten Virtuellen Inbetriebnahme möglich ist. Basierend auf den ausgeführten Betrachtungen wurde Forschungs- und Entwicklungsbedarf in den folgenden Bereichen identifiziert: Formlabile Bauteile und flüssige Stoffe: In modernen Produktionsanlagen werden nicht nur starre Teile transportiert. Die physikalische Simulation muss daher um flexible Körper und flüssige Stoffe erweitert werden, da diese in Produktionsanlagen oft vorkommen (z. B. beim Abfüllen von Getränken). Um dieses Potenzial in vollem Umfang für ein breites Anwenderspektrum nutzbar zu machen, bedarf es eines neuen Vorgehens und Datenformats, welches eine durchgehende Verwaltung formlabiler und flüssiger Stoffe ermöglicht. Skalierbarkeit der Bauteilgröße: Kleinteile werden heute aus Kostengründen häufig im Haufwerk verschickt. Zur automatischen Montage müssen diese aus dem Haufwerk vereinzelt und lagerichtig am Montageort bereitgestellt werden. Dazu werden in den meisten Fällen Vibrationswendelförderer (VWF) eingesetzt. Bei dem Entwurf und der Konstruktion dieser VWF erfordert insbesondere die Auslegung der mechanischen Ordnungssysteme großes Erfahrungswissen, um die kritischen Parameter, wie beispielsweise die Fallhöhe, zu bestimmen. Dies wird dabei häufig zeit- und kostenaufwendig an realen Prototypen durchgeführt. Die physikalische Simulation hat hier ein erhebliches Potenzial, Entwicklungszeit sowie -kosten bei der Schikanengestaltung zu reduzieren, da bereits vorab die geometrische Form optimiert werden kann, ohne eine reale Schikane fertigen bzw. anpassen zu müssen. Die in diesem Artikel beschriebenen Ergebnisse wurden im Forschungsprojekt Methode zur Erstellung von Physikmodellen für die Simulation des maschinen- und anlageninternen Materialhandlings zur Virtuellen Inbetriebnahme (PhySiMa) erarbeitet, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. 7 Literatur [ABW+05] [DH07] ALTINTAS, Y.; BRECHER, C.; WECK, M.; WITT, S.: Virtual Machine Tool. Annals of the CIRP 54 (2005) 2, S DOMINKA, S.; HEUSCHMANN, C.: Prozessgutsimulation und Anlagenteilsimulation zur Verkürzung der Inbetriebnahme. atp - Automatisierungstechnische Praxis 49 (2007) 3, S

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