Lösungselement-basiertes Virtual Prototyping von selbstoptimierenden mechatronischen Systemen

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1 Lösungselement-basiertes Virtual Prototyping von selbstoptimierenden mechatronischen Systemen Prof. Dr.-Ing. J. Gausemeier, J. Bauch, R. Radkowski, Qing Shen Heinz Nixdorf Institut Universität Paderborn Dr. rer. nat. W. Müller, Dr. rer. nat. V. Paelke C-LAB Universität Paderborn Zusammenfassung Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus beruhen auf dem Zusammenwirken von Lösungselementen (LE). Diese verkörpern Ingenieurwissen, welches bewährte Lösungen für neue Konstruktionsaufgaben wieder verwendbar macht. Die hohe Komplexität des informationstechnischen Zusammenwirkens kann dabei leicht die Vorstellungskraft des Entwicklungsingenieurs überschreiten. Die Notwendigkeit, möglichst eine große Anzahl von künftigen Verhaltensmustern des selbstoptimierenden Systems im Rahmen des Entwurfs effizient durchzuspielen, verlangt nach neuen Werkzeugen für das Virtual Prototyping. Wir stellen in diesem Papier ein Virtual Prototyping Werkzeug für den Lösungselementbasierten Entwurf von mechatronischen Systemen vor. Mit Hilfe der Techniken Virtual Reality, Simulation und Visualisierung wird der Ingenieur in die Lage versetzt, ein selbstoptimierendes mechatronisches System auf intuitive Weise zu entwerfen und das Systemverhalten interaktiv zu explorieren. 1 Einführung Moderne Systeme des Maschinenbaus beruhen auf dem engen Zusammenwirken von Elementen aus den Bereichen Mechanik, Elektrotechnik, Reglungstechnik und Softwaretechnik, was durch den Begriff Mechatronik ausgedrückt wird. Ziel der Mechatronik ist es, das Verhalten eines technischen Systems zu verbessern, indem mit Hilfe von Sensoren Informationen über die Umgebung und das System erfasst werden. Die Informationen werden verarbeitet und mit Hilfe von Aktoren wird eine situationsabhängige, optimale Reaktion ausgelöst. Selbstoptimierung geht darüber hinaus. Unter Selbstoptimierung wird die endogene Änderung des Zielvektors auf veränderte Umweltbedingungen und die daraus resultierende zielkonforme autonome Anpassung der Struktur, des Verhaltens sowie der Parameter dieses Systems verstanden. Die zunehmende Leistungsfähigkeit der in mechatronischen Baugruppen integrierten Hardund Software ermöglicht es heute, Systemelemente zu schaffen, die über eine inhärente Teilintelligenz verfügen. Das selbstoptimierende Verhalten des Gesamtsystems wird durch die Kommunikation und Kooperation der intelligenten Systemelemente geprägt. Ein solches System kann sich während des Betriebs selbständig an wechselnde Anforderungen anpassen. Das Gesamtsystem wird dadurch in seinem Zusammenwirken flexibler, jedoch auch komplexer als ein konventionelles System. Da das resultierende

2 Verhalten des selbstoptimierenden Systems von den Entwicklern in seiner Breite häufig kaum noch antizipiert werden kann, werden geeignete Prozesse und Werkzeuge zur rationellen Exploration benötigt. Auch für die Kommunikation der Entwickler und zur Präsentation des Systems werden geeignete Werkzeuge benötigt, die in der Lage sind die ablaufenden Mechanismen der Selbstoptimierung sichtbar und verständlich zu machen. Unser grundsätzliches Ziel ist die Entwicklung und Erprobung neuer Interaktions-, Darstellungs- und Analysetechniken zur Konstruktion und Verifikation von selbstoptimierenden mechatronischen Systemen am virtuellen Prototypen. Dies soll eine möglichst große Anzahl von Verhaltensweisen des in Entwicklung befindlichen selbstoptimierenden Systems analysieren helfen. Für unsere Entwicklungsumgebung Nutzen wir daher die Technik der Virtual Reality (VR) um ein intuitives Arbeiten mit dem System zu ermöglichen und die Kommunikation in interdisziplinären Teams zu unterstützen. 2 Lösungselement-basiertes Virtual Prototyping Unsere Virtual Prototyping Umgebung baut auf dem im modernen Maschinenbau entstandenen Konzept der Lösungselemente auf [GL00]. Nach diesem Konzept beruhen mechatronische Systeme auf dem Zusammenwirken von Lösungselementen. Diese verkörpern Ingenieurwissen, welches bewährte Lösungen für neue Konstruktionsaufgaben wieder verwendbar macht. Lösungselemente können dabei z.b. Maschinenelemente, elektronische Baugruppen oder mechatronische Funktionsmodule sein. Dabei wird im Rahmen der Konzipierung eines mechatronischen Systems nach geeigneten Lösungselementen gesucht, die in der Lage sind, die benötigten Funktionen zu erfüllen. Lösungselemente können dabei hierarchisch gegliedert sein. Falls kein geeignetes Lösungselement für die Gesamtfunktion existiert kann eine benötigte Funktion in Unterfunktionen aufgegliedert werden. Die Funktion wird solange detailliert, bis Lösungselemente zur Erfüllung der Unterfunktion gefunden wurden. Der sich daraus ergebende Zusammenschluss von Lösungselementen kann in zukünftigen Konstruktionen als neues Lösungselement genutzt werden [PB97]. In unserem Virtual Prototyping System konstruieren wir selbstoptimierende mechatronische Systeme nach diesem Konzept. Wir betrachten Lösungselemente als Container für bewährtes Ingenieurswissen. Den Entwicklern stehen Lösungselemente unterschiedlichen Detaillierungsgrades zur Verfügung: Konkrete Lösungselemente (KLE) entsprechen serienreifen Bauteilen, die direkt als Komponenten in einem Entwicklungsprojekt genutzt werden können. Konkret haben wir diese Lösungselemente in Form mechanischer Komponenten sowie in Form elektrischer und informationstechnischer Baugruppen und Systemblöcke integriert. Beispiele sind servohydraulische Motoren oder Aktoren mit integrierten Sensoren. Darüber hinaus werden auch abstrakte Lösungselemente (ALE) unterstützt. ALE verkörpern bewährtes Ingenieurswissen als Prinziplösung ohne vollständige konkrete Ausprägung. Beispiele sind parametrisierbare Elemente, die der Ingenieur erst beim Entwurf konfiguriert. Zu ihnen gehören auch Elemente, welche nicht über eine Gestalt verfügen oder Platzhalter, für die zunächst nur ein Bauraum und eine Schnittstelle definiert wird. Die Integration von ALE ist notwendig, da nicht immer davon ausgegangen werden kann, dass alle Funktionen von Beginn an durch konkrete Lösungselemente repräsentiert werden

3 können. Sie bieten dem Konstrukteur die Möglichkeit seine Arbeit mit unserem Virtual Prototyping System fortzusetzen, wenn keine konkreten Lösungselemente zur Verfügung stehen. Indem die Virtual Prototyping Umgebung den Lösungselement-basierten Aufbau, die interaktive Modifikation und die simulationsgestützte Analyse ermöglicht, vereinfacht sie insbesondere die Systemkonzeption in den frühen Phasen des Entwurfs: Unterschiedliche Systementwürfe können von interdisziplinären Entwicklerteams in einer für kooperative Arbeit geeigneten VR Umgebung schnell analysiert und verglichen werden. Durch die frühzeitige Exploration vieler denkbarer Systemstrukturen können kostspielige Parallelentwicklungen minimiert und mögliche Probleme früher erkannt werden. Ein solch exploratives Vorgehen ist sinnvoll und oftmals notwendig, weil bislang nur wenige Erfahrungen in der Entwicklung selbstoptimierender mechatronischer Systeme vorliegen. Die empirische Konstruktionsforschung stellte fest, dass kein etabliertes Vorgehen existiert, sondern das Entwickeln auf einer Vielzahl individuell beeinflusster Entwicklungsprozesse basiert [FBB98]. Ein Ansatz für ein domänenübergreifendes Vorgehen selbstoptimierender mechatronischer Systeme stellt die VDI Richtlinie VDI2206 dar. Sie bietet einen Handlungsleitfaden für den Entwurf mechatronischer Systeme (siehe [VDI2206]). Unser Vorgehen für die Konzipierung selbstoptimierender mechatronischer Systeme auf Basis von Lösungselementen haben wir an die Richtlinie VDI2206 angelehnt. Der folgende Abschnitt definiert zunächst den Entwurfsprozess. In Abschnitt 3 beschreiben wir das Konzept für die prototypische Umsetzung des Virtual Prototyping Werkzeuges sowie die ausgewählte Software und Hardware. Das Zusammenwirken wird in Abschnitt 4 an einem praktischen Beispiel illustriert. Wir schließen mit einer Zusammenfassung und einem Blick auf verwandte und zukünftige Arbeiten. 2.1 Der Lösungselement-basierte Entwurfsprozess Entwurfsaktivitäten wie das Erstellen unterschiedlicher kinematischer Grundsysteme in den frühen Entwurfsphasen werden auch heute noch mit Papier und Bleistift ausgeführt. Es ist sinnvoll, dass diese Aktivitäten zukünftig bereits rechnerunterstützt ablaufen, damit die erarbeiteten Ergebnisse anschließend direkt in Analyse- und Simulationswerkzeugen verwendet werden können. Ziel unserer Arbeit ist die Entwicklung und Erprobung neuer Interaktions-, Darstellungs- und Analysetechniken, welche den Konstrukteur bei der Durchführung dieser Tätigkeiten unterstützen. Ein Entwicklungsteam soll in der Lage sein ein domänen-übergreifendes Lösungskonzept entwickeln zu können, in dem ein Großteil der Funktionen durch Lösungselemente realisiert werden kann. Dabei ist es notwendig, die Schnittstellen zwischen den verschiedenen Teilsystemen und Domänen zu definieren. Der vorgeschlagene Entwurfsprozess wurde in Anlehnung an den Systementwurf nach der Richtlinie VDI 2206 entworfen(siehe dazu [VDI2206]). Der lösungselement-basierte Entwurf beginnt mit der Übernahme einer zuvor, nach gängigen Methoden erstellte Funktionsstruktur (z.b. nach Pahl/Beitz [PB97]). Im nächsten Schritt wird analysiert welche Lösungselemente potentiell zur Lösung der Entwicklungsaufgabe geeignet sind. Dadurch soll die Menge der angebotenen Lösungselemente auf eine für den Entwickler beherrschbare Anzahl reduziert werden. In einer darauf folgenden Synthese-/ und

4 Analysephase wird das Produkt iterativ aufgebaut. Dabei entstehen typischerweise mehrere Lösungsvarianten des mechatronischen Systems. In einer abschließenden Bewertung werden die Lösungsvarianten ermittelt, welche weiter verfolgt und detailliert ausgearbeitet werden sollen. In der Praxis ist es häufig nicht möglich, die Konzeptlösung sofort durch Simulationen zu verifizieren. Unser Ziel ist es, dem Konstrukteur bereits während der Konzipierung eine schnelle Absicherung der Entwürfe zu ermöglichen. Im Idealfall kann die Anzahl von Lösungsalternativen auf ein einziges domänenübergreifende Lösungskonzept minimiert werden. Im Folgenden wird die Synthese-/ und Analysephase mit den Teilschritten Mechanisches Grundsystems erarbeiten, Bewegungsanalyse durchführen und Informationsverarbeitung ergänzen genauer beschrieben (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: Prozessschritte des Lösungselement-basierten Entwurfs Mechanisches Grundsystem erarbeiten: Ausgehend von den Informationen, die in der vorliegenden Funktionsstruktur enthalten sind, wird ein mechanisches Grundsystem, bestehend aus Lösungselementen entworfen. Die Bauteile werden anhand ihrer graphischen Repräsentation aus einer Bibliothek ausgewählt. Es ist also nicht notwendig, dass der Konstrukteur die abstrakten Bezeichnungen der einzelnen Lösungselemente kennt. Funktionen wie Antreiben, oder Messen können direkt durch konkrete Lösungselemente realisiert werden. Unterschiedliche Antriebsarten können durch einfachen Austausch der zugehörigen Lösungselemente getestet werden. Funktionen wie

5 beispielsweise Tragen, die in den frühen Phasen der Entwicklung in der Regel noch nicht durch konkrete Lösungselemente realisiert werden können, lassen sich durch abstrakte, parametrisierbare Lösungselemente wie z.b. einen Zylinder nachbilden. Zur Erstellung von Verbindungen zwischen den Lösungselementen stehen definierte Connection Points (CP) zur Verfügung. Nach Pahl/ Beitz können die funktionalen Abhängigkeiten durch Stoff-, Energie- und Informationsfluss charakterisiert werden [PB97]. Darum verwenden wir unterschiedliche Typen von Connection Points(CP). CP zum Herstellen von mechanischen Verbindungen, sowie für den Stoff-, Energie- und Informationsfluss. Durch Verknüpfung der Bauteile an deren Connection Points kann der Konstrukteur sein späteres Produkt entwerfen. Da in jedem Lösungselement Modelle zur Simulation des jeweiligen Verhaltens hinterlegt sind, kann parallel zum Gestaltmodell bzw. der Baustruktur auch die Wirkstruktur sowie das physikalische Simulationsmodell erstellt werden. Bewegungsanalyse durchführen: Im nächsten Schritt wird durch eine interaktive Echtzeitsimulation das kinematische und dynamische Bewegungsverhalten der ungeregelten Konstruktion erprobt. Diese Überprüfung kann sofort, ohne die explizite Erstellung von physikalischen Ersatzmodellen erfolgen. Die benötigten Ersatzmodelle wurden vom System während der Komposition des mechanischen Grundsystems aus Lösungselementen automatisch erstellt. Zur Überprüfung des Verhaltens stehen unterschiedliche Testanregungen zur Verfügung. Eine direkte Interaktion mit der entwickelten Lösung ist ebenfalls möglich. Der Ingenieur kann z.b. eine Kraft auf einen der mechanischen Körper ausüben. So wird unmittelbar erkennbar, ob das erstellte Grundsystem das gewünschte Bewegungsverhalten aufweist. Informationsverarbeitung ergänzen: Wurde ein mechanisches Grundsystem entworfen, dessen ungeregeltes Bewegungsverhalten den Anforderungen entspricht, können die informationsverarbeitenden Komponenten ergänzt werden. Dabei handelt es sich sowohl um gestaltbehaftete Elemente, wie beispielsweise Prozessoren, Sensoren und Aktoren, deren physikalische Eigenschaften bei der Erstellung der Systemdynamik im weiteren Verlauf ebenfalls berücksichtigt werden müssen, sowie um rein funktionale Bauteile, wie z.b. die durch Blockschaltbilder repräsentierten Komponenten der Reglungstechnik. Dabei ist es eine große Herausforderung, auch solche immateriellen, nichtgestaltbehaftete Komponenten in eine homogene Entwicklungsumgebung zu integrieren. In unserer Anwendung haben wir uns für eine kombinierte Darstellung auf zwei unterschiedlichen Ausgabegeräten entschieden. Gestaltbasierte Lösungselemente werden interaktiv in der 3D-Virtual Reality Umgebung zu einer Gesamtkonstruktion zusammengefügt. Die Konzipierung der Regelung erfolgt auf einer 2D-Workbench (siehe Abbildung 2 und Abschnitt 3.2). Der Regelungstechniker kann einen Regler interaktiv entwerfen und die Auswirkungen, d.h. die Systemantwort des im vorhergehenden Teilschritt entworfenen mechanischen Grundsystems sofort begutachten. Konfigurationsund Parameteränderungen sind sofort sichtbar. Durch die geeignete Visualisierung des geänderten Systemverhaltens werden auch Entwicklern aus fremden Domänen die Auswirkungen von Änderungen deutlich, dies schafft mehr Kapazität für die kreative Entwurfsarbeit und erleichtert die interdisziplinäre Zusammenarbeit.

6 3 Systemkonzeption und prototypische Umsetzung In den folgenden Abschnitten wird der Prototyp des Virtual Prototyping Systems zum Entwurf eines mechatronischen Produktes durch Komposition von Lösungselementen beschrieben. 3.1 Software Architektur Das Virtual Prototyping System muss zwei wesentliche Tätigkeiten unterstützen: Den Zusammenbau eines Prototypen in unser Virtual Prototyping Umgebung oder auch Assembly-Umgebung zur Entwurfszeit und die simulationsgestützte Analyse des Protoypen zur Laufzeit in der aus Simulationen und Visualisierung bestehenden Laufzeit-Umgebung. Im praktischen Einsatz können sich beide Nutzungsphasen in einem iterativen Zyklus kurzfristig abwechseln. Um beide Tätigkeiten im Wechsel zu unterstützen, ist unser hier mit X4D bezeichnete Softwaresystem in folgende Bestandteile aufgegliedert: Abbildung 2 - X4D-Architektur Das X4D-Datenformat: Eine Beschreibung des aus Lösungs-Elementen zusammengesetzten virtuellen Prototyps als hierarchischer Graph, basierend auf X4D-Knoten. Das X4D-Datenformat baut auf den Konzepten des ISO Standards

7 X3D [X3D] auf und stellt Knotentypen für Lösungselemente zur Verfügung, die neben den in X3D üblichen Gestalt-Informationen die verschiedenen Aspektmodelle mechatronischer Bauelemente beschreiben. X4D-Knoten können darüber hinaus die Beschreibung so genannter "actions" enthalten: Dies sind Aktionen, die bei einer entsprechenden Traversierung der Datenstruktur ausgeführt werden. So können zur Laufzeit z.b. variable Geometrien generiert werden (Action: generate), Lösungselement-spezifische Editoren zur Parameteränderung angezeigt (Action: edit) oder die Instantiierung des zur Simulation eines Elementes notwendigen Softwarecodes (Action: inst_sim) veranlasst werden. Der X4D-Parser: Ein Softwaremodul das aus dem zur Entwurfszeit erstellten X4D-Modell eines virtuellen Prototyps die notwendigen Datenstrukturen für die Visualisierung und die Simulation ableitet. Für die Simulation werden dazu nach einer Traversierung des X4D-Graphs auch die vom jeweiligen Simulator geforderten globalen Initialisierungen durchgeführt. Im Visualisierungsteil kann das aus dem Assembly stammenden X4D-Modell direkt verwendet werden. Es ist mit Hilfe des Parsers aber auch möglich, an dieser Stelle Optimierungen an der Graphstruktur vorzunehmen. Es ist z.b denkbar, für die Visualisierung nicht relevante Knoten mit ihren Attributen zu entfernen. Der X4D-Manager: Ein Softwaremodul das X4D-Modelle darstellen sowie Animations- und Interaktionsverhalten visualisieren kann. Der X4D-Manager kann sowohl zur Entwurfs- als auch zur Laufzeit genutzt werden und stellt die Funktionalität einer Virtuellen Visualisierungsmaschine (VVM) zur Verfügung. Der X4D-Manager baut auf Konzepten der High-Level-Grafikbibliothek i4d [GPR00] auf. Zur Verbesserung der Visualisierungsmöglichkeiten wird dabei die Grafikdarstellung unter Verwendung der Open Source Bibliothek Open Scenegraph [OSG04-ol] kontinuierlich ausgebaut. Der X4D-Editor: Eine flexibel konfigurierbare, auf Basis des X4D-Managers realisierte, Anwendung, die dem Benutzer den interaktiven Aufbau eines X4D- Modells des virtuellen Prototypen ermöglicht. Dabei können generische und Lösungselement-spezifische Editoren für die in X4D-Knoten vorkommenden Attribut-Typen eingebunden werden. Die X4D-Laufzeit-Umgebung: Eine flexibel konfigurierbare, auf Basis des X4D-Managers realisierte, Anwendung, die dem Benutzer zur Laufzeit die grundlegende Kontrolle und Konfiguration der Virtual Prototyping Umgebung ermöglicht. So kann der Nutzer, hier z.b. das Laden oder Speichern von Prototypen veranlassen oder Einfluss auf die Ablaufgeschwindigkeit der Simulation nehmen. Das X4D-Kommandoformat: Ein Nachrichtenformat zum Austausch von Informationen und Kommandos zwischen dem X4D-Manager und externen Programmen (z.b. Simulatoren). Das X4D-Kommandoformat definiert drei Kategorien von Nachrichten: Kontroll-Kommandos (z.b. zum konfigurieren der Laufzeitumgebung oder zum Erzeugen und Löschen von Visualisierungs- Objekten), Daten-Austausch-Kommandos (z.b. zum Lesen und Schreiben von Attributen) sowie Objekt-spezifische Kommandos (z.b. zum Auslösen von

8 objektspezifischen Aktionen). Kommandos sind an einen eindeutig spezifizierten X4D-Knoten, bzw. an ein definiertes Attribut in diesem Knoten adressiert. Mit der so konzipierten Struktur ist es möglich, verschiedene Interaktions- und Ausgabegeräte sowie externe Anwendungen in die Laufzeitumgebung einzubinden. Die Konfiguration des Gesamtsystems und die Anbindung an die Visualisierung erfolgt dabei durch den Austausch von X4D-Dateien und X4D-Kommandos, ggf. über eine Netzwerkverbindung zur Laufzeit. Auf diese Weise ist es z.b. möglich ein autonom arbeitendes Trackingsystem, einen SystemC-Simulator oder Matlab/Simulink anzubinden. 3.2 Hardware Die Auswahl der Hardware ist motiviert von der Leitidee, gezielt jene Visualisierungsund Interaktionsaufgaben mit Hilfe der Technologie Virtual Reality zu unterstützen, die einen klaren Nutzen aus Immersion und Dreidimensionalität ziehen. Um eine optimale Unterstützung von Entwicklerteams durch die gleichzeitige Anzeige von 2D-Informationen und von dreidimensionalen Darstellungen zu gewährleisten, wird eine Interaktionsumgebung eingerichtet, die aus zwei wesentlichen Komponenten besteht: Abbildung 3: Die VR-Entwicklungsumgebung

9 Einer Workbench mit Flachbildschirm und Touchscreen-Funktionalität zur Darstellung von 2D-Informationen wie z.b. Funktionsgraphen und Blockdiagrammen. Einer 3D-Stereo-Projektionswand in Kombination mit Datenhandschuh und Infrarot-Trackingsystem für den interaktiven Zusammenbau und die Visualisierung des simulierten Systems. Die Workbench mit 40 Zoll Bildschirmdiagonale ermöglicht eine hinreichend skalierbare Darstellung, so dass zusammen mit dem Touchscreen die Interaktionsfähigkeit der Nutzer auch dann gewährleistet ist, wenn diese Datenhandschuhe tragen. Die drahtlose Datenübertragung der verwendeten Datenhandschuhe in Kombination mit dem Kamerabasierten Infrarot-Trackingsystem ermöglicht den Nutzern eine optimale Bewegungsfreiheit. Als Stereo-Rück-Projektion kommt ein passives System mit zwei D-ILA-Projektoren und zirkularen Polarisationsfiltern zum Einsatz. Dies ermöglicht den Einsatz sehr leichter Polarisationsbrillen, was die Akzeptanz des Gesamtsystems auf der Nutzerseite erheblich steigert. 4 Beispiel Um die beschriebene Entwicklungsmethodik zu erproben, haben wir die Entwicklung eines bereits fertig gestellten mechatronischen Systems mit unserem Virtual Prototyping Werkzeug nachvollzogen. Untersuchungsgegenstand war ein innovatives mechatronisches System, der Triplanar (siehe Abbildung 4). Dabei handelt es sich um einen Parallelroboter, der am Mechatronik Laboratorium der Universität Paderborn (MLaP) entwickelt wurde [Toe02]. Er ist für die Erprobung besonders gut geeignet, da er aus wenigen mechanischen Komponenten besteht, jedoch zur Kontrolle der Bewegung eine komplexe Regelung erforderlich ist. Er besteht aus einer Arbeitsplattform und drei Beinen, an denen jeweils ein Planarantrieb montiert ist. Über die genaue Positionierung der Planarantriebe auf einer Ebene erfolgt die Ausrichtung der Arbeitsplattform. In den Planarantrieben sind Sensoren integriert, welche die Positionsdaten des jeweiligen Antriebs liefern. Die einzelnen Lösungselemente wurden für die Verwendung im Lösungselement-basierten Entwurf aufbereitet und in der Entwurfsbibliothek abgelegt. Abbildung 4: Der Triplanar des Mechatronik Laboratorium Paderborn (MLaP) [Toe02]

10 Abbildung 5: Komposition des Triplanars aus Lösungselementen Durch die Kompositon und Parametrierung dieser Lösungselemente (Abbildung 5) kann das mechanische Grundsystem des Triplanars nachgebildet werden. Parallel dazu wurde das Mehrkörpersystem zur Simulation des Bewegungsverhaltens erstellt. Mit Hilfe der unmittelbar ausführbaren Simulation der Kinematik und Dynamik ist sofort ersichtlich, ob das konstruierte Grundsystem den gestellten Anforderungen entspricht. Des Weiteren kann erprobt werden, wie sich Änderungen an den Parametern oder der Einsatz von alternativen Komponenten auf das Systemverhalten auswirken. In einem weiteren Schritt wird die Regelung des Triplanars entworfen. Dafür verwenden wir Matlab/ Simulink. Der Ingenieur ist in der Lage, unterschiedliche Regler und Parameter interaktiv zu testen. Die Auswirkungen dieser Änderungen spiegeln sich sofort in der Visualisierug wieder und sind somit für alle beteiligten Domänen ersichtlich. Auf diese Weise können verschiedene Regelungs- und Adaptionsstrategien interaktiv erprobt und optimiert werden (siehe Abbildung 6). Bereits dieser erste Prototyp hat gezeigt, dass ein domänenübergreifendes Entwickeln mit Virtual Reality Unterstützung auf Basis von Lösungselementen schnell zu allgemeinverständlichen Lösungskonzepten führt. Abbildung 6: Entwurf der Regelung des Triplanars über das angebundene Matlab/ Simulink

11 5 Zusammenfassung und Ausblick Selbstoptimierende mechatronische Systeme des Maschinenbaus sind hoch komplexe Produkte, bei deren Entwicklung interdisziplinäre Teams zusammenarbeiten müssen. Herkömmliche Entwurfswerkzeuge sind nur bedingt geeignet, um die Zusammenarbeit solcher Teams zu unterstützen. Darüber hinaus sind existierende Werkzeuge kaum geeignet, um die dynamische Modifikation von mechatronischen Systemen zur Einsatzzeit durch die Mechanismen der Selbstoptimierung geeignet zu beschreiben und darstellen zu können. Unser Virtual Prototyping Werkzeug nutzt daher Techniken der Virtual Reality, Simulation und Visualisierung, um Entwicklerteams in ihrer Zusammenarbeit in frühen Entwurfsphasen zu unterstützen und die systematische Exploration von Lösungsvarianten zu ermöglichen. Die durch geeignete Visualisierungstechniken unterstützte interaktive Simulation von Lösungskonzepten stellt dabei ein geeignetes Werkzeug zur Verfügung, um das Verständnis der komplexen Zusammenhänge in zukünftig zu entwickelnden selbstoptimierenden Systemen zu fördern. Das hier vorgestellte Virtual Prototyping System wird im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 614 als Teil des Entwurfsinstrumentariums parallel zu den Basistechnologien der Selbstoptimierung kontinuierlich weiterentwickelt. Neben der Integration fortgeschrittener Mechanismen der Selbstoptimierung in neue Lösungselemente, wird aktuell an der Integration der Workbench sowie an der Entwicklung weiterer Visualisierungsund Interaktionstechniken gearbeitet. Verwandte Arbeiten In [DPK+98] wird eine Softwarearchitektur zur komponentenorientierten Simulation mechatronischer Systeme vorgestellt. Die Beschreibung des Systems erfolgt dabei auf Subsystemebene (als hierarchischer Funktionsgraph), auf Komponentenebene und auf Prozessebene. [SPK+00] beschreibt das automatische Ableiten von mechanischen Verhaltensmodellen auf Basis gestaltorientierter CAD-Modelle für die komponentenorientierte Simulation. [GGR03] berichtet über den Einsatz eines großformatigen Flachbildschirms in Kombination mit einer Aufprojektion für die Layoutplanung und Visualisierung von Produktionssystemen. Die Virtuelle Werkstatt [BJL+02] ist eine Entwicklungsplattform für das virtuelle Konstruieren mit Gestik und Sprache in einer Virtual Reality Umgebung. Danksagung Diese Arbeit ist im Sonderforschungsbereich Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus, Universität Paderborn - entstanden und wurde auf seine Veranlassung und unter Verwendung der ihm von der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Verfügung gestellten Mittel veröffentlicht.

12 6 Literatur [BJL+02] [DPK+98] [FBB98] [GGR03] [GL00] [GPR00] [Toe02] [OSG04-ol] [PB97] [SPK+00] [VDI2206] [X3D] Biermann, P.; Jung, B.; Latoschik, M.; Wachsmuth, I.: Virtuelle Werkstatt: A Platform for Multimodal Assembly in VR. In Proceedings Fourth Virtual Reality International Conference (VRIC 2002), Laval, France, June 2002, Diaz-Calderon, A., Paredis, C. J. J., Khosla, P. K.: "A Modular Composable Software Architecture for the Simulation of Mechatronic Systems," in Proceedings of DETC98, Computers in Engineering Conference, paper no. DETC98/CIE-5704, Atlanta, Georgia, September 13-16, Frankenber, E; Badke-Schaub, P.; Birkhofer, H.:Designers The Key to Successful Product Development, London et. al Gäse, T., Günther, U., Riegel, J: Interaktive Layoutplanung und Visualisierung von Produktionssystemen; Proceedings der Tagung Simulation und Visualisierung 2003, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, März 2003 Gausemeier, J./Lückel, J. (Hrsg.): Entwicklungsumgebungen Mechatronik - Methoden und Werkzeuge zur Entwicklung mechatronischer Systeme, HNI-Verlagsschriftenreihe, Bd. 80, Paderborn, Geiger, Christian; Paelke, Volker; Reimann, Christian and Rosenbach, Waldemar: A Framework for the Structured Design of VR/AR Content in: Proc. of the ACM Symposium on Virtual Reality Software & Technology, VRST 2000, Seoul, Korea, October 2000 Toepper, S.: Die mechatronische Entwicklung des Parallelroboters TRIPLANAR. Dissertation, Universität Paderborn, Mechatronik Laboratorium Paderborn, PahlG.; Beitz W.: Konstruktionslehre Methoden und Anwendungen, 4. Auflage, Sprinter Verlag, Berlin, 1997 Sinha, R.; Paredis, C.J.J.; Khosla, P.K.: "Integration of Mechanical CAD and Behavioral Modeling," in Proceedings of the International Workshop on Behavioral Modeling and Simulation, Orlando, Florida, November 18-21, VDI, Verein Deutscher Ingenieure (Hrsg.): Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme, Richtlinie VDI 2206 (Entwurf), Beuth Verlag, Berlin, 2003 X3D Specification: ISO/IEC 19775:200x -, available at: