Interaktive Simulation am Beispiel einer ... - Baumaschine.de

5. Fachtagung Baumaschinentechnik 2012
Energie, Mechatronik, Simulation
Interaktive Simulation am Beispiel einer
Tunnelspritzmaschine
Timo Penndorf 1
Martin Großer 2
Timo Penndorf
Putzmeister Engineering GmbH
Max-Eyth-Str. 10
72631 Aichtal
Martin Großer
Hochschule für Technik und Wirtschaft
Friedrich-List-Platz 1
01069 Dresden

5. Fachtagung Baumaschinentechnik 2012 Technische Universität Dresden
Interaktive Simulation am Beispiel einer
Tunnelspritzmaschine
Die numerische Simulation hat sich bei der Entwicklung mobiler Arbeitsmaschinen und
Nutzfahrzeuge als unverzichtbares Werkzeug etabliert. Bereits in den Konzept- und Studienphasen
können unterschiedliche Ansätze untersucht und bewertet werden. Teilsysteme
und Komponenten können abstrahiert und durch entsprechende Rechenmodelle
beschrieben werden. Der Einsatz aktueller Modelliertechniken, Sprachen und Werkzeuge
erlaubt den flexiblen Aufbau von Modellen sowohl auf System- als auch auf Komponentenebene.
Die Kombination der Systemsimulation mit modernen Technologien der virtuellen
Realität ermöglicht die Einbeziehung des Bedieners in die Simulation.
1 Anwendung der Spritzbetontechnologie
Zum flexiblen Ausbau von Bauwerken und zur Sicherung von Bauteilen in kürzester Zeit
hat sich Spritzbeton als hervorragender Baustoff etabliert (Bild 1). Der moderne Tunnelbau
ist ohne Spritzbeton undenkbar geworden. In dieser Anwendung wird der Beton konventionell
zur Maschine transportiert und in Schlauch- bzw. Rohrleitungen zur Düse gepumpt.
In der Düse werden Zuschlagsstoffe, Wasser und Druckluft zudosiert und der
Spritzstrahl geformt. Die fertige Betonmischung wird unter hohem Druck aufgetragen, so
dass auf der Oberfläche des Bauwerks eine fertig verdichtete Struktur entsteht.
286
Bild 1: Nassspritzmanipulator Sika-PM500 im Einsatz
Der Einsatz mobiler Tunnelspritzmaschinen ermöglicht die Anwendung des Beton-
Nassspritzverfahrens mit vergleichsweise geringem Installationsaufwand. Der Nassspritz-
Manipulator Sika-PM500 erreicht dabei Beton-Auftragsleistungen von bis zu 30m 3 /h bei
Reichhöhen und Reichweiten von bis zu 14m. Durch die flexible kinematische Struktur mit
rotatorischen und translatorischen Gelenken können komplexe Bewegungen des Spritzarmes
realisiert werden. Die hydraulische Parallelführung der Arme ermöglicht dabei die
kontinuierliche Bewegung entlang einer Geraden ohne erhöhten Steuerungsaufwand.

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2 Modellbildung und Simulation mobiler Arbeitsmaschinen
Die numerische Simulation hat sich als Werkzeug bei der Entwicklung mobiler Arbeitsmaschinen
und Nutzfahrzeuge etabliert. Bereits in den Konzept- und Studienphasen können
unterschiedliche technische Systeme analysiert und bewertet werden.
Der Einsatz "virtueller Prototypen" ersetzt aufwendige Versuche und erlaubt die Bewertung
von Produktvarianten bei denen Teilsysteme noch nicht vollständig aufgebaut sein
müssen. Die notwendigen Rechenmodelle entstehen durch Abstraktion des technischen
Systems. Die Modellierung von Anforderungen kann die Abbildung eines konkreten technischen
Objektes ersetzen und ermöglicht die Betrachtung komplexer Modelle mit idealen
Komponenten auf Systemebene. Die dadurch gewonnenen Informationen dienen der
Spezifikation und Bewertung konkreter Teilsysteme auf Komponentenebene.
Für Maschinenhersteller besteht eine große Herausforderung in der Beschreibung der
Modelle für Komponenten und Teilsysteme von Zulieferern. Modellstrukturen und Parameter
liegen in der Regel nicht vor und müssen bei der Bearbeitung konkreter Aufgaben
gemeinsam erarbeitet werden. Dabei gewinnt der Schutz des geistigen Eigentums stark
an Bedeutung, so dass die Maschinenhersteller häufig gezwungen sind, Teilsysteme
durch vereinfachte Black-Box-Modelle bzw. idealisierte Kennlinien-Systeme zu beschreiben.
Standardisierte Modellbibliotheken und Austauschmechanismen liegen aktuell nicht
vor.
Bild 2: Physikalische Domänen der Systemsimulation mobiler Arbeitsmaschinen
Typische Einsatzfälle für die Systemsimulation der Gesamtmaschine liegen im Bereich
der Bewertung unterschiedlicher technischer Konzepte hinsichtlich geforderter Funktionen,
resultierender Auswirkungen (Belastungen) auf das Gesamtsystem sowie des Energiebedarfs.
In diesen Fällen können vereinfachte und verallgemeinerte Modelle der Komponenten
ausreichend für den Aufbau aussagefähiger Modelle sein. Für die Bewertung
der Ergebnisse und den Vergleich unterschiedlicher technischer Lösungen sind Vereinfachungen
an den Modellen im Allgemeinen hilfreich, sofern die notwendigen Phänomene
hinreichend genau abgebildet sind. Komplexe Modelle erfordern zusätzlichen Aufwand für
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die Bestimmung von Parametern. Die Genauigkeit der Ergebnisse ist unter Anderem abhängig
von der Genauigkeit der Parameter, so dass nicht automatisch ein Zusammenhang
zwischen der Komplexität der Modelle und der Qualität der Simulationsergebnisse
abgeleitet werden kann.
Als Resultat einer Verallgemeinerung der Modellstrukturen bei der Simulation mobiler
Arbeitsmaschinen folgt eine prinzipielle Unterteilung in die physikalischen Domänen der
mechanischen Struktur, des Antriebs und der Abbildung des Arbeitsprozesses (Bild 2).
Die Beschreibung der Mechanik erfolgt in der Regel mit Hilfe der Bewegungsgleichungen
im Rahmen einer räumlichen Starrkörpersimulation. Die Modelle werden mit den Entitäten
Starrkörper, Gelenk, Kraft bzw. Moment und Sensoren aufgebaut. Durch die Kombination
aus externen Kräften bzw. Momenten und Sensoren lassen sich die Schnittstellen zu den
anderen Domänen beschreiben.
Die Simulation der Antriebe basiert im Wesentlichen auf der Modellierung des primären
Energieflusses unter Berücksichtigung der Steuerung. Ein verallgemeinerter Ansatz bei
der Modellbildung wird z. B. durch die Sprache Modelica (/2/, /8/) gegeben. Durch die
Abstraktion in Zustands- und Flussgrößen ist es unerheblich, mit welchem Prinzip (hydraulisch,
elektrisch, pneumatisch) die Übertragung von Leistung und Signalen erfolgt.
Auf den Gebieten der Simulation der Mechanik und der Antriebe stehen leistungsfähige
Software, Standards und Beschreibungssprachen zur Verfügung. Demgegenüber besteht
bei der Formulierung von Rechenmodellen zur Beschreibung der Prozesse mobiler Arbeitsmaschinen
noch erheblicher Forschungsbedarf. Die Vielfältigkeit der Arbeitsprozesse
führt zu kaum verallgemeinerbaren Modellansätzen, die sowohl physikalisch und numerisch
als auch softwaretechnisch im Sinne einer Integration in des Simulationswerkzeug
umgesetzt werden müssen. Im Bereich fahrender Arbeitsmaschinen, bei denen der Fahrprozess
wesentlicher Bestandteil der Arbeitsaufgabe ist, sind entsprechend leistungsfähige
Ansätze vorhanden (/7/, /13/). Bei komplexen Prozessen wie dem Pumpen von Beton
ist bereits die Beschreibung und Parametrierung des Mediums eine entsprechende Herausforderung.
Die Steuerung der Arbeitsaufgabe erfolgt bei mobilen Arbeitsmaschinen durch einen Bediener.
Dieser gibt entsprechend seiner Beobachtung des Gesamtsystems aus Maschine
und Prozess die notwendigen Steuerbefehle an die Maschine. Dabei werden die an den
Stellteilen abzugreifenden Vorgaben des Bedieners durch Software und analoge Regelungen
vorverarbeitet.
Der Bediener verfügt über ein entsprechendes Prozesswissen zum Erfüllen der Arbeitsaufgabe
sowie eine Erwartungshaltung an das Maschinensystem. Dieses Wissen ist beim
Bediener in Form von Handlungsmustern gespeichert (Bild 3). Die Wahrnehmung des
Prozess- und Maschinenzustandes erfolgt über die menschlichen Sinnesorgane. Aufgrund
dieser Wahrnehmung, des Prozesswissens sowie der Erfahrungen im Umgang mit
der Maschine trifft der Bediener konkrete Entscheidungen, welche mit Hilfe seiner motorischen
Fähigkeiten in Bedienhandlungen umgesetzt werden.
Wesentlich für die kognitive Schleife der Informationsverarbeitung (Bild 3) ist dabei, dass
eine permanente Anpassung des Wissens erfolgt. Dieser Lernprozess des Bedieners hat
erheblichen Einfluss auf das Mensch-Maschine-System. Mathematische Modelle, die diese
Zusammenhänge in einer für die Simulation mobiler Arbeitsmaschinen geeigneten
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Form beschreiben, sind aktuell nicht verfügbar (/6/, /16/). Standardisierte Zyklen welche
die Simulationsergebnisse objektivieren (/10/) und damit die Aussagefähigkeit der Simulation
sicherstellen, existieren nur für wenige Anwendungen (z.B. Y-Zyklus beim Radlader).
Bild 3: Kognitive Schleife der Informationsverarbeitung (nach /14/)
Erfordert die konkrete Entwicklungsaufgabe die Berücksichtigung der Bedienhandlung, so
ist die Integration des Bedieners in die Simulation aufgrund der fehlenden Modelle notwendig
(/9/, /15/). Die klassischen Simulationswerkzeuge sind für diesen Anwendungsfall
im Allgemeinen nicht geeignet, da sowohl die zur Interaktion notwendigen Schnittstellen
fehlen als auch keine explizite Berechnung in Echtzeit erfolgt.
Diese Lücke kann durch den Einsatz von Virtual-Reality-Systemen geschlossen werden.
Virtual-Reality (VR) wird als künstliche, durch Computer simulierte Welt verstanden, in die
der Bediener interaktiv eingebunden ist (/5/). Die Handlungen der eingebundenen Personen
sollen sich nicht von denen in der Realität unterscheiden. Dieser Zustand wird als
Immersion bezeichnet und durch das Zusammenspiel von Eingaben, Ausgaben und entsprechend
realistischem Verhalten der Objekte in der virtuellen Welt erreicht. Dabei sind
die Verarbeitung der Eingaben und des Generieren hochwertiger audiovisueller Ausgaben
klassische Problemfelder der VR-Technologie (/5/).
Die Anwendung physikalisch begründeter Simulationsmodelle ermöglicht das realistische
Verhalten des Maschinensystems in der virtuellen Welt. Die Kombination aus Systemsimulation
und VR-Technologie bietet daher die ideale Voraussetzung für eine hochgradige
Immersion des Bedieners und eine entsprechend hohe Sicherheit der aus der interaktiven
Simulation abgeleiteten Aussagen. Die notwendige Berechnung in Echtzeit setzt entsprechende
vereinfachte Modelle voraus und kann speziell auf Komponentenebene noch nicht
als Stand der Technik vorausgesetzt werden. Auf Systemebene können je nach Aufgabenstellung
geeignete Modelle formuliert und in Echtzeit berechnet werden (/7/, /11/, /13/).
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3 Simulationsmodell der Tunnelspritzmaschine
Das Modell der Tunnelspritzmaschine besteht aus einem Starrkörpermodell, dem Modell
für den hydraulischen Antrieb sowie den Schnittstellen zu einem vereinfachten Prozessmodell.
Das Modell wird in Modelica beschrieben, wobei die Teilmodelle durch entsprechend
abstrahierte Schnittstellen miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht den flexiblen
Austausch der Modelle und vereinfacht die Abbildung von Varianten.
Das Starrkörpermodell besteht aus 14 Körpern und besitzt den Freiheitsgrad 5 (Bild 4).
Der Unterwagen der Maschine wurde dabei als starr angenommen, so dass das resultierende
Modell ausschließlich durch den Spritzarm gebildet wird. Die kinematischen Schleifen
wurden durch eine entsprechende kinematische Analyse aufgelöst und die resultierenden
Gelenkwinkel durch Übertragungsfunktionen beschrieben (/11/). Dadurch können
geschlossene kinematische Ketten in Baumstrukturen überführt werden (Bild 5). Die
kinematische Analyse beschränkt sich dabei auf wenige elementare Mechanismen, welche
im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen typisch sind und deren mathematische Zusammenhänge
leicht abgeleitet werden können.
Das Modell ist in Minimalkoordinaten beschrieben. Die resultierenden Gleichungen bilden
ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen. Algebraische Differentialgleichungen
mit Index 3 (/1/, /9/) können somit vermieden werden, so dass die numerische Berechnung
des Modells deutlich vereinfacht wird.
290
Bild 4: Starrkörpermodell des Spritzarmes
Die Schnittstellen zum Antriebsmodell werden an den Aktuatoren beschrieben. Dies sind
im Fall der Tunnelspritzmaschine die Hydraulikzylinder und das Drehwerk. Die hydraulische
Parallelführung wird durch die Integration des Koppelzylinders in den Mechanismus
des A-Gelenkes und die hydraulische Verknüpfung mit dem Zylinder des B-Gelenkes automatisch
im Modell beschrieben. Die mechanischen Effekte, welche aus der Verspannung
des A-Gelenkes resultieren, können direkt anhand der Simulationsergebnisse analysiert
werden.

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Bild 5: Baumstruktur durch Anwendung von Übertragungsfunktionen in Mechanismen
Das Modell des Antriebs besteht im Wesentlichen aus dem Modell der Primärenergiequelle
sowie dem Modell für die hydraulische Schaltung der Verbraucher. Diese wird als
Grundschaltung mit Wegeventilen und entsprechender Steuerung und Regelung realisiert
(Bild 6). Die Beschreibung des Modells in Modelica ermöglicht die Wiederverwendung
des Modells der Grundschaltungen für alle Verbraucher und reduziert somit den Aufwand
für die Erstellung und Pflege des Modells.
Bild 6: Hydraulische Grundschaltung mit mehreren Verbrauchern und Eingaben
Ein wesentlicher Vorteil der gleichungsbasierten Beschreibung des Simulationsmodells
mit Modelica zeigt sich bei der Abbildung der Steuerung und Regelung. Für eine Load-
Sensing-Anwendung ist typischerweise der höchste Systemdruck an einem der Verbraucher
zu ermitteln. Hydraulisch wird dies über entsprechende Kaskaden von Wechselventilen
realisiert (Bild 7).
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Bild 7: Ermittlung des höchsten Systemdrucks durch Wechselventile
Im Rahmen einer Systemsimulation ist der Funktionsnachweis dieser Kaskaden im Allgemeinen
nicht notwendig. Für Fragestellungen, welche auf Systemebene im Rahmen
interaktiver Simulationen behandelt werden, kann die korrekte Funktion der dazugehörigen
hydraulischen Schaltung angenommen werden. Ein auf Differentialgleichungen basiertes
Modell der Wechselventile ist nicht notwendig. Die resultierenden Rechenzeiten
verhindern eine Berechnung in Echtzeit und stehen damit im Widerspruch zu einer interaktiven
Simulation.
Die Annahme eines idealisierten Modells zur Ermittlung des höchsten Systemdruckes an
einem der Verbraucher führt auf den einfachen Zusammenhang nach Gleichung 1. Diese
Gleichung ist numerisch mit wesentlich weniger Aufwand verbunden, als ein komplexes
Modell mit Wechselventilen und führt dennoch zu aussagefähigen Modellen für eine Systemsimulation.
Durch die Beschreibung in Modelica und die Definition entsprechender
Schnittstellen kann das Minimalmodell zu einem späteren Zeitpunkt einfach durch verfeinerte
Modelle ersetzt werden.
p max( p)
(1)
max
4 Anwendung des Functional Mockup Interface
Der Functional-Mockup-Interface-Standard (FMI) wurde 2010 in Version 1.0 veröffentlicht.
Ziel dieses im Rahmen des ITEA2-Projektes Modelisar entwickelten Standards ist der
werkzeugunabhängige Austausch von Simulationsmodellen (/3/, /12/). Bereits kurz nach
der Veröffentlichung wurde der FMI-Standard durch verschiedene Anbieter von Simulationssoftware
unterstützt. Die Weiterentwicklung und Pflege des Standards erfolgt durch
die Modelica Association im Rahmen eines entsprechenden Projektes. Für 2012 wurde
die Version 2.0 angekündigt (/4/).
Der Austausch der Modelle erfolgt mit sogenannten Functional-Mockup-Units (FMU). Diese
sind ZIP-Archive, welche neben dem Simulationsmodell auch eine Beschreibung der
Eingänge, Ausgänge und Parameter enthalten. Das Modell liegt in Form einer binären
Bibliothek vor. Dadurch sind die Details der Modellierung nicht sichtbar, so dass die so
weitergegebenen Modelle einem gewissen Schutz des geistigen Eigentums unterliegen.
Ein wesentlicher Vorteil in der Anwendung des FMI-Standards liegt darin, dass Modellierund
Simulationswerkzeug voneinander getrennt werden können. Zum Aufbau der Modelle

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und für die Parametrierung können etablierte kommerzielle Werkzeuge genutzt werden.
Die klassische Desktop-Simulation mit diesen Werkzeugen bleibt als Anwendungsfall für
die Modelle erhalten. Zusätzlich dazu ist es möglich, das Modell mit Hilfe der Programmierschnittstellen
des FMI in beliebige Softwareumgebungen zu integrieren (/12/, /13/,
/15/) und somit den Anwendungsfall der interaktiven Simulation in einer VR-Umgebung
abzubilden.
Bild 8: FMI Workflow Modelica FMI Tool
Für die interaktive Simulation der Tunnelspritzmaschine wurde das entsprechende
Framework der Technischen Universität Dresden benutzt. Dieses ist für die Anwendung
des FMI-Standards konzipiert. Die vorliegenden Modelica-Modelle wurden in ein FMU
transformiert, welches direkt in den vorhandenen VR-Systemen (Powerwall, 5-Seiten-
CAVE) genutzt werden konnte. Die notwendige Konfiguration des Systems erfolgt durch
die Verbindung der Ein- und Ausgabeschnittstellen des Modells mit Original-
Kabelfernsteuerung und dem Visualisierungssystem.
Bild 9: VR-Entwicklungsumgebung mit Modell der Tunnelspritzmaschine und Fernsteuerung
293

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5 Abbildung des Spritzbetons
Der Prozess Betonsprühen mit einer Betonspritzmaschine lässt sich im Sinne der Computergrafik
sehr gut mit der Projektion einer Sprühmaske (Querschnitt am Ende des Sprühstrahls)
auf eine Oberfläche beschreiben. Eine solche Projektion gehört zu den grundlegenden
Problemstellungen in der Computergrafik und wird mittlerweile völlig auf spezieller
Grafik-Hardware umgesetzt. Dies bringt einen sehr hohen Grad an Parallelisierung mit
sich und somit auch eine sehr hohe Performance.
Die Projektion der 3D-Daten auf den Bildschirm ist wohl die bekannteste und häufigste
Transformation, welche durch die Grafik-Hardware realisiert wird. Daraus lässt sich eine
hardwarebasierte Lösung für das Visualisieren des Prozesses Betonsprühen ableiten,
welche auf moderner Hardware zu einer sehr guten Performance führt. Die Umsetzung
zweier wesentlicher Schritte ist für die Darstellung des Prozesses notwendig:
294
- Projection Mapping: Die Sprühmaskentextur muss auf die Textur der Oberfläche
projiziert werden.
- Render-To-Textur: Eine neue Oberflächentextur mit den projizierten Daten muss
erzeugt werden.
Beide Schritte lassen sich ohne hohen Aufwand in ein vorhandenes Framework mittels
GLSL-Shadern (Model 2.0) integrieren. Gegeben sei eine Oberfläche O mit einem vordefinierten
Mapping für die Oberflächentextur T. Das Projection Mapping liefert ein Mapping
der Oberfläche O auf die Sprühmaskentextur B. Die Formel (Gleichung 2) erinnert dabei
stark an die Standardtransformation vom 3D-Koordinatensystem in das Bildschirmkoordinatensystem.
T N P V
(2)
V entspricht der View Matrix der Spritzdüse, P entspricht der Projektionsmatrix und wird
durch den Öffnungswinkel der Düse beschrieben und N ist eine Normalisierungsmatrix,
welche die Werte vom Bereich [-1,1] in den Bereich [0,1] transformiert. In der klassischen
Bildschirmtransformationspipeline wird jeder Punkt der Geometrie (Vertex) transformiert
und an die nächste Verarbeitungseinheit (Rasterisierer) in der Grafikpipeline übergeben.
Um das Mapping B -> T zu realisieren, darf jedoch nicht der transformierte Vertex übergeben
werden, sondern ausschließlich die zweidimensionale Texturkoordinate, welche die
Position auf der Oberflächentextur beschreibt. Erst mit dieser Modifikation ist ein solches
Mapping auf der Grafikhardware möglich.
Moderne Grafikhardware unterstützt nicht mehr nur das Rendern in den Framebuffer,
sondern zudem auch das Rendern in beliebige Puffer, die dann als Texturen interpretiert
werden können. OpenGL bietet beispielsweise Framebuffer Objects an, um diese Funktionalität
komfortabel umzusetzen. Nach der Übergabe der Texturkoordinate an den Rasterisierer
in der Grafikpipeline lässt sich nun eine neue Basistextur erzeugen. Die Farbinformationen
werden nun aus der Oberflächentextur übernommen und mit der Sprühmaskentextur
gemischt.

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Klassisches Vertex Displacement Mapping verschiebt einen Vertex P in Richtung der
Oberflächennormalen N um den Wert H(u,v), der in einer Höhenkarte gespeichert ist
(Gleichung 3).
P' P H ( u,
v)
P
(3)
Nutzt man die besprühte Textur als Höhenkarte lässt sich damit das Auftragen von Beton
auf die Oberfläche simulieren (Bild 10).
Bild 10: Auf eine beliebige Textur aufgetragener Beton
6 Anschluss der Fernsteuerung zur interaktiven Simulation
Durch die Benutzung einer Original-Fernsteuerung in der interaktiven Simulation der Tunnelspritzmaschine
kann der Grad der Immersion deutlich erhöht werden. Die Fernsteuerung
wird mit einem IO-Koppler an einen PC der VR-Umgebung angeschlossen
(Bild 11). Die Stromversorgung erfolgt durch ein externes Netzteil. Die Kommunikation
mit der Simulationssoftware kann entweder über CAN-Nachrichten oder über Ethernet
erfolgen.
Bild 11: Anschluss der Fernsteuerung an das VR-System
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Das notwendige Modul für die VR-Software wurde mit der Entwicklungsumgebung der TU
Dresden erstellt (Bild 12). Dadurch reduziert sich der Aufwand für die Integration der Original-Fernsteuerung
auf die Auswertung der entsprechenden Nachrichten des IO-
Kopplers und Weiterleiten der Informationen an die Schnittstellen der Simulation. Der entstandene
Code ist nicht sehr umfangreich (ca. 60 Zeilen) und aufgrund des Modulkonzeptes
übersichtlich und leicht anzupassen.
Neben den "rohen" Signalen der Fernsteuerung können logische Beziehungen bereits im
Code des Moduls hergestellt werden. So können Zustandsgrößen, die nicht Gegenstand
der numerischen Simulation sind, durch logisch korrekte Standardwerte beschrieben werden.
7 Zusammenfassung
296
Bild 12: Verarbeitung der Signale der Fernsteuerung
Der Beitrag beschreibt den Aufbau einer Simulationsanwendung für die interaktive Simulation
einer Tunnelspritzmaschine. Dabei werden verschiedene Anwendungsfälle durch
ein mathematisches Modell der Maschine abgebildet. Neben der klassischen Berechnung
innerhalb eines Simulationsprogramms kann das Modell durch die Anwendung des Functional
Mockup Interface in eine Virtual-Reality-Umgebung integriert werden (Bild 13). Die
interaktive Simulation in Echtzeit erlaubt die Einbeziehung des Bedieners und ermöglicht
die Untersuchung entsprechender Fragestellungen im Bereich der Mensch-Maschine-
Interaktion und die Ermittlung von Belastungskollektiven.
Bild 13: Anwendung der Simulation und virtuelle Tunnelbaustelle

Timo Penndorf Interaktive Simulation am Beispiel einer Tunnelspritzmaschine
Die Beschreibung des Modells erfolgt dabei ausschließlich unter Anwendung der standardisierten
Sprache Modelica. Dadurch ist die Modellbildung nicht an ein Softwarewerkzeug
gebunden. Modelica ermöglicht den objektorientierten Aufbau eigener Bibliotheken
wodurch die Möglichkeit der flexiblen Wiederverwendung der entsprechenden Modellstrukturen
gegeben wird.
Neben der Simulation der physikalisch-technischen Aspekte des Maschinensystems gewinnt
die Abbildung des Prozesses stark an Bedeutung. Auf dem Gebiet der Simulation
von Spritzbeton sind umfangreiche Forschungsarbeiten notwendig. Aus diesem Grund
wurde für die interaktive Simulation ein reiner Visualisierungsansatz gewählt und mit dem
Simulationsmodell der Maschine gekoppelt. Dieser Ansatz ist ausreichend, um den für
eine interaktive Simulation notwendigen Grad der Immersion des Bedieners zu erreichen.
Die physikalischen Rückkopplungen aus dem Pumpprozess des Spritzbetons auf das
Maschinensystem werden durch generische Modelle abgebildet. Diese erzeugen vergleichbare
Anregungen und Widerstände für das mechanische Modell sowie die den Antrieb
der Pumpe. Die Gültigkeit dieses Ansatzes konnte durch Versuche nachgewiesen
werden.
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[18] Will, D. (Hrsg.); Gebhardt, N. (Hrsg.) - Hydraulik, Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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