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Kabel- und Schlauchsimulation in der Produktentstehung - Icido

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<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong><br />

Zusammenfassung<br />

Christian Wienss, Gernot Goebbels<br />

IC:IDO GmbH – fleXilution GmbH<br />

Gottfried Hagen Strasse 60, 51105 Köln<br />

Tel.: +49 (0) 221 / 460207-16 (-29 Fax)<br />

E-Mail: Christian.Wienss@icido.com<br />

Gernot.Goebbles@flexilution.com<br />

In <strong>der</strong> Entstehung e<strong>in</strong>es Produktes von <strong>der</strong> ersten Idee bis zur Berücksichtigung von<br />

Service-Fällen müssen verschiedene Schritte mit Hilfe von physikalischen Prototypen<br />

überprüft werden. Diese Hardwareabsicherungen im Auto- Flugzeug- <strong>und</strong> Schiffsbau<br />

s<strong>in</strong>d sehr kosten- <strong>und</strong> vor allem zeit<strong>in</strong>tensiv. In e<strong>in</strong>igen Fällen können Simulationen die<br />

Anzahl dieser Aufbauten reduzieren. Von ergonomischen Sichtbarkeits- <strong>und</strong> Erreichbarkeitsuntersuchungen<br />

über Unfalltests bis h<strong>in</strong> zu Baubarkeitsuntersuchungen s<strong>in</strong>d Simulationssysteme<br />

im E<strong>in</strong>satz. E<strong>in</strong> aktueller Aspekt auf diesem Gebiet ist die physikalisch<br />

genaue Simulation von biegeschlaffen Bauteilen.<br />

Mit dem Ansatz von IDO:Flexible <strong>der</strong> Firma IC:IDO GmbH wurde dieser Aspekt aufgegriffen.<br />

E<strong>in</strong> mathematisches Modell wurde entwickelt, um <strong>Kabel</strong> <strong>und</strong> Schläuche <strong>in</strong><br />

Echtzeit darzustellen <strong>und</strong> physikalisch korrekt zu simulieren. Sowohl immersiv als auch<br />

am Desktop sollen diese Untersuchungen durchführbar se<strong>in</strong>.<br />

Jede Simulation muss zur Qualitätsabsicherung auf Ihre Genauigkeit h<strong>in</strong> untersucht<br />

werden, bevor sie den Prototypenbau ablösen kann. Für <strong>Kabel</strong> <strong>und</strong> Schläuche kann dies<br />

nur <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em direkten Vergleich zwischen <strong>der</strong> Realität <strong>und</strong> dem berechneten Formverlauf<br />

geschehen, um neben dem theoretischen Verhalten auch praktische Störkomponenten<br />

zu berücksichtigen.<br />

In diesem Artikel wird vorgestellt, wie mit IDO:Flexible e<strong>in</strong>e <strong>Kabel</strong>simulation erstellt<br />

<strong>und</strong> diese mit realen Formverläufen verglichen wird. Als Referenz werden typische <strong>Kabel</strong><br />

<strong>und</strong> Bündel optisch vermessen. Zugleich sollen Anwendungsfälle aus <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong><br />

vorgestellt werden.<br />

Schlüsselwörter<br />

Virtual Prototyp<strong>in</strong>g, VDP, IDO:Flexible, <strong>Kabel</strong>simulation, <strong>Schlauchsimulation</strong>


Seite 2 C. Wienss, G. Goebbels<br />

1 Vergleichbare Arbeiten<br />

Auf dem Gebiet <strong>der</strong> Simulation von flexiblen Bauteilen werden verschiedene Ansätze<br />

verfolgt. Aktuelle Forschungsprojekte werden im Folgenden kurz erläutert.<br />

In [THE07] wird e<strong>in</strong> Ansatz zur Simulation von e<strong>in</strong>dimensionalen Objekten mit Hilfe<br />

von Spl<strong>in</strong>es beschrieben, <strong>der</strong> auf [TQ94] aufbaut. Q<strong>in</strong> <strong>und</strong> Terzopoulus [TQ94]<br />

komb<strong>in</strong>ierten geometrische Spl<strong>in</strong>es mit physikalischen Randbed<strong>in</strong>gungen. Unter dem<br />

Namen Dynamic Material Spl<strong>in</strong>es (DMS) wird e<strong>in</strong> auf dem Lagrangeformalismus<br />

beruhendes Modell umgesetzt, das die Kontrollpunkte (De-Boor-Punkte) <strong>der</strong> Spl<strong>in</strong>es als<br />

Randbed<strong>in</strong>gung für e<strong>in</strong> kont<strong>in</strong>uierliches Objekt verwendet. Diese Idee wurde<br />

aufgegriffen <strong>und</strong> unter Vernachlässigung <strong>der</strong> Genauigkeit <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en echtzeitfähigen<br />

Ansatz umgesetzt.<br />

In [GS06] wird e<strong>in</strong> Ansatz vorgestellt, welcher die Simulation von <strong>Kabel</strong>n <strong>und</strong><br />

Schläuchen anhand e<strong>in</strong>es Fe<strong>der</strong>-Masse-Ansatzes beschreibt. Je<strong>der</strong> Massepunkt wird<br />

durch e<strong>in</strong>e Koord<strong>in</strong>ate <strong>und</strong> se<strong>in</strong>e Ausrichtung unter Berücksichtigung von Torsion <strong>in</strong><br />

Quaternionen def<strong>in</strong>iert. Interaktion mit dem Objekt f<strong>in</strong>det über das Anlegen von Kräften<br />

statt. Dem Cosserat Modell folgend berücksichtigt dieser Ansatz nur <strong>und</strong>ehnbare <strong>und</strong><br />

nicht verscherende Objekte. Weiterh<strong>in</strong> wird <strong>der</strong> Durchmesser über die Objektlänge<br />

h<strong>in</strong>weg als konstant <strong>und</strong> <strong>der</strong> Querschnitt als homogen def<strong>in</strong>iert. Auch die<br />

Materialeigenschaften bleiben im gesamten Objekt konstant.<br />

W. Schotte hat im Rahmen se<strong>in</strong>er Diplomarbeit [SCH05] im Projekt Codnesim am<br />

Fraunhofer IGD (Darmstadt) e<strong>in</strong>en impulsbasierten Fe<strong>der</strong>-Masse Simulationsansatz<br />

weiterverfolgt. Beim impulsbasierten Verfahren werden E<strong>in</strong>flüsse auf das System nicht<br />

durch Kräfte, son<strong>der</strong>n durch Impulse realisiert. Impulse werden genau e<strong>in</strong>mal auf das<br />

System übertragen <strong>und</strong> verän<strong>der</strong>n das Verhalten nachhaltig, während Kräfte ständig auf<br />

die Simulation e<strong>in</strong>wirken. Schotte et al. wenden den allgeme<strong>in</strong>en Ansatz <strong>der</strong><br />

Mehrkörpersimulation aus [SCH03] auf <strong>Kabel</strong>simulation an.<br />

L<strong>in</strong>n et al. [LIN06] präsentieren e<strong>in</strong>en Ansatz, <strong>der</strong> auf Kirchhoffs geometrisch exakten<br />

Theorien aufsetzt. Diese werden durch Energiem<strong>in</strong>imierung mit e<strong>in</strong>em nichtl<strong>in</strong>earen<br />

konjugierten Gradientenverfahren genähert gelöst. Der Algorithmus ist <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e<br />

Softwareumgebung <strong>in</strong>tegriert <strong>und</strong> soll über ähnliche Echtzeitfähigkeit verfügen wie<br />

[GS06].


<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 3<br />

2 Simulationsumfeld<br />

Zur Reduktion von Prototypen ist die Fähigkeit zum praktischen E<strong>in</strong>satz ebenso<br />

entscheidend wie die Genauigkeit des Simulationsansatzes. Hierzu gehören<br />

beispielsweise Bedienbarkeit <strong>und</strong> Daten<strong>in</strong>tegration. Um die Validation <strong>der</strong> Simulation<br />

vorzubereiten, wird <strong>in</strong> diesem Abschnitt die Funktionsweise <strong>und</strong> Bedienung von<br />

IDO:Flexible erläutert. Die Software ist e<strong>in</strong> Modul <strong>der</strong> Visual Decision Platform (VDP),<br />

welche sich mit verschiedenen Aspekten <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> ause<strong>in</strong>an<strong>der</strong>setzt. Die<br />

Software setzt auf e<strong>in</strong>en numerischen Lösungsansatz (fleXeng<strong>in</strong>e) auf, welcher den<br />

Formverlauf von Schläuchen, <strong>Kabel</strong>n <strong>und</strong> <strong>Kabel</strong>bündeln berechnet. Die fleXeng<strong>in</strong>e<br />

verwendet e<strong>in</strong>en Ansatz, <strong>der</strong> auf <strong>der</strong> Verwendung des Hamilton Formalismus unter<br />

Randbed<strong>in</strong>gungen beruht. Dieser ist e<strong>in</strong>e mathematische Verallgeme<strong>in</strong>erung <strong>der</strong><br />

Methode <strong>der</strong> Lagrange-Multiplikatoren, verfe<strong>in</strong>ert durch analytische Methoden aus <strong>der</strong><br />

Differenzialrechnung <strong>und</strong> Gruppentheorie. Mit diesen Methoden erreicht man e<strong>in</strong>e<br />

Klassifizierung <strong>und</strong> Elim<strong>in</strong>ierung von S<strong>in</strong>gularitäten, e<strong>in</strong>e effektive Faktorisierung <strong>der</strong><br />

eigentlichen Bewegungen <strong>und</strong> e<strong>in</strong> stabiles numerisches Schema, um die<br />

Elastizitätsgleichungen <strong>in</strong> Echtzeit zu lösen.<br />

Bild 2: Die Oberfläche <strong>der</strong> VDP2007 mit IDO:Flexible. 1:Geometrieansicht, 2:Menüleiste,<br />

3:Toolbar, 4:Eigenschaftendialog, 5:Objektbereich, 6:IDO:Flexible-Funktionen <strong>und</strong><br />

7:Tree Editor


Seite 4 C. Wienss, G. Goebbels<br />

Während die weiteren mathematischen Gr<strong>und</strong>lagen <strong>in</strong> [HOR06, HOR07] erläutert<br />

werden, ist das Kernthema dieses Papers die Genauigkeit des Ansatzes. Zunächst wird<br />

beschrieben, wie <strong>der</strong> Funktionsumfang des mathematischen Models softwaretechnisch<br />

<strong>und</strong> softwareergonomisch umgesetzt wurde.<br />

Das Bedienkonzept umfasst drei Hauptbereiche zur Interaktion mit flexiblen Bauteilen.<br />

Das erste Themengebiet beschäftigt sich mit <strong>der</strong> Erstellung <strong>und</strong> Organisation von <strong>Kabel</strong>n<br />

<strong>und</strong> Schläuchen. Hier werden auch Funktionen zur Verfügung gestellt, um aus vorhandener<br />

starrer Geometrie biegeschlaffe Bauteile zu erzeugen (vlg. Bild2, Punkt 6).<br />

Der zweite Bereich behandelt Analysemöglichkeiten. Hier können neben Kollisionsbehandlungen<br />

auch Hüllkurven von <strong>Kabel</strong>n <strong>und</strong> Schläuchen erzeugt werden (vgl. Bild 3).<br />

Bild 3: Unter den Analysetools f<strong>in</strong>det man Möglichkeiten <strong>der</strong> Kollisionsbehandlung, <strong>der</strong> Ab-<br />

standsanalyse <strong>und</strong> <strong>der</strong> Erstellung von Bewegungshüllkurven.<br />

Darunter versteht man die Erstellung e<strong>in</strong>es Objektes, welches genau den Raum visualisiert,<br />

den das flexible Bauteil während se<strong>in</strong>er Bewegung e<strong>in</strong>nimmt.<br />

Bild 4: Der Material Manager mit den E<strong>in</strong>stellungsmöglichkeiten <strong>und</strong> Schwellwerten zu dem<br />

zu analysierenden Bauteil. Hier können beispielsweise Steifigkeit <strong>und</strong> m<strong>in</strong>imaler Bie-<br />

geradius spezifiziert werden.


<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 5<br />

Zudem können M<strong>in</strong>imalabstände zwischen unterschiedlichen Bauteilen untersucht werden,<br />

um Bauraumvorgaben e<strong>in</strong>zuhalten. Unter dem dritten Reiter: Material Manager,<br />

bef<strong>in</strong>den sich die E<strong>in</strong>stellungsmöglichkeiten zur Spezifikation des flexiblen Bauteils<br />

(vlg. Bild 4). Die Software ist sowohl am Desktop als auch immersiv anzuwenden.<br />

Die Materialeigenschaften Steifigkeit, Querkontraktion <strong>und</strong> Dichte s<strong>in</strong>d die Hauptkriterien<br />

für die Def<strong>in</strong>ition e<strong>in</strong>es Materials. Die Masse, das Aussehen <strong>und</strong> das <strong>in</strong>terne Biegeverhalten<br />

werden mit dem äußeren <strong>und</strong> <strong>in</strong>neren Durchmesser parametrisiert. Verletzungen<br />

von Schwellwerten wie z.B. maximaler Zugkraft <strong>und</strong> m<strong>in</strong>imaler Biegeradius werden<br />

durch Warnfarben angezeigt.<br />

3 Anwendungsfälle des Ansatzes<br />

Die Simulation von flexiblen Bauteilen f<strong>in</strong>det im <strong>Produktentstehung</strong>sprozess <strong>in</strong> unterschiedlichen<br />

Bereichen Anwendung. Um die Bedürfnisse <strong>in</strong> <strong>der</strong> Entwurfsphase zu bedienen,<br />

wurde die Möglichkeit des schnellen Rout<strong>in</strong>gs e<strong>in</strong>geführt. Hierbei kann man auf<br />

<strong>der</strong> Geometrie überall dort h<strong>in</strong> klicken, wo e<strong>in</strong> flexibles Bauteil befestigt werden soll<br />

bzw. von wo nach wo es geführt werden muss. So kann, ohne das endgültige Wissen<br />

über Bauteileigenschaften, <strong>in</strong> kurzer Zeit e<strong>in</strong> Bauraum reserviert werden. Sobald Details<br />

über das <strong>Kabel</strong> o<strong>der</strong> den Schlauch absehbar werden, können diese übertragen <strong>und</strong> somit<br />

die Genauigkeit <strong>der</strong> Aussage erhöht werden. Zudem ist <strong>in</strong> diesem Modus <strong>und</strong> <strong>in</strong> diesem<br />

Stadium schon e<strong>in</strong>e M<strong>in</strong>imierung <strong>der</strong> Clipanzahl durchführbar.<br />

Bei <strong>der</strong> Validierung des Entwurfs wird überprüft, ob das Konzept realisierbar ist. Hierbei<br />

hilft IDO:Flexible bei Bauraumuntersuchungen <strong>und</strong> <strong>Kabel</strong>längendef<strong>in</strong>itionen. Als<br />

Beispiel wird e<strong>in</strong> Sensorkabel aufgezeigt (vgl. Bild 6), welches <strong>in</strong> ke<strong>in</strong>em E<strong>in</strong>- o<strong>der</strong><br />

Ausfe<strong>der</strong>zustand überdehnt se<strong>in</strong> <strong>und</strong> ke<strong>in</strong> an<strong>der</strong>es Bauteil berühren darf. So kann schon<br />

<strong>in</strong> dieser frühen Phase Bauteilverschleiß durch Abrieb ausgeschlossen werden. Zusätzlich<br />

wird <strong>der</strong> Konstrukteur noch durch Aufzeichnung e<strong>in</strong>er Hüllkurve unterstützt, welche<br />

er <strong>in</strong> se<strong>in</strong>em Author<strong>in</strong>gtool darstellen <strong>und</strong> somit stets den benötigten Platz berücksichtigen<br />

kann.<br />

Bild 6: Anwendungsfall zur Absicherung des Bauraumes für e<strong>in</strong> Sensorkabel <strong>in</strong> verschiede-<br />

nen E<strong>in</strong>fe<strong>der</strong>ungszuständen. Mit fre<strong>und</strong>licher Genehmigung <strong>der</strong> Audi AG.


Seite 6 C. Wienss, G. Goebbels<br />

In <strong>der</strong> Konstruktions- <strong>und</strong> Erprobungsphase greifen die Untersuchungsergebnisse aus<br />

<strong>der</strong> Validierungsphase, was zur deutlichen Reduzierung <strong>der</strong> physikalischen Prototypen<br />

führt. Diese Phase ist häufig die erste Phase, <strong>in</strong> <strong>der</strong> alle Bauteile zusammengeführt <strong>und</strong><br />

auf die verschiedenen Gesamtkomponenten gleichzeitig betrachtet werden. Hierbei<br />

kommt es zu weiteren Bauraumüberschneidungen, bei denen häufig flexible Bauteile<br />

betroffen s<strong>in</strong>d. Die betroffenen Package-Abteilungen müssen nun Lösungen f<strong>in</strong>den, bei<br />

denen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel die biegeschlaffen Komponenten geän<strong>der</strong>t werden (vgl. Bild 7).<br />

Bild 7: Bauraumüberschneidung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mittelkonsole. Das flexible Objekt wird zunächst <strong>in</strong><br />

unverän<strong>der</strong>ter Länge wie geplant simuliert (l<strong>in</strong>ks). Dabei erkennt man die Verlet-<br />

zung des m<strong>in</strong>imalen Biegeradius (hellblau, mitte). Nach Längenangleich <strong>und</strong> Positi-<br />

onsän<strong>der</strong>ung des Anschlusses ist das Konzept umsetzbar (rechts). Mit fre<strong>und</strong>licher<br />

Genehmigung <strong>der</strong> Daimler AG.<br />

Zudem werden <strong>in</strong> <strong>der</strong> Erprobungsphase Lasttests <strong>und</strong> wirkende Kräfte analysiert. Hierbei<br />

helfen die e<strong>in</strong>geführten Stop- <strong>und</strong> Analysekriterien, bei denen Kräfte, Kollisionen<br />

<strong>und</strong> Biegeradienverletzungen im Vorfeld erkannt werden können.<br />

Während <strong>der</strong> Fertigung unterstützt <strong>der</strong> numerische Ansatz von IDO:Flexible beispielsweise<br />

bei <strong>der</strong> Konstruktion <strong>und</strong> Planung <strong>der</strong> Schweiß- <strong>und</strong> Montageroboter. Diese<br />

werden elektrisch o<strong>der</strong> hydraulisch bewegt <strong>und</strong> müssen somit <strong>Kabel</strong>stränge <strong>und</strong> Druckleitungen<br />

führen, welche starken Bewegungen ausgesetzt s<strong>in</strong>d. Hierbei gilt es übermäßige<br />

Zugbelastungen <strong>und</strong> Knicke von Schläuchen zu vermeiden.<br />

4 Messung <strong>der</strong> Materialeigenschaften<br />

Beg<strong>in</strong>nend mit <strong>der</strong> Validierungsphase steigt <strong>der</strong> Anspruch <strong>der</strong> physikalischen Genauigkeit<br />

an das System. Es muss beachtet werden, welche Materialien zum E<strong>in</strong>satz kommen,<br />

um die entsprechenden Parameter <strong>der</strong> Simulation zu übergeben. Hierzu wurden alle verwendeten<br />

Proben auf verschiedene Eigenschaften h<strong>in</strong> vermessen:


<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 7<br />

1. Steifigkeit: In e<strong>in</strong>em Biegeversuch wird die e<strong>in</strong>gespannte Probe ausgelenkt <strong>und</strong><br />

die benötigte Steifigkeit gemessen (vlg. Bild 8). Hieraus wird mit Hilfe <strong>der</strong> Balkentheorie<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> Annahme, dass es sich um e<strong>in</strong> homogenes Material handelt,<br />

die Steifigkeit ermittelt. Bei Schläuchen wird zusätzlich die Steifigkeit aus dem<br />

Zugversuch ermittelt. Für die Simulation wird allerd<strong>in</strong>gs die Steifigkeit aus dem<br />

Biegeversuch verwendet. Die beiden Steifigkeiten können sich um den Faktor<br />

100 unterscheiden, da die Bauteile als System verschiedener Komponenten vorliegen.<br />

Der Zugversuch wird durchgeführt, um die Poissonzahl zu bestimmen.<br />

2. Querkontraktion: im Zugversuch von Schläuchen wird mit e<strong>in</strong>er hochauflösenden<br />

Kamera die Querverjüngung bei gleichzeitiger Längsdehnung gemessen.<br />

Zusätzlich ist die Probe mit e<strong>in</strong>er oberflächenspannungslosen Flüssigkeit gefüllt,<br />

anhand welcher das Innenvolumen überprüft wird. Hieraus kann die Än<strong>der</strong>ung<br />

<strong>der</strong> Wandstärke ermittelt werden, aus welcher die Poissonzahl berechnet wird.<br />

3. Dichte: Die Dichte wird mittels Auftriebsanalyse mit e<strong>in</strong>em Pyknometer gemessen.<br />

Das Messpr<strong>in</strong>zip beruht auf <strong>der</strong> Verdrängung <strong>der</strong> im Gefäß bef<strong>in</strong>dlichen<br />

Flüssigkeit. Dabei wird erst das leere bzw. das mit Flüssigkeit gefüllte Gefäß gewogen<br />

<strong>und</strong> dann <strong>der</strong> zu messende Körper <strong>in</strong> das Gefäß gegeben.<br />

Bild 8: Aufbauten zur Materialvermessung. Von l<strong>in</strong>ks nach rechts: Optische Messung <strong>der</strong><br />

Querkontraktion, Biegeversuch mit Auslenkung <strong>und</strong> Kraftmessung, Hysteresekurve<br />

aus Weg zu Kraft.<br />

5 Messung des Formverlaufes<br />

Zur Beurteilung <strong>der</strong> Güte e<strong>in</strong>er <strong>Kabel</strong>simulation ist <strong>der</strong> Vergleich mit <strong>der</strong> Realität unabd<strong>in</strong>gbar.<br />

Hierzu wurden verschiedene Vermessungstechniken begutachtet <strong>und</strong> verglichen.<br />

Benötigt wurde e<strong>in</strong> System mit folgenden Eigenschaften, die neben wissenschaftlichen<br />

Zielen auch Firmen<strong>in</strong>teressen entsprechen mussten:


Seite 8 C. Wienss, G. Goebbels<br />

1. Genauigkeit: Maximaler Fehler <strong>der</strong> Messdaten: 200 μm.<br />

2. Freiheitsgrade: Es ist wichtig auch <strong>in</strong> schwierig zu erreichenden Positionen<br />

umfassende Messdaten zu erlangen (z.B. Bremsschlauch im Radkasten).<br />

3. Scandauer: E<strong>in</strong>e Scandauer von über drei M<strong>in</strong>uten nicht s<strong>in</strong>nvoll, da Kräfte <strong>und</strong><br />

Gravitaion e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge Formverän<strong>der</strong>ung über die Zeit bewirken.<br />

4. Scanvolumen: Bauräume von bis zu 1 m³ sollten erfasst werden können.<br />

5. Datenmengen: Die ermittelten Messdaten müssen ausreichen, um den <strong>Kabel</strong>verlauf<br />

h<strong>in</strong>reichend genau zu beschreiben.<br />

6. Messbee<strong>in</strong>flussung: Durch die Vermessung darf <strong>der</strong> Probenverlauf nicht verän<strong>der</strong>t<br />

werden.<br />

7. Transportierbarkeit: Schnelles Auf- <strong>und</strong> Abbauen <strong>und</strong> Verstauen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />

handlichen Schutzbehältnis wichtig für den k<strong>und</strong>ennahen E<strong>in</strong>satz.<br />

8. Kalibrationszeit: Maximal zehn M<strong>in</strong>uten Aufbau- <strong>und</strong> Kalibrationszeit erlaubt<br />

für professionellen <strong>und</strong> rentablen K<strong>und</strong>enauftritt.<br />

9. Auftreten: Look and Feel e<strong>in</strong>er professionellen Lösung.<br />

10. E<strong>in</strong>richtungszeit: E<strong>in</strong> rentabler Auftritt setzt e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge E<strong>in</strong>arbeitungsphase<br />

<strong>und</strong> wenig Startprogrammierung voraus.<br />

11. Datenformat: Ausgabe des Systems soll e<strong>in</strong> schnell <strong>in</strong> <strong>der</strong> firmeneigenen Software<br />

ladbares Datenformat se<strong>in</strong>.<br />

12. Garantierte Lauffähigkeit: Fällt e<strong>in</strong>e Komponente des Systems aus, muss <strong>in</strong>nerhalb<br />

kürzester Zeit das Gerät wie<strong>der</strong> funktionsfähig se<strong>in</strong> können.<br />

Durch die Anfor<strong>der</strong>ungsvorgaben lassen sich Klassifizierungen verschiedener Messsysteme<br />

vornehmen. Haptische Systeme bee<strong>in</strong>flussen den <strong>Kabel</strong>verlauf, ergeben e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge<br />

Anzahl von Messdaten <strong>und</strong> benötigen vergleichsweise viel Zeit zur Datenerfassung.<br />

Ihr Vorteil liegt <strong>in</strong> <strong>der</strong> schnellen Kalibration <strong>und</strong> hohen Genauigkeit. Optische<br />

Systeme bieten den Vorteil, das Datenvolumen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Zeitschritt zu erfassen. E<strong>in</strong><br />

mögliches System wird von <strong>der</strong> Firma GOM vertrieben <strong>und</strong> basiert auf Epipolargeometrie.<br />

Hierbei werden Streifenmuster auf die Oberfläche projiziert <strong>und</strong> von zwei Kameras<br />

aufgenommen. Die gemessene Objektstruktur wird automatisch <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Oberfläche<br />

überführt <strong>und</strong> kann exportiert werden. Nachteile des Systems s<strong>in</strong>d allerd<strong>in</strong>gs <strong>der</strong> Preis<br />

<strong>und</strong> das Umstellen <strong>der</strong> Apparatur für Scans von mehreren Seiten. Zudem s<strong>in</strong>d Aufnahmen<br />

<strong>in</strong> engen Bauräumen (z.B. Radkasten) schwierig umzusetzen. Mit e<strong>in</strong>em Laserscanner,<br />

gestützt durch e<strong>in</strong>en 3D-Messarm, lassen sich die meisten Kriterien erfüllen.<br />

E<strong>in</strong>e hohe Genauigkeit im Zusammenspiel mit ger<strong>in</strong>ger Kalibrationszeit, hoher Mobilität,<br />

ke<strong>in</strong>er Messbee<strong>in</strong>flussung <strong>und</strong> e<strong>in</strong>em großen Messraum auch unter verw<strong>in</strong>kelten Bed<strong>in</strong>gungen<br />

bei gleich bleiben<strong>der</strong> Genauigkeit wird gewährleistet. Zudem wird das System<br />

kommerziell vertrieben <strong>und</strong> garantiert so Lauffähigkeit, ger<strong>in</strong>ge E<strong>in</strong>richtungszeit<br />

<strong>und</strong> professionelles Auftreten. Es wird e<strong>in</strong> 3D Datenmodell erzeugt, das <strong>in</strong> gängigen<br />

Formaten abgelegt werden kann. Kritikpunkte wären das nötige Weißen <strong>der</strong> Probe, <strong>der</strong>


<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 9<br />

Preis sowie die objektgrößenabhängige Scandauer. Aufgr<strong>und</strong> des direkten Vergleichs<br />

<strong>der</strong> Messmethoden wurde sich für die Verwendung des lasergestützen optischen Systems<br />

entschieden. Die Wahl fiel auf die Komb<strong>in</strong>ation aus dem Microscribe G2 taktilen<br />

3D-Arm <strong>der</strong> Firma Immersion <strong>in</strong> Komb<strong>in</strong>ation mit dem Laserscanner Microscan <strong>der</strong><br />

Firma MSI. Dieser liefert e<strong>in</strong>en ausreichend großen Abtastungsradius (120cm) bei hoher<br />

Auflösung (100 μm). Es werden 28.000 Punkte pro Sek<strong>und</strong>e aufgenommen, wodurch<br />

e<strong>in</strong>e hohe Datenmenge entsteht. Zudem ist das System e<strong>in</strong>fach zu transportieren<br />

(800x300x300mm Kiste) <strong>und</strong> schnell zu kalibrieren (ca. 4 M<strong>in</strong>uten). Das System wird<br />

mit e<strong>in</strong>er Software ausgeliefert (Microscan Tools), welche mehrere Scans e<strong>in</strong>es Objektes<br />

analysiert <strong>und</strong> Messfehler m<strong>in</strong>imiert. Die gescannten Punkte werden unter Berücksichtigung<br />

von Ausreißerbehandlung zu e<strong>in</strong>er Gitterstruktur verb<strong>und</strong>en, welche im .stl<br />

Format o<strong>der</strong> als VRML gespeichert wird. So können die Scanergebnisse <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Arbeitsschritt<br />

erfasst <strong>und</strong> zur Simulation vorbereitet werden.<br />

Für die Verlaufsanalysen wurde e<strong>in</strong>e Messreihe entworfen, welche typische Anwendungsfälle<br />

abdeckt <strong>und</strong> sowohl Biegung als auch Torsion berücksichtigt. Neben anwen<strong>der</strong>spezifischen<br />

Lastfällen wurden bislang drei Testreihen gemessen, welche <strong>in</strong> Bild 9<br />

dargestellt werden.<br />

Bild 9: Verschiedene Aufbauten zur Vermessung von <strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Kabel</strong>bündelverläufen. Alle<br />

Setups wurden mit <strong>und</strong> ohne Torsion analysiert.<br />

Die gescannten Formverläufe werden <strong>in</strong> IDO:Flexible importiert <strong>und</strong> mit Hilfe des Assisted<br />

Mode <strong>in</strong> flexible Bauteile umgewandelt. Hierbei werden sehr viele Stützstellen<br />

entlang des realen Scans gesetzt, um das physikalische Verhalten genau nachzubilden.<br />

Im nächsten Schritt werden die Endpositionen <strong>und</strong> die Materialkennwerte <strong>der</strong> Simulation<br />

übergeben, die nun den Formverlauf ohne Zwischenfixierungen errechnet. Als Ergebnis<br />

werden zwei Mittell<strong>in</strong>ien exportiert, e<strong>in</strong> Nachbau <strong>der</strong> Realität <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e Simulation.<br />

Diese werden <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em separaten Tool (z.B. UGSPLM NX) mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong> verglichen<br />

<strong>und</strong> die maximale Abweichung ermittelt.


Seite 10 C. Wienss, G. Goebbels<br />

6 Ergebnisse<br />

Die Messaufbauten wurden mit sechs verschiedenen <strong>Kabel</strong>typen sowie sechs verschiedenen<br />

<strong>Kabel</strong>bündeltypen durchgeführt. Die Bündel unterschieden sich im <strong>in</strong>neren Aufbau<br />

sowie <strong>in</strong> <strong>der</strong> Wickelungsart. Diese werden wie <strong>in</strong> Bild 9 beschrieben e<strong>in</strong>gespannt<br />

<strong>und</strong> ohne Torsion vermessen. Zusätzlich werden die Proben mit 90° Torsion versehen<br />

<strong>und</strong> gescannt. Daraus ergeben sich 72 Scans, welche mit IDO:Flexible nachgebaut <strong>und</strong><br />

errechnet werden. Die maximale Abweichung wird als Fehler <strong>in</strong> Prozent bezogen auf<br />

die Probenlänge angegeben. Beispiel <strong>in</strong> Bild 10: Die maximale Abweichung beträgt<br />

4,43mm, was bei e<strong>in</strong>er Probenlänge von 751mm e<strong>in</strong>en Fehler von 0,59% bedeutet.<br />

Bild 10: Vergleich Realität (grau) <strong>und</strong> Simulation (gelb). 10mm² <strong>Kabel</strong>, Aufbau wie <strong>in</strong> Bild 9<br />

(l<strong>in</strong>ks) ohne Torsion. Die Mittell<strong>in</strong>ien werden extrahiert <strong>und</strong> mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong> verglichen.<br />

Mit fre<strong>und</strong>licher Genehmigung von Delphi Packard.<br />

Die Vergleiche zwischen <strong>der</strong> Realität <strong>und</strong> <strong>der</strong> Simulation lieferten folgende Ergebnisse:<br />

bei 50 Proben lag <strong>der</strong> Fehler unter e<strong>in</strong>em Prozent, bei 20 unter 2%, jeweils e<strong>in</strong>e Probe<br />

ergab e<strong>in</strong>en Fehler von 3% <strong>und</strong> 4%. Die Hauptursache für die entstandenen Abweichungen<br />

waren manuelle Fertigungsfehler sowie Vordeformationen durch händische Wickelung<br />

<strong>und</strong> Transport (vlg. Bild 11).


<strong>Kabel</strong>- <strong>und</strong> <strong>Schlauchsimulation</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Produktentstehung</strong> Seite 11<br />

Bild 11: Manuelle Fertigungsfehler <strong>in</strong> <strong>der</strong> Wickelung <strong>der</strong> Bündel (l<strong>in</strong>ks) sowie Vordeformati-<br />

on durch Lagerung (rechts) s<strong>in</strong>d die Hauptursache für Abweichungen zwischen <strong>der</strong><br />

Simulation (gelb) <strong>und</strong> <strong>der</strong> Realität (grau).<br />

Von den Benutzerlastfällen wurde das Sensorkabel im Radkasten (vgl. Bild 6) mit Hilfe<br />

des Laserscanners vermessen (Audi). Hierbei ergab sich e<strong>in</strong> maximaler Fehler über alle<br />

E<strong>in</strong>fe<strong>der</strong>ungszustände von 0,77%.<br />

7 Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick<br />

In diesem Paper konnte bewiesen werden, welche Genauigkeit aus dem mathematischen<br />

Modell von IDO:Flexible resultiert. Alle gemessenen Proben lagen mit <strong>und</strong> ohne Torsion<br />

weit <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> vom OEM gefor<strong>der</strong>ten Toleranz (meist 5%). Somit konnte nachgewiesen<br />

werden, dass physikalische Prototypen zur Absicherung des Entwurfs aufgr<strong>und</strong><br />

<strong>der</strong> Simulationsergebnisse reduziert werden können. Die größten Abweichungen<br />

entstanden durch <strong>in</strong>dividuelle Fehler <strong>in</strong> <strong>der</strong> manuellen Fertigung sowie Lagerung.<br />

Mit diesem Modell werden Zeit <strong>und</strong> Kosten e<strong>in</strong>gespart, was zur Beschleunigung des<br />

<strong>Produktentstehung</strong>sprozesses führt. Die Bereiche im Produktlebenszyklus, <strong>in</strong> denen die<br />

Simulation von flexiblen Bauteilen s<strong>in</strong>nvoll ist, wurden diskutiert. Entsprechend den<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>in</strong> den verschiedenen Stadien wurden Lösungskonzepte vorgestellt.<br />

E<strong>in</strong> wichtiger Faktor für die gemessenen Ungenauigkeiten waren gewünschte sowie ungewünschte<br />

Vordeformationen. Diese treten zudem im Bereich von Lüftungs- <strong>und</strong> Klimaschläuchen<br />

häufig auf. Aus diesem Gr<strong>und</strong> wird dieser <strong>in</strong>teressante Forschungsaspekt<br />

<strong>in</strong> den nächsten Versionen umgesetzt.


Seite 12 C. Wienss, G. Goebbels<br />

Literatur<br />

[GEK01] GAUSEMEIER, J.; EBBESMEYER, P.; KALLMEYER, F.: Produkt<strong>in</strong>novation - Strategische Planung<br />

<strong>und</strong> Entwicklung <strong>der</strong> Produkte von morgen. Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2001<br />

[GS06] GRÉGOIRE, M.; SCHÖMER, E.: Interactive simulation of one-dimensional flexible parts.<br />

ACM Symposium on Solid and Physical Model<strong>in</strong>g, 2006<br />

[HOR06] HORNUNG, N.; NIKITIN, I.; GOEBBELS, G.; KLEIN, U.; MÜLLER, S.; WIENSS, C.: fleXeng<strong>in</strong>e:<br />

Highly Accurate Real-Time Simulation System For Cables, Hoses and Wir<strong>in</strong>g Harness<br />

with Contacts. Proceed<strong>in</strong>gs of the International Wire and Calbe Symposium (IWCS),<br />

Inc, Rhode Island, USA, 2006<br />

[HOR07] HORNUNG, N.; NIKITIN, I.; GOEBBELS, G.; KLEIN, U.; HAMBÜRGER, T.; WIENSS, C.; RATTAY,<br />

O.; TROCHE, K.; GÖBEL, M.: fleXeng<strong>in</strong>e: Realtime dynamics simulation of cables, hoses<br />

and wir<strong>in</strong>g harnesses for high accuracy digital mockups and load analysis. Proceed<strong>in</strong>gs<br />

of the Conference Automotive Power Electronics Paris - Salons de l'Aveyron (APE),<br />

Paris, France, 2007<br />

[LIN06] LINN, J.; STEPHAN, T.; CARLSON, J.S.; BOHLIN, R.: Fast simulation of quasistatic cable deformations<br />

for simulation applications <strong>in</strong> VR. Proceed<strong>in</strong>gs of the European Conference<br />

of Mathematics <strong>in</strong> Industry ECMI, 2006<br />

[SCH03] SCHMITT, A.;: Dynamische Simulation von gelenkgekoppelten Starrkörpersystemen mit<br />

<strong>der</strong> Impulstechnik, Universität Karlsruhe, 2003<br />

[SCH05] SCHOTTE, W.: Simulation des dynamischen Verhaltens von <strong>Kabel</strong>n für E<strong>in</strong>bau-Montage-<br />

Simulation <strong>in</strong> VR. Master’s thesis, Fraunhofer IGD, Darmstadt, Germany, 2005<br />

[THE07] THEETTEN, A.;: Quasi-dynamic spl<strong>in</strong>es. SPM ’07: Proceed<strong>in</strong>gs of the 2007 ACM symposium<br />

on Solid and Physical modell<strong>in</strong>g, S. 409, New York, USA, 2007<br />

[TQ94] TERZOPOULUS, D.; QIN, H.: Dynamic NURBS with geometric constra<strong>in</strong>ts for <strong>in</strong>teractive<br />

sculpt<strong>in</strong>g. ACM Transactions on Graphics, 1994<br />

[WIE05] WIENSS, C.; NIKITIN, I.; GOEBBELS, G.; MÜLLER, S.: fleXeng<strong>in</strong>e: Echtzeitdeformation <strong>und</strong><br />

Kollisionserkennung zur virtuellen Operationssimulation. Virtuelle <strong>und</strong> Erweiterte Realität,<br />

Shaker, Aachen, 2. Workshop <strong>der</strong> GI Fachgruppe VR/AR, Gesellschaft für Informatik,<br />

2005<br />

Dipl.-Inform. Christian Wienss, Jahrgang 1979, studierte von Oktober 2000 bis Dezember 2004<br />

Computervisualistik an <strong>der</strong> <strong>der</strong> Universität Koblenz. Von September 2003 bis Dezember 2004 war er<br />

neben dem Studium Hilfswissenschaftler im Competence Center Virtual Environments des Fraunhofer<br />

Institutes für Medienkommunikation (IMK). Ab 2005 arbeitete er <strong>in</strong> <strong>der</strong> Fa. fleXilution GmbH,<br />

wo er bis November 2006 <strong>in</strong> <strong>der</strong> Entwicklung <strong>und</strong> als Doktorand tätig war. Bei <strong>der</strong> Zusammenführung<br />

mit <strong>der</strong> IC:IDO GmbH wechselte er <strong>in</strong> die Position e<strong>in</strong>es technischen Beraters <strong>und</strong> verfasst weiterh<strong>in</strong><br />

se<strong>in</strong>e Dissertation über das Verhalten biegeschlaffer Bauteile.<br />

Dr. Gernot Goebbels ist Mitbegrün<strong>der</strong> <strong>und</strong> Geschäftsführer <strong>der</strong> fleXilution GmbH, Deutschland. Von<br />

1998 bis 2004 war er Projektmanager im Competence Center Virtual Environments des Fraunhofer<br />

Institutes für Medienkommunikation (IMK). Se<strong>in</strong>e durch Prof. Dr. Vali Lalioti (University of Pretoria)<br />

betreute Promotion schloss er 2001 ab.

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