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ASOM: Eine Software zur praxistauglichen Analyse, Synthese und Optimierung von Mehrgelenksystemen

In der Maschinenbau- und  Automobilindustrie ist ein gleichbleibend hoher Bedarf an Lösungen für kinematische Systeme vorhanden. Die Anforderungen an die Entwicklung entsprechender Mehrgelenksysteme nehmen dabei stetig zu und sind mittlerweile so differenziert, dass auch erfahrene Ingenieure unter Nutzung üblicher CAD-Software einen erheblichen Zeitaufwand für die Lösungsfindung benötigen. Mit ASOM steht nun eine Software zur Verfügung, mit der es gelingt, die Entwicklungszeit für Mehrgelenksysteme erheblich zu reduzieren. Die Umsetzung erfolgt dabei interaktiv durch Einbindung des Entwicklers im entsprechenden Syntheseprozess.

Herausforderung

Mehrgelenksysteme (MGS) kommen regelmäßig bei einer großen Produktpalette in der Automobil- und Maschinenbauindustrie zum Einsatz. Die Ansprüche im Hinblick auf Komfort, Effizienz, Gewicht, Kosten und Robustheit bewegter Systeme wie Hauben, Klappen, Türen usw. steigen stetig. Die Erfüllung entsprechender Anforderungen stellt mittlerweile einen erheblichen und weiter zunehmenden Entwicklungsaufwand dar. Allein die Tatsache, dass erwünschte Bewegungsabläufe in der MGS-Kinematik selbst von erfahrenen Entwicklern und Ingenieuren nicht mehr antizipiert werden können, stellt für sich genommen bereits eine große Herausforderung dar. Die Notwendigkeit, darüber hinaus weitere Aspekte wie die Vorgabe von Ebenenlagen, Bewegungsabläufen, Restriktions- und Kollisionszonen, Energiespeicherelementen, Antrieben und eine große Zahl ergonomischer und funktioneller Aspekte zu berücksichtigen erhöht diese Anforderungen zusätzlich.

Auch aus diesen Gründen werden bei gegenwärtigen MGS-Entwicklungen häufig vollständige Neuentwicklungen vermieden und stattdessen entweder vorhandene kinematische Lösungen herangezogen und modifiziert – was in aller Regel nicht einer optimalen Lösung entspricht – oder das erwünschte Bewegungskonzept wird sogar vollständig verworfen.

Lösung

Die Software ASOM ist in der Motivation entstanden, den Entwickler aus genau diesem Dilemma zu befreien. Dies gelingt mit ASOM durch die Realisierung einer inversen Herangehensweise. Normalerweise werden durch die Anwendungs-Ingenieure Strukturen definiert und miteinander „kombiniert“, um eine gewünschte Zielfunktion zu realisieren. Bei einer inversen Herangehensweise wird jedoch die Funktion, hier die kinematische Zielbewegung bereits im Vorfeld exakt festgelegt und durch die Verwendung spezieller mathematischer Verfahren die dazu notwendige Struktur unter Berücksichtigung aller Randbedingungen ermittelt. Diese entspricht genau der Verfahrensweise von softwaregestützten Optimierungsverfahren anderer Industriezweige, bei dem die Wunschwerte für Zielparameter festgelegt und in einem nachfolgenden Rechenschritt die dazugehörigen Werte aller Einflussgrößen (invers) ermittelt werden. Gerade bei mathematisch nicht invertierbaren Zusammenhängen, die insbesondere auf mehrdeutigen Abbildungen beruhen ist das natürlich trivial nicht so einfach lösbar.

Die Software ASOM stellt jedoch für den Fall von Mehrgelenkgetrieben solche Lösungen nahezu vollautomatisch bereit. Denn basierend auf diesem Anwendungsziel werden hier – entgegen der Standardlösung mit CAD-Programmen – nicht die kinematische Auslegung sondern die Anforderungen und Wünsche der Ingenieure eingegeben. Die Aufgabe der Software ist es anschließend, angemessene Auslegungsvorschläge zu generieren. Diese Vorgehensweise ist für den Anwender erheblich einfacher und effizienter und wesentlich schneller, zumal es möglich ist, diesen inversen Prozess in ASOM in Echtzeit und hochinteraktiv zu realisieren. Die Umsetzung erfolgt dabei jedoch nicht als Black-Box-Lösungsgenerierer sondern es wird ein für den Entwickler wichtiger Wissenstransfer von der Software zum Anwender gewährleistet. Denn die gefundenen Lösungen können später nur akzeptiert werden, wenn der Entwickler alle Ergebnisse wirklich im Detail nachvollziehen kann. So entsteht wertvolles Know how bei der Neuentwicklung von Mehrgelenkgetrieben. Die Praxis hat gezeigt, dass sich auf diese Weise Entwicklungsaufwände in außerordentlich hohem Maße (von Wochen, gar Monate auf Minuten bzw. wenige Stunden) reduzieren lassen. Sollte unter den gegebenen Restriktionen tatsächlich keine optimale Lösung möglich sein, so wird dies unzweifelhaft deutlich. Unabhängig von dieser Tatsache werden in solchen Fällen Lösungen generiert, welche die Anforderungen maximal-möglich erfüllen.

Die Entwicklung von ASOM erfolgte in sehr enger und produktiver Zusammenarbeit mit der Volkswagen AG, wobei die Praxistauglichkeit und hohe Bedienerfreundlichkeit der Software im Rahmen der Weiterentwicklung kontinuierlich sichergestellt wurde. Ergebnis hierbei ist neben dem bewussten Vermeiden einer ausschließlichen ‚Black-Box-Lösung‘ die Implementation einer Reihe von leistungsfähigen Modulen, die ebenfalls dem inversen Entwicklungsprinzip untergeordnet wurden.

Abschließend werden beispielhaft einige dieser ASOM-Module kurz vorgestellt:

Beispiel für ein grafisches Gasdruckfedersyntheseverfahren

Modul Praxistaugliche Energiespeicherauslegungsverfahren

Je nach Bedürfnis können gezielt vorhandene Gasdruckfedern eingebunden oder auch neue Gasdruckfedern ausgelegt werden. Die Realgasgleichungen, Einbaubedingungen und / oder erwünschten Handkraftverläufe werden optional automatisch berücksichtigt. 

Haltekrafttool

Modul Haltekrafttool

Auch hier wird eine inverse Herangehensweise unterstützt: Der Anwender gibt die erwünschte Handkraft an wichtigen Positionen ein und ASOM passt unverzüglich das System darauf an.

Beispiel für den Einsatz des Toleranzanalysetools

Modul Toleranzanalysetool

Mit Hilfe dieses Tools kann ebenfalls in Echtzeit geprüft werden, ob die Auslegung auch unter Berücksichtigung vorliegender Fertigungstoleranzen den Anforderungen genügt.

Übersichtsmaske für das Regelwerk mit ein paar eingepflegten Regeln

Modul Regelwerk

Eine integrierte, leicht bedienbare Programmiersprache ermöglicht es dem Anwender, das betriebsinterne Kern-Know-How in ASOM so einzubinden, dass dieses automatisch mit berücksichtigt wird. 

Eingabemaske für eine Gütefunktion, die bei der Optimierung von ASOM berücksichtigt wird

Modul Optimierer

Komplexere, individuelle Wünsche und Anforderungen können explizit und intuitiv (z.B. durch grafische Eingabe der Gütefunktion) berücksichtigt werden.  Der ASOM-Optimierer erzeugt automatisch unterschiedliche und global-optimierte Lösungsvorschläge.

Zusammenfassung

Der Auslegungsprozess für Mehrgelenksysteme (MGS) war bislang auf Grund der zunehmenden Komplexität der Anforderungen sehr zeitaufwändig und somit stark heuristisch geprägt. Mit ASOM gibt es dieses Problem auf Grund der konsequenten Umsetzung von Synthesekonzepten nicht mehr. Der Entwickler erzeugt nun innerhalb kürzester Zeit praxistaugliche und nachvollziehbare Lösungen und kann sich somit vollends auf die Erfüllung von Kundenkomfortwünschen konzentrieren.

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