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14.07.1995

Intuitive Interaktion wird moeglich Virtuelles Prototyping macht Produkte im voraus erlebbar

Kuerzeste Entwicklungs- und Produktionszyklen sind notwendig, sollen Wettbewerbspositonen gehalten und verbessert werden. Virtuelles Prototyping erlaubt die gleichzeitige Beteiligung vieler Personen mit unterschiedlichen Aufgaben an Entwicklungsprozessen. Thomas Flaig* erlaeutert grundsaetzlich die Moeglichkeiten dieser Verfahren und stellt ein Projekt des Stuttgarter IPA-Instituts der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG-IPA) vor.

Die Entwicklung bildet den ersten Schritt hin zu einem neuen Produkt. Sie gliedert sich in vier Phasen: Planen, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten. Planen und Konzipieren werden unter dem Begriff des Entwickelns im engeren Sinne zusammengefasst, das Entwerfen und Ausarbeiten unter dem des Konstruierens.

Fehler im Entwicklungsprozess wirken sich direkt auf die spaeteren Gewinne aus. So fuehrt laut einer Studie von McKinsey eine um sechs Monate verlaengerte Entwicklungszeit zu einer Gewinnminderung um 33 Prozent. Als potentiell zeitverzoegernd und damit innovationshemmend wurden im Entwicklungsprozess folgende Faktoren identifiziert.

-Organisation: Die Produktentwicklung ist meist noch durch einen streng sequentiellen Arbeitsablauf mit scharfen Aufgabenteilungen gekennzeichnet. Dies hemmt eine ganzheitliche Vorgehensweise, die das Gesamtprodukt im Auge hat.

-Bau und Erprobung von Prototypen: Der Prototypenbau dauert speziell im Maschinenbau lange und bindet viel Kapital. Bis zu 25 Prozent der Entwicklungszeit werden dafuer benoetigt. Die Ergebnisse der Erprobung gehen oft spaet und ungenuegend in den Konstruktionsprozess ein.

-Informationssysteme: Der Einsatz von Informationssystemen im Entwicklungsprozess ist nicht bereichsuebergreifend. CAX-Systeme fungieren vornehmlich als Inselloesungen und sind somit als Medium fuer einen kurzzyklischen innovativen Entwicklungsprozess ungeeignet.

Der gezielte Einsatz von Informationstechnologie ist geeignet, die Entwicklungsdauer zu verkuerzen und den Innovationsgrad neuer Produkte zu erhoehen. Das groesste Verbesserungspotential liegt zum einen in den organisatorischen Randbedingungen durch multimediale Informationssysteme, zum anderen im Bereich des Prototypenbaus und der Erprobung.

Virtual Reality (VR) bietet sich als eine der neuesten und vielseitigsten Technologien hierfuer an. Es gibt unterschiedliche Definitionen fuer diese digital erzeugten Simulationen, die Datenraeume realistisch erscheinen lassen. Eine, die dem Begriff Virtual Reality am naechsten kommt, lautet:

Virtuelle Realitaet = Interaktion + Wahrnehmung.

Neben der visuellen werden auch akustische, taktile und olfaktorische Wahrnehmungen beruecksichtigt. Brauchbare Loesungen und Ansaetze gibt es bisher jedoch nur bei der Simulation der ersten beiden Wahrnehmungstypen. Die Aufgaben sind kompliziert. Beispielsweise genuegt nur eine 360-Grad-Simulation den Massstaeben der Virtual Reality. Auch muss die Darstellung in Abhaengigkeit von der aktuellen Position und Orientierung des Benutzerkopfes moeglich sein.

Mit der VR-Technik wird eine virtuelle Arbeitsumgebung geschaffen, in der alle fuer den Entwicklungsprozess erforderlichen Arbeitsschritte erfolgen koennen. Die Entwickler begeben sich mittels 3D-Visualisierung und den entsprechenden Eingabegeraeten in die virtuelle Arbeitsumgebung. Dort gestalten, veraendern und validieren sie die zu entwickelnden Objekte. Ausserdem koennen die am Entwicklungsprozess beteiligten Personen untereinander kommunizieren. Langfristiges Ziel ist die Kommunikation in dezentralen, weltweit verteilten Strukturen zum Planen, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten.

Virtual Prototyping umfasst die Planung, den Entwurf, die Gestaltung und die Validierung von noch nicht physisch vorhandenen Produkten oder Produktionsprozessen in virtueller Umgebung. Unverzichtbar ist dafuer ein echtzeitfaehiges Grafiksystem.

Die Vorteile des Virtual Prototyping liegen in der dreidimensionalen und aus der individuellen Blickrichtung resultierenden Visualisierung und den vielfaeltigen Interaktionsmoeglichkeiten ueber Gesten, Spracheingabe sowie neue, noch zu entwickelnde Ein-und Ausgabemedien. Durch die freie Positionierung und Skalierung des Benutzers innerhalb und ausserhalb des zu planenden Objektes kann eine grosse Zahl von Personen gleichzeitig an einem raeumlich begrenzten Objekt arbeiten, ohne dass dieses in seine Elemente aufgeteilt werden muss.

Die Wahrnehmung an einem heutigen Computerarbeitsplatz entspricht nicht der, die ein Modellbauer benoetigt, um ein Produkt zu modellieren oder zu validieren. Eine mit Hilfe der VR-Techniken geschaffene virtuelle Arbeitsumgebung wird den Anforderungen schon eher gerecht. Gleiches gilt fuer die Interaktion in heutigen Computersystemen. Eine intuitive Interaktion wird erst durch VR- Verfahren in ausreichender Weise moeglich.

Bessere Chancen fuer die Intuition

Die Entwicklung eines Produktes oder einer Produktionsanlage ist ein iterativer Prozess zur Gestaltung und Validierung von Produkteigenschaften. Seine Zyklen laufen mehrmals hintereinander in nahezu gleicher Weise ab, wobei der Prototyp des gewuenschten Produktes oder Fertigungsprozesses immer wieder veraendert wird. Zu Beginn ist er lediglich durch das Loesungsprinzip in unterschiedlichen Konzeptvarianten gekennzeichnet. Mit zunehmender Entwicklungsdauer wird er um immer mehr Eigenschaften des zukuenftigen Produktes bereichert, bis er diesem zum Schluss voellig entspricht.

Herkoemmlicherweise arbeiten die beteiligten Experten sequentiell. In einer virtuellen Arbeitsumgebung koennen sie dagegen gleichzeitig an dem Prototypen basteln, weil sie nicht mehr auf dessen physikalische Verfuegbarkeit angewiesen sind. Die Experten bearbeiten einen virtuellen Prototypen, der nur im Datenspeicher der Computer existiert. Der Vorteil dieses Vorgehens liegt auf der Hand. Auf intuitive Weise werden Objekte gestaltet oder veraendert und auf spezielle Merkmale untersucht. Es bedarf weniger realer Prototypen, im Idealfall kann man auf diese sogar voellig verzichten.

Innovative Produktentwicklung erfolgt in der Regel in interdisziplinaerer Teamarbeit.

Die Mitarbeiter aus den verschiedenen Disziplinen brauchen VR- Werkzeuge fuer ihre spezifischen Arbeitsumgebungen. Damit kann der Designer beispielsweise mit interaktiven Werkzeugen in einer virtuellen Arbeitsumgebung das Produkt mit seinen Haenden modellieren oder der Sicherheitsexperte durch Begehen der virtuellen Produktionsanlage die sicherheitstechnischen Einrichtungen ausprobieren.

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes der VR-Techniken ist die Moeglichkeit, in der virtuellen Arbeitsumgebung zu kommunizieren. Die so unterstuetzten Arbeitsprozesse koennen in einfacher Weise gekoppelt und - aehnlich wie bei einer Videokonferenz - Problempunkte zwischen den Experten sofort diskutiert werden. Das spart Zeit.

Vorstufen von Produkten oder Produktionsprozessen werden immer wieder auf ihre Tauglichkeit hin untersucht. Bei dieser Validierung geht es gleichermassen um objektive und subjektive Merkmale. Beispielsweise kann die Handhabungsmoeglichkeit eines Produktes nicht rein objektiv bewertet werden. Mit Hilfe von virtueller Realitaet laesst sich aber die Validierung verbessern. Subjektive Merkmale von Produkten oder Produktionsprozessen lassen sich an virtuellen Prototypen in einem fruehen Entwicklungsstadium erfahren.

Mit der Planung und Konzeption einer vom FhG-IPA entwickelten Roboterabfuellanlage wurde die Validierung von Layout, Funktionalitaet und anlagentechnischen Kenngroessen in einem Industrieprojekt durchgefuehrt. Die entscheidenden Vorteile des neuen Anlagenkonzeptes sind die sehr hohe Flexibilitaet sowie die auf ein Minimum reduzierten manuellen Umruesttaetigkeiten, die zusammen eine wesentliche Erhoehung der Anlagenverfuegbarkeit bewirken.

Zwei Industrieroboter haben die Aufgabe, Plastikflaschen fuer Diagnostika in drei aufeinanderfolgenden Stationen einem Magazin zu entnehmen, zu fuellen, zu verschliessen und wieder in einem Magazin abzustellen. In einem ersten Schritt werden die Flaschen aus dem Magazin geholt und mit einer variierbaren Fluessigkeitsmenge gefuellt. In der zweiten Phase wird den Flaschen ein Verschluss aufgesetzt und verschraubt. An der dritten Station werden sie wieder magaziniert.

Eine Abfuellanlage in Echtzeit simulieren

Mit Hilfe des Virtual Prototyping ist es nun erstmals moeglich, diese Abfuellanlage in Echtzeit zu simulieren und dabei fruehzeitig auf Funktionalitaet und Tauglichkeit zu pruefen. Aenderungen zur Erhoehung der Flexibilitaet koennen in einem fruehen Planungsstadium durchgefuehrt und Folgekosten vermieden werden.

Die Anlagensimulation erfolgte in mehreren Schritten. Zu Beginn wurde ein Anlagenmodell aus 3D-Objekten im Rechner erstellt. Es bildete im weiteren die Grundlage fuer die Validierung der Funktionalitaet, der Taktzeitabschaetzung und des Platzbedarfs.

Um die flexible Abfuellung durch die Roboter zu ueberpruefen, mussten die entsprechenden Teile der Anlage virtuell nachgebildet werden. Zunaechst wurden die Anlagenkomponenten als 3D-CAD-Modell modelliert und in einem zweiten Schritt die Ablaufsteuerung fuer die flexible Roboterabfuellanlage entwickelt. Die Steuerung aller Bewegungen in der Simulation wird auf einem Transputersystem im Hintergrund berechnet. Dies hat den Vorteil, dass die Bewegungen und deren gegenseitige Abhaengigkeiten in Echtzeit bestimmt und auch ausgefuehrt werden. Die Berechnung der Taktzeiten der flexiblen Roboterabfuellanlage uebernimmt ein Parallelrechnersystem ebenfalls in Echtzeit. Abschliessend wurde in der flexiblen Abfuellanlage der Platzbedarf abgeschaetzt, wonach sich die Anlagenkomponenten guenstiger aufstellen liessen.

Erste Systeme in Industrieprojekten

Die Entwicklung der virtuellen Realitaet ist in vollem Gange. Erste Systeme haben bereits das Stadium der Forschungsarbeiten verlassen und werden in Industrieprojekten der Produktionstechnik eingesetzt. Grosse Firmen und Konzerne verfolgen aufmerksam das Geschehen und haben mit ersten Versuchen eines VR-Einsatzes begonnen.

Speziell im Bereich des Virtual Prototyping sind umwaelzende Veraenderungen zu erwarten. Beispielsweise wollen die grossen Automobilhersteller in Deutschland die Iterationszyklen im Entwicklungsprozess verringern. VR bietet dazu einen Loesungsansatz.

*Diplomingenieur Thomas Flaig ist Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts fuer Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart