Einsatz von Simulation und Virtual Reality als ... - Semantic Scholar

Für die Modellierung bieten alle Programmpakete eine Reihe unterschiedlicher Optionen. Zum einen ermöglichen sie die Erstellung oder den Import von ...
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Einsatz von Simulation und Virtual Reality als Lehrunterstützung in der Fabrikplanung Martin Fahlbusch Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit Technische Universität Clausthal Zusammenfassung Nicht nur die Lehrinhalte an den Universitäten unterliegen einem starken Wandel, sondern auch die Lehrmethoden. Die "Halbwertszeit" des Wissens von Ingenieuren ist gerade in jüngster Zeit erheblich gesunken; Experten sprechen von nur noch drei Jahren. Um so wichtiger ist es, den Studierenden die veränderten Technologien nahe zu bringen und ihnen die Möglichkeiten zur Verfügung zu stellen, selbst aktiv damit umzugehen. Das Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit der TU Clausthal setzt verstärkt auf den Einsatz moderner Medien zur Lehrunterstützung. Im Rahmen von Fachpraktika erhalten Studierende Einblick in den Umgang mit modernen Hard- und Softwaretools. Seit mehreren Jahren wird das Fachgebiet der Simulation von Materialfluß-, Produktions- und Logistiksystemen direkt am Rechner gelehrt. Darüberhinaus stellt das im Aufbau befindliche VR-Labor einen weiteren Schritt zur Aktualisierung der Lehrinhalte in Richtung der neuen Technologien dar. Ein wesentliches Einsatzgebiet des VR-Labors in der Lehre soll das Fachpraktikum "Fabrik- und Anlagenplanung" sein.Der folgende Beitrag beschreibt kurz die verschiedenen Lehrveranstaltungen mit ihren Zielen und den Methoden.

Fabrikplanung in der Lehre Die Abteilung für Anlagenprojektierung und Materialflußlogistik des Instituts für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit der TU Clausthal befasst sich in Forschung und Lehre mit dem Fachgebiet Fabrik- und Anlagenplanung, Betrieb von Produktionsanlagen und Materialflußtechnik. Diese Gebiete werden im Rahmen von Vorlesungsveranstaltungen und Fachpraktika den Studierenden nach dem Vordiplom nahegebracht. Da die Planung von Fabrikanlagen ein sehr komplexes Lehrgebiet ist und die Studierenden einen möglichst intensiven Eindruck der Planungsprozesse erhalten sollen, wurde nach geeigneten Hilfsmitteln zur Vermittlung des Wissens gesucht. Virtual Reality und Simulation bieten die Möglichkeit, mit Hilfe moderner Rechnertechnik einen besonders guten Einblick in die Materie zu gewinnen.

Die Lehrveranstaltungen Das Fachpraktikum "Simulation von Materialflußsystemen" vermittelt den Studierenden erste eigene Erfahrungen in der Simulationstechnik als modernes Werkzeug für die Fabrik- und Anlagenplanung und den Anlagenbetrieb. Es werden konkrete Anwendungsbeispiele selbständig erarbeitet.

Dazu wurde ein Kurztutorial erstellt, das eine Reihe von Aufgaben mit verschiedenem Schwierigkeitsgrad enthält. Die Studierenden werden zu Beginn des Praktikums mit den Hintergründen zur Simulation von Produktions-, Materialfluß- und Logistiksystemen vertraut gemacht und beginnen anschliessend selbständig im Simulationslabor an Windows NT- PC mit der Bearbeitung der Übungsbeispiele. Als Simulator für das Praktikum wird am Institut DOSIMIS-3 für Windows eingesetzt, da er nach umfangreichen Tests verschiedener Simulatoren für die geforderte kurze Einarbeitungs- und Lernphase am geeignetsten erschien. Motivation des Praktikums ist es, den Teilnehmern ein Gefühl für die Wirkweise von einfachen Materialflußsystemen zu vermitteln. Die Simulationstechnik bietet hierbei die Chance durch einfache Modellierung zu experimentierfähigen Modellen zu gelangen und in einer Reihe von Variationen die Auswirkungen von Parameteränderungen zu erkennen. Das Praktikum findet seit ca. fünf Jahren jedes Semester statt. Die Teilnehmerzahl hat sich auf einem vergleichsweise hohen Niveau eingependelt. Das Fachpraktikum "Fabrik- und Anlagenplanung" dient der Vertiefung der Lehrinhalte der gleichnamigen Vorlesung und findet in Zusammenarbeit mit mittelständischen Unternehmen der Region statt. Ziel dieses Praktikums ist die Grobplanung einer kompletten Fabrikanlage innerhalb eines Planungsteams. Der Ablauf des Fachpraktikums sieht wie folgt aus: Die Studierenden besuchen ein Partnerunternehmen und werden dort von Mitarbeitern oder der Geschäftsführung durch die Produktionsanlagen geführt. Die Produktionsabläufe werden grob aufgenommen und die Anordnung der Betriebsbereiche erfasst. Im Anschluß daran werden im Institut Ablaufschemata der Produktion wie prozeßlogische Kette und Qualitäts- und Mengengerüst erstellt. Daraus wird eine ideale Anordnung der Produktionsmittel abgeleitet. Unter den gegebenen Prämissen und Randbedingungen, die in Absprache mit dem Partnerunternehmen vom Institut benannt werden, entwickeln die Studierenden dann ein mögliches Reallayout für das zu projektierende Unternehmen. Dieses Layout stellt eine denkbare Lösung für die vorgegebene Aufgabenstellung dar und wird mit Informationen von Anlagenherstellern sehr praxisnah gestaltet. Abschliessend wurde dieses Reallayout mit einem Bausteinsystem (Modulex) in ein plastisches -förmlich begreifbares- Modell umgesetzt. Die Modellierung des Layouts in einem physischen Modell hat in vielen Fällen zu einem erheblichen Erkenntnisgewinn geführt, da die Vorstellung der Produktionsbereiche anhand von zweidimensionalen Layouts deutliche Probleme bereitet. Eine rechnergestützte Darstellung mit Hilfe eines 3D-CAD-Programms kam aus Gründen der Einarbeitung und des damit verbundenen immensen zeitlichen Aufwandes nicht in Frage. Der Umgang mit dem Baukastensystem ist dagegen absolut intuitiv und natürlich ohne jede Einarbeitung möglich.

Bild 1: Physisches Modell eines Fabrikanlage

Die Ergebnisse der Planungen werden den Partnerfirmen präsentiert und werden bei den beteiligten Partnerunternehmen meist sehr positiv aufgenommen, da in der Vergangenheit oftmals - wie bei vielen mittelständischen Unternehmen - keine wirklich absichtsvolle Fabrikplanung vorgenommen wurde, sondern meistens kurzfristig auf von außen anstehende Zwänge reagiert werden musste. Durch das Praktikum hat sich mit einigen Firmen eine weitergehende Zusammenarbeit ergeben. Die Partnerunternehmen wurden aus den verschiedensten Branchen gewählt (z.B.. Glashütte, Tapetenproduktion, Kunststoffspritzgießerei, Zementwerk, Kabelproduktion, Ziegelei, Gummifabrik u.a.)

Das VR-Labor am IMAB Im Rahmen einer Förderung nach dem HBFG wird zur Zeit am IMAB ein VR-Labor installiert, das den fortgeschrittenen Entwicklungen Rechnung trägt. Das Labor soll zunächst probehalber für das oben beschriebene Fachpraktikum "Fabrik- und Anlagenplanung" eingesetzt werden. Im einzelnen besteht das Labor aus einer Reihe von hochmodernen VR- und Visualisierungswerkzeugen, die nachstehend kurz beschrieben werden sollen. Ziel der neuen Hard- und Softwarekomponenten ist es, die bislang nur mit dem physischen

Modell erreichte plastische Begreifbarkeit mit Hilfe der Virtuellen Realität durch digitale Modelle zu ersetzen. Dazu soll insbesondere auf verschiedene stereoskopische Sichtgeräte zurückgegriffen werden. Jedes Gerät für sich bietet einen gewissen Grad an Immersion, die Variation der Geräte soll die Frage danach beantworten, wann wieviel Immersion notwendig ist und welche Geräte dafür geeignet sind. Stereomonitor Die preisgünstigste und einfachste Methode, einem Betrachter stereoskopische Darstellungen zu visualisieren bietet der Stereo-Monitor. Dabei kann jeder normale Monitor von einer Workstation oder einem Personal-Computer genutzt werden. Das Wirkprinzip hierbei wieder die Aktiv-Stereoprojektion, die in Verbindung mit einer Shutter-Brille erreicht wird. Der Nutzer trägt hierbei die Shutter-Brille, deren Synchronisation mit dem Monitor über einen Emitter übertragen wird. Am IMAB sind eine größere Anzahl Shutterbrillen verfügbar, die sowohl für die Stereomonitore als auch für die Großprojektion verwendet werden sollen. Als Nachteile des Stereomonitors muß der Anwender die unvollständige Immersion in Kauf nehmen, die durch den stark eingeschränkten Blickwinkel entsteht. Head Mounted Display Das Head Mounted Display besteht praktisch aus zwei Miniaturmonitoren, die für jedes Auge ein einzelnes Bild erzeugen, und die an einer Helm-förmigen Haltevorrichtung befestigt sind, die der Anwender auf den Kopf setzt. Die Monitore (Displays) sind dabei so angeordnet, das das Auge des Betrachters problemlos auf das Bild fokussieren kann, und das mit einem meist ausreichenden Blickwinkel das Gesichtsfeld fast vollständig überstrichen wird. Übliche Blickwinkel sind hierbei ca. 120° in horizontaler und 90° in vertikaler Richtung. Durch eine lichtundurchlässige Kapselung wird Fremdlicht ferngehalten und der Blick auf reale Gegenstände verwehrt. Um die Blickrichtung des Nutzer zu erfassen werden HMD mit geeigneten Trackingsystemen gekoppelt. Das am IMAB verwendete Gerät stellt eine Auflösung von 1024x768 Pixel je Auge zur Verfügung. Die Abkapselung von Fremdlicht kann stufenlos eingestellt werden, so daß eine Interaktion mit realen Gegenständen - falls erforderlich - möglich bleibt. Nach den bisherigen Erfahrungen muß festgestellt werden, daß ein dauerhaftes Arbeiten mit dem Head Mounted Display ausgeschlossen ist, da durch Form und Gewicht des HMD der Nutzer in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt ist. Der Immersionseffekt ist dafür jedoch von allen Ausgabemedien am perfektesten. Großprojektion Eine der weitestverbreitetsten Visualieierungstechniken für virtual reality ist die Projektion der Visualisierungsdaten auf große Projektionsflächen. Klassisches Beispiel hierfür ist die von Carolina Cruz-Neira am Electronic Visualization Lab der Universität © von Illinois in Chicago entwickelte und 1993 vorgestellte CAVE . Die Bezeichnung stand ursprünglich als Abkürzung für Computer Animated Virtual Environment und wurde dann von der Firma Pyramid Systems als Markenzeichen geschützt (CAVE Automatic Virtual Environment). Im folgenden wurde zunächst von CAVE-like Systemen gesprochen, der allgemeinere Terminus dafür lautet allerdings Surround Screen Virtual Environments (SSVE).

Inzwischen gibt es weltweit eine Reihe erfahrener Anbieter, die sich mit dem Entwurf, Aufbau und der Inbetriebnahme von SSVEs befassen. Die Einrichtungen reichen von © einfachen ebenen Großbildprojektionen (Bsp. Powerwall ) über gekrümmte Projektionsflächen mit einem Bildwinkel von bis zu 180° und zwei- oder dreiseitige Systeme (C2 / C3) bis hin zu vollständig abgeschlossenen Projektionsräumen mit sechs Flächen (C6). Von diesen Sechsseiten-SSVEs gibt es zur Zeit allerdings weltweit nur zwei Systeme, eines in Dänemark und das andere in Schweden. Ein drittes System befindet sich derzeit an der Iowa State University im Aufbau. Relativ neu sind modifizierbare Systeme, bei denen der Anwender durch Umbau der Projektionsflächen zwischen der ebenen und der räumlichen Form wählen kann. Ein solches System als Eigenkonstruktion wird auch am Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit der TU Clausthal eingerichtet. Bild 2: Im Aufbau befindliche Großprojektion am IMAB

RGB-Projektor

RGB-Projektor

RGB-Projektor

Die Problematik der SSVEs besteht in den immensen Beschaffungskosten, die bei der Beauftragung namhafter Anbieter anfallen. Um die Kosten zu senken wird bei der am IMAB im Aufbau befindlichen Konstruktion auf eine Reihe von Standardkomponenten zurückgegriffen, auf eine Komplettvergabe jedoch verzichtet. Die Projektionseinrichtung läßt sich variabel zwischen einer ebenen Fläche mit einer Größe von ca. 10 x 2,5m und einer Dreiseitenprojektion mit einer Fläche von 3,3 x 2,5 m je Seite aufbauen. Der Umbau soll innerhalb sehr kurzer Zeit möglich sein und keinen größeren Justierungsaufwand zur Folge haben. Die Ansteuerung der Großprojektion soll über vernetzte PC erfolgen. Die Datenhaltung findet auf einem Gruppenserver statt, die Projektoren werden über je einen eigenen Rechner versorgt, der ausschliesslich die Ansicht in der Projektionsrichtung berechnet.

©

Build-It - Planungstisch Der Build-It Planungstisch ist eine Entwicklung der ETH Zürich und stellt ein intuitiv bedienbares Fabrikplanungssystem dar, das eine partizipative, gemeinschaftliche Fabrikplanung fördert. Die Beteiligten sitzen gemeinsam an einem Konferenztisch, auf dessen Oberfläche ein Grundriß der aufzubauenden oder einzurichtenden Fabrik projiziert wird. Zusätzlich wird eine benutzerdefinierte Ansicht auf eine Leinwand an der Stirnseite des Tisches projiziert. Die Planer erhalten so gleichzeitig eine räumliche Ansicht dessen, was sie flächig planen. Die Interaktion mit dem digitalen Modell erfolgt mit Hilfe sogenannter "bricks", kleiner würfelförmiger Bausteine, mit denen ähnlich einem Grafiktablett, verschiedene Planungsobjekte platziert werden können. Durch eine spezielle Bilderkennungssoftware wird das Layout auf dem Tisch abgetastet und die Position und Orientierung der bricks erfasst. ©

Bild 3: Der Build-It Planungstisch

Das Build-It-Planungssystem stellt primär keine stereoskopischen Grafikdaten zur Verfügung. Die erstellten 3D-Modelle lassen sich jedoch über den Umweg über ein 3DCAD-System in eine geeignete VR-Software einlesen, so daß die gemeinsam im Team aufgebauten Fabrikmodelle auch in der Großprojektion betrachtet werden können.

Das neue Praktikum mit VR-Technologie Beim modernisierten Fachpraktikum mit Rechnerunterstützung soll verstärkt die interaktive Visualisierung anstelle des physischen Modells stehen. Bereits in einem frühen Stadium sollen die Studierenden Elemente der Produktionsanlagen am Rechner gestalten und miteinander verknüpfen. Gegen Ende des Praktikums soll dann ein dreidimensionales Modell am Rechner entstanden sein, das einen plastischen Eindruck der Planungen vermittelt. Sicherlich ist mit der Erstellung dreidimensionaler Anlagenmodelle ein z.T. beträchtlicher Aufwand verbunden. Dieser wird jedoch durch die Wahl einer geeigneten Software relativiert. Zur Zeit befinden sich eine Reihe verschiedener Softwarepakete namhafter Anbieter in der Erprobungsphase, die auf ihre Anwenderfreundlichkeit sowie ihren Funktionsumfang hin untersucht werden. Für die Modellierung bieten alle Programmpakete eine Reihe unterschiedlicher Optionen. Zum einen ermöglichen sie die Erstellung oder den Import von 3D-Primitiven, so daß die Modelle zunächst etwas gröber strukturiert sein werden, dafür jedoch ohne großen Aufwand erstellt werden können. Zum anderen können vorhandene 3D-CAD-Daten über geeignete Schnittstellen (z.B. VRML) aus CAD-Systemen übernommen werden. Außerdem können einfache räumliche geometrische Formen mit bildhaften Texturen versehen werden, so daß mit einfachsten Mitteln ein ausreichender optischer Eindruck erzeugt werden kann. Im Laufe der Zeit wird ein ständig wachsender Vorrat an detaillierten Modellbausteinen entstanden sein, der zumindest teilweise bei nachfolgenden Praktika weiterverwendet werden kann. Einige Software-Pakete bieten außer der dreidimensionalen Visualisierung umfangreiche Funktionalitäten zur Ablaufsimulation von Materialfluß-, Produktions- und Logistiksystemen. Aufgesetzt auf ein Basismodul werden Zusatzmodule für kinematische Untersuchungen, NC-Simulationen, Robotersimulationen sowie Ergonomiebetrachtungen zur Verfügung gestellt, mit Hilfe derer verschiedenste reale Systeme modelliert werden können. Die im Fachpraktikum "Fabrik- und Anlagenplanung" erstellten Modelle sollen teilweise anschliessend im Fachpraktikum "Simulation von Materialflußsystemen" weiterbenutzt werden. Hier können dann Optimierungen der Materialflüsse vorgenommen werden. Dazu werden die Elemente der 3D-Visualisierung mit Parametern versehen und bewegte Objekte wie z.B. Werkstücke, Stapler, Transportmittel und -hilfsmittel werden in das System eingefügt. Um den Materialfluß besser nachvollziehen zu können, besteht die Möglichkeit, sich auf einem bewegten Objekt durch das Produktionssystem zu bewegen. Die Erstellung der Modelle soll verteilt an mehreren Rechner erfolgen. Durch Integration der Teilmodelle werden Gesamtmodelle entstehen, die dann mit den verschiedenen Visualisierungshilfsmitteln betrachtet werden können. Für die Abschlußpräsentation soll schließlich ein 3D-Stereo-Modell erzeugt werden, das dem Praktikumsteam und den Firmenvertretern mit der Großprojektion vorgestellt werden soll.

Derzeitiger Stand und Ausblick Im Rahmen des Vortrages bei der Tagung sollen erste mit dem VR-Labor erzielte Ergebnisse präsentiert werden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt lässt sich feststellen, daß

die Arbeit mit den neuen Medien von den Studierenden sehr gut angenommen wird und daß die Einarbeitung in die VR-Software mit deutlich weniger Aufwand verbunden ist als eine Erstellung der Modelle mit einem 3D-CAD-System. Die nächsten Schritte bezüglich des VR-Labors gehen in Richtung einer Beurteilung des Aufwandes und des Nutzens einer Darstellung mit Hilfe von VR. Der Erkenntnisgewinn soll qualitativ bewertet werden und die Anwendbarkeit verschiedener Modellierungskonzepte soll für eine Nutzung in kleinen und mittelständischen Unternehmen überprüft werden.