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SimKra

SimKra - Parametrisierte Simulation von Fügekräften zur digitalen Absicherung von Montageprozessen

Laufzeit: 10/2020-09/2022                         

                          

Fördermittelgeber: Sächsische Aufbaubank

 

 

Projektpartner: imk automotive GmbH, TU Chemnitz

 

Die Montage von Automobilen sowie von Elektro- bzw. Haushaltsgeräten wird in vielen Teilschritten manuell von Werkern durchgeführt. Dabei kommen neben Schraubverbindungen verstärkt Clipsverbindungen zum Einsatz, die sich vor allem durch einen schnellen Verbau der leichten Fügeelemente auszeichnen. Nachteilig an dieser Fügetechnologie ist jedoch die hohe Frequenz mit der die Elemente verbaut werden und das kaum eine maschinelle Unterstützung zur Verfügung steht. Somit ergeben sich hohe Belastungen auf das Hand-Arm-System, die bei nicht-ergonomischer Ausführung oder durch eine ungünstige Gestaltung der Fügeelemente die Entstehung von Muskel-Skelett-Erkrankungen und verschiedener Berufskrankheiten fördern können. Es treten bspw. Sehnenscheiden-Entzündungen oder Durchblutungsstörungen auf. Die Fügeprozesse sind demnach ergonomisch und wirtschaftlich zu gestalten, um keine Qualitätseinbußen, Arbeitszeitausfälle oder hohe Bearbeitungszeiten zu erhalten.
Für eine bestmögliche Gestaltung der Arbeitsprozesse sind Softwaretools (wie der Editor menschlicher Arbeit (ema)), ein wirksames Mittel, um schon frühzeitig in der Planungsphase manuelle Arbeitsplätze zu konzipieren. Die menschlichen Bewegungen bei den Arbeitsprozessen werden darin simuliert und nach ergonomischen sowie wirtschaftlichen Kriterien bewertet. Die dabei auftretenden Interaktionskräfte müssen jedoch gemessen und entsprechend in den Softwaretools manuell eingefügt werden.
Das Messen der Interaktionskräfte ist jedoch ein sehr aufwendiger und zeitintensiver Vorgang. Darüber hinaus variieren die Ergebnisse der handelsüblichen Messgeräte und sind stark vom Schulungsgrad des Anwenders abhängig. Eine weitere Möglichkeit ist die Berechnung der benötigten Fügekraft nach der Finite-Elemente-Methode (FEM). Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig in der Modellierung und erfordert ein hohes Know-how sowie eine hohe Rechenleistung. Des Weiteren muss auch dieses Modell an einer aufwendigen Messreihe für jeden speziellen Clip validiert werden, um belastbare Aussagen treffen zu können. Auf Grund des hohen skizzierten Aufwandes ist es kaum möglich, die beiden Verfahren sowohl die Messung als auch Berechnung der Interaktionskräfte mittels FEM flächendeckend an allen Arbeitsplätzen in der Montage einzusetzen. Dies gilt vor allem für kleine und mittelständische Unternehmen.
Genau mit dieser Problemstellung befasst sich das Projekt „SimKra“. Es wird eine Methodik entwickelt, welche die wirkenden Fügekräfte in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren ermittelt und die Auswirkungen auf das Hand-Arm-System darstellt. Das betrifft sowohl Kriterien zur Belastung der Fingergelenke als auch zur zeitlichen Prozessanalyse.
Die Basis der methodischen Entwicklung bilden umfangreiche Messreihen, die auf einem neu entwickelten adaptiven und modularen Kraftmessstand durchgeführt werden. Aktuelle Kraftmessgeräte messen meist nur eindimensional die notwendigen Fügekräfte und bilden nicht die Paarung des Finger-Hand-Systems mit dem Clip ab. Für die Auswertung hier im Projekt ist es jedoch erforderlich, die Kräfte als Vektor im 3D-Raum zu erfassen und die Paarung so genau wie möglich nachzubilden. Darum wird der Kraftmessstand mit Sensoren auf Nanokompositbasis und einem mehrdimensionalen Kraftsensor ausgestattet. Des Weiteren ist der Kraftmessstand so zu konzipieren, dass sowohl ideale als auch nicht ideale Fügeprozesse von einem Leichtbauroboter und Probanden durchgeführt werden können.
Der Roboter führt ideale und nicht ideale Fügeprozesse mit einer hohen Anzahl aus, um die Abweichungen auf Grund definierter Einflussgrößen zu bestimmen. Diese Einflussgrößen sind bspw. abhängig vom Bauteil und von Materialien der Fügepartner. Eine weitere Einflussgröße ist der Mensch, der im Arbeitsprozess die Fügeelemente verbaut. Aus diesem Grund werden neben den maschinellen Versuchen ebenso Untersuchungen mit Probanden vorgenommen. Die statistische Analyse aller Messdaten führt zur Erstellung eines numerischen Modells zur Vorhersage von Fügekräften.
Die Einflussgrößen, die auf Grund der Konstruktion des Bauteils und des verwendeten Materials entstehen, werden durch die Implementierung einer 3D-Objekterkennung und Interpretation von Bauteileigenschaften in automatisierter Form ermittelt. Das sind bspw. Materialeigenschaften, Paarungstoleranzen oder Geometrieeigenschaften.
Die Einflussgrößen, welche auf Grund der menschlichen Bewegungstechnik entstehen, werden mit einem Motions-Capture-System erfasst. Diese Einflussgrößen beinhalten bspw. den Anstellwinkel eines Clips oder Fügegeschwindigkeiten bei variierenden Clipsen. Darüber hinaus wird die Ganzkörper- wie auch die Bewegung des Finger-Hand-Systems aufgezeichnet und auf das Mehrkörpermodell Dynamicus übertragen. Dieses Mehrkörpermodell wird in diesem Projekt um die Modellkomponente der beweglichen Fünf-Finger-Hand erweitert. Die synchrone Erfassung von Bewegungen und Interaktionskräften ermöglicht im Anschluss die Berechnung der wirkenden Belastung auf die einzelnen Gelenke des Modells.
Mit Abschluss des Projektes steht im ema ein Demonstrator-Add-on zur Verfügung, welches automatisiert die Objekteigenschaften der Fügepartner auswertet, die Fügeposition in Bezug auf den Menschen berechnet und an Hand des numerischen Modells die Fügekräfte prognostiziert. Diese dienen im Anschluss als Entscheidungshilfen für Planer, Konstrukteure und Unternehmen zur Auslegung der Arbeitsplätze nach ergonomischen und zeitwirtschaftlichen Kriterien. Des Weiteren steht der Demonstrator des adaptiven und modularen Kraftmessstandes, die Modellkomponente einer beweglichen Fünf-Finger-Hand für das Mehrkörpersystem alaska/Dynamicus sowie eine Methodik zur Beurteilung von Belastungen des Hand-Finger-Systems für weitere Forschungsfragen zur Verfügung.
Zudem wird eine Handlungsempfehlung für KMU erstellt, die eine breite und an die jeweiligen Bedürfnisse angepasste Anwendbarkeit der entwickelten Methodik und deren Ergebnisse bei der Erhebung, Messung und Simulation von Fügekraftdaten in der Industrie ermöglicht.