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Mittwoch, den 04.11.2020
Rapid Prototyping: Baumaschinen im Software-Test

Baumaschinen gehören zum Straßenbild einer jeden Stadt. Sie heben Erde für U-Bahn-Schächte aus, planieren Straßen und hieven tonnenschwere Lasten in schwindelerregende Höhen. Um diese Aufgaben zu bewältigen, müssen sie nicht nur robust und leistungsstark sein, sondern auch extrem zuverlässig, präzise und sicher. Ein Turmdrehkran ist in der Lage, mitten in der dicht besiedelten Stadt einen tonnenschweren Werkzeugcontainer hunderte Meter hoch zu hieven, um diesen zentimetergenau auf der Plattform eines Hochhauses abzulegen. Dementsprechend aufwendig und teuer ist die Entwicklung solcher Maschinen und das Testen der Prototypen.

Unterstützung bietet das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern mit einem Teststand der besonderen Art. Er basiert auf einem HiL-Simulator (Hardware-in-the-Loop). Damit lassen sich im Prinzip jede beliebige Maschine und deren Steuerung gekoppelt mit einer Software-Simulation virtuell testen. In der Autoindustrie ist HiL bei der Entwicklung neuer Modelle bereits Standard. Bei Nutzfahrzeugen aber noch nicht. Die Fraunhofer-Forschenden hatten allerdings schon vor Jahren erkannt, dass die Nutzfahrzeugbranche durch immer kürzere Innovationszyklen, die zunehmend modulare Bauweise und die Digitalisierung der Steuerungstechnik einen ganz ähnlichen Bedarf hat und das Testkonzept entsprechend übertragen. »Mit unserem HiL-Simulator sind wir in der Lage, Baumaschinen aller Art zu testen, beispielsweise unterschiedliche Kran-Typen oder auch Betonpumpen. So helfen wir bei der Optimierung der Prototypen«, erklärt Projektleiter Dr. Christian Salzig. Eine reale Testumgebung ist nicht mehr nötig.

Digitaler Zwilling der Baumaschine im Simulator
Im ersten Schritt wird die zu testende Maschine als Software-Modell nachgebaut, in die alle technischen Spezifikationen einfließen. Dazu gehören die Abmessungen, die Leistungsdaten der Motoren, die Stärke der Stützstrukturen, die Gewichtsverteilung, die Winkel beim Bewegen der Ausleger, deren Länge und vieles mehr. Gleichzeitig sind die physikalischen Gesetze der Mechanik, Hydraulik und Elektronik wie Kräfte, Drücke oder Steuersignale als mathematische Gleichungen in die Software implementiert. Auf diese Weise entsteht ein Digitaler Zwilling.

Im nächsten Schritt wird der Simulator mit dem digitalen Zwilling an die elektronischen Steuereinheiten angeschlossen, die die Baumaschine im Betrieb kontrollieren und steuern. Eine Fachkraft bedient die zahlreichen Regler und Joysticks, die wiederum mit den Steuereinheiten verbunden sind. Auf einem Display stellt eine animierte 3D-Grafik alle Bewegungen der Maschine dar.

Der HiL-Simulator-Test zeigt zunächst, wie präzise Steuereinheit und Maschine zusammenwirken, und wie feinfühlig Bedienelemente wie Joysticks agieren. Moderne Baumaschinen sind mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet. Sie registrieren Werte wie Drehmoment und Beschleunigung der Ausleger, Druck, Gewicht, das an Seilzügen zieht, oder die Neigung des Bodens unter der Maschine. Auch hier zeigt die Simulation, ob die Kommunikation zwischen Maschine und Steuereinheit auf Basis der Sensordaten präzise und verzögerungsfrei funktioniert. Technische Störungen lassen sich ebenfalls simulieren – etwa, was passiert, wenn an einer Gelenkstelle ein Kabel bricht oder die Hydraulik des Hebeelements Druck verliert.

Sicherheit und Grenzsituationen
Entscheidend beim Betrieb von Nutzfahrzeugen und Baumaschinen ist die Sicherheit. »Die Hersteller wollen wissen, was ihre Maschine in Grenzbereichen leistet und ab wann es kritisch wird«, sagt Christian Salzig. Der Simulator testet beispielsweise, was passiert, wenn eine Last anfängt zu pendeln oder Flüssigkeiten in einem Transportbehälter hin und her schwappen. Auch ein instabiler oder geneigter Untergrund, auf dem die Baumaschine steht, gehört zum Test-Parcours. Teleskopbühnen müssen beispielsweise in beengten Verhältnissen ihre Abstützungen platzieren. Mit den Hardware-in-the-Loop-Tests sehen die Produktentwickler, ab welchem Neigungswinkel der Digitale Zwilling instabil wird oder sogar umkippt. In einer realen Umgebung mit echten Maschinen wären solche Tests teuer und riskant. Der HiL-Simulator erledigt dies völlig gefahrlos für den Menschen und es werden auch keine teuren Prototypen beschädigt oder gar zerstört.

Weitere Informationen:
www.fraunhofer.de

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Letzte Aktualisierung am 29.11.2020
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