Verfahren zur Simulation und Analyse der Auswirkungen toleranzbedingter Bauteilabweichungen

Methods for the simulation and analysis of the effects of tolerance-caused part defects

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-24047
  • Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie sich die Auswirkungen toleranzbedingter Abweichungen anhand von detaillierten Geometriemodellen durchgängig simulieren und auswerten lassen. Die Analyse einer tolerierten Baugruppe beginnt mit dem Erzeugen von virtuellen nichtidealen Einzelteilen innerhalb der Toleranzgrenzen. Je nachdem, welche Informationen über verwendete Einzelteile im Entwicklungsprozess vorliegen, können zufällige Bauteilvarianten innerhalb der Toleranzgrenzen oder Bauteilvarianten aus einer stochastischen Simulation der Fertigung als Eingangsdaten genutzt werden. Aufgrund der Einzelteilabweichungen wird eine Neupositionierung der einzelnen Bauteile zueinanderIm Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie sich die Auswirkungen toleranzbedingter Abweichungen anhand von detaillierten Geometriemodellen durchgängig simulieren und auswerten lassen. Die Analyse einer tolerierten Baugruppe beginnt mit dem Erzeugen von virtuellen nichtidealen Einzelteilen innerhalb der Toleranzgrenzen. Je nachdem, welche Informationen über verwendete Einzelteile im Entwicklungsprozess vorliegen, können zufällige Bauteilvarianten innerhalb der Toleranzgrenzen oder Bauteilvarianten aus einer stochastischen Simulation der Fertigung als Eingangsdaten genutzt werden. Aufgrund der Einzelteilabweichungen wird eine Neupositionierung der einzelnen Bauteile zueinander notwendig, um die Einzelteile zu nichtidealen Baugruppen zusammenzusetzen. Dabei sind einige Plausibilitätskriterien einzuhalten: Die Bauteilvarianten dürfen sich beispielsweise nicht durchdringen und müssen nach dem Positionierungsschema der Montage zueinander ausgerichtet sein. Diese als „Relative Positionierung“ bezeichnete Aufgabe wurde durch die Entwicklung eines Frameworks zur heuristischen Optimierung gelöst. Es wurde gezeigt, dass auf diese Weise die Positionierung flexibel an unterschiedliche Zielsetzungen angepasst werden kann. Somit sind mit diesem entwickelten Verfahren die Produktentwickler erstmals in der Lage, das reale Positionierungsschema der Bauteile einfach im Simulationsmodell abzubilden. Der Modellierungsaufwand konnte im Vergleich zu verbreiteten Toleranzanalysesystemen deutlich verringert werden. Zusätzlich sind durch die detaillierte Geometrieabbildung umfangreichere und aussagekräftigere Auswertungen möglich.Zur Untersuchung des Montagepfads auf Kollisionsfreiheit wurden Algorithmen der Pfadplanung angepasst und erweitert. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren sind nun in der Lage, eine große Anzahl von Bauteilvarianten in kurzer Zeit auf ihre Montierbarkeit hin zu untersuchen. Somit lässt sich die automatische Pfadplanung auch für statistische Analysen einsetzen. Dies war ohne die durchgeführten Modifikationen aufgrund des Rechenaufwands in der Praxis bisher nicht durchführbar. Zur Analyse der sich ergebenden nichtidealen Baugruppen wurden mehrere Methoden konzipiert und umgesetzt. Anhand der implementierten Kopplung von Echtzeit-Physiksimulation und haptischem Interaktionsgerät kann der Nutzer die virtuelle Geometrie mit hoher Auflösung abtasten. Geometrieabweichungen, die visuell nicht erkennbar sind, können mit dem entwickelten System wahrgenommen werden. Zur graphischen Datenanalyse wurden zwei Verfahren vorgestellt: Automatische Abstandsmessungen visualisieren Abstände zwischen nichtidealen Bauteilen. Die Abstandsmessungen können zur Analyse einzelner simulierter Baugruppen verwendet werden. Die neu entwickelte Summierte Voxelisierung ermöglicht somit, die statistischen Ergebnisse von Toleranzuntersuchungen unter Beibehaltung der Geometrie in nur einem einzigen Datensatz zusammenzufassen. Durch Volumenvisualisierung ist es im Anschluss möglich, die fertigungsbedingten räumlichen Schwankungen für die Produktentwickler verständlich darzustellen. Die über Summierte Voxelisierung ermittelbaren Ergebnisse wie Kollisions- und Aufenthaltswahrscheinlichkeiten im Raum ließen sich bisher mit keinem am Markt verfügbaren Toleranzanalysesystem bestimmen und stellen somit einen deutlichen Fortschritt in der Toleranzanalyse dar. Die entwickelten Verfahren zeigen ihren Nutzen darin, frühzeitig die geometrischen Auswirkungen von Bauteilabweichungen vorherzusagen. So lassen sich mögliche Probleme (z. B. Kollisionen bei der Montage oder ästhetisch bzw. funktional nicht zulässige Spaltmaße) erkennen, bevor der erste physikalische Prototyp gefertigt wird. Durch nichtideale virtuelle Prototypen können somit Toleranzänderungen und konstruktive Anpassungen vorgezogen werden, d.h. die Gesamtkosten werden reduziert und die Qualität des verkauften Produkts wird gesteigert. Die vorgeschlagene Vorgehensweise zur Vorhersage von Toleranzeffekten unterscheidet sich deutlich von den etablierten, stark vereinfachenden Simulationsverfahren. Da es möglich ist auf detaillierter Geometrie rechenintensive Operationen durchzuführen, ist der Rechenaufwand ungleich höher. Gerechtfertigt ist dieser Aufwand dadurch, dass damit realistischere nichtideale Baugruppen erzeugt, analysiert und visualisiert werden. Diese besitzen einen höheren Informationsgehalt als die bisherigen statistischen Simulationsergebnisse. Geometrische Probleme werden aufgedeckt, die ansonsten ggf. nicht auffallen würden. Weiterhin vereinfacht sich für den Produktentwickler der Modellierungsaufwand der Toleranzanalyse, da die Bauteile ohne Abstraktion miteinander kombiniert werden und vorab keine Definition von Messstellen notwendig ist.show moreshow less
  • Manufactured parts always have geometric deviations compared to the designed ideal shape. Tolerances define, in which range these errors are acceptable. Because the tolerance definition causes complex spatial effects, simulation programs are used to support the analysis. The part geometry and the assembly process are strongly abstracted in common commercial systems. Therefore, many real problems can not be modelled or detected. This thesis shows how the effects of tolerance-related deviations can be simulated and analysed based on detailed geometric modelling. Non-ideal part variants are generated as triangle meshes (i.e. through FE-simulation). Because of the geometric deviations ofManufactured parts always have geometric deviations compared to the designed ideal shape. Tolerances define, in which range these errors are acceptable. Because the tolerance definition causes complex spatial effects, simulation programs are used to support the analysis. The part geometry and the assembly process are strongly abstracted in common commercial systems. Therefore, many real problems can not be modelled or detected. This thesis shows how the effects of tolerance-related deviations can be simulated and analysed based on detailed geometric modelling. Non-ideal part variants are generated as triangle meshes (i.e. through FE-simulation). Because of the geometric deviations of individual parts, a repositioning is necessary to build up a non-ideal assembly. For this positioning (also called relative positioning) a framework has been developed, which is based on heuristic optimization. The approach allows for the compliance to plausibility criteria (i.e. collision avoidance between parts) and the consideration of the positioning scheme. Furthermore, new automatic path planning algorithms have been developed to check the assembly process of non-ideal part variants in a short computation time. For the analysis of resulting non-ideal assemblies, haptic methods and automatic distance measurements have been developed. These methods can be used to examine single non-ideal assemblies. To visualize the condensed result of statistical tolerance simulations, a method of summed voxelization has been developed. Based on a volume dataset, the geometry of all generated non-ideal assemblies is combined in a single scene. The methods presented in this thesis can be used for the early prediction of the geometric effects of part defects. With a comparably low modelling effort, potential problems can be predicted before a physical prototype is manufactured. This way, nonideal virtual prototypes potentially help to bring forward tolerance changes and design modifications to save overall costs and improve the quality of the sold product.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stefan Wittmann
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-24047
Advisor:Harald Meerkamm
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2011
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/02/01
Release Date:2011/03/08
Tag:Haptik; Heuristische Optimierung; Montagesimulation; Relative Positionierung; Volumenvisualisierung
Assembly Simulation; Relative Positioning; Tolerance Simulation
SWD-Keyword:Computersimulation; Visualisierung; Toleranz <Technik>; Monte-Carlo-Simulation; Bahnplanung
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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