Toleranzanalyse mit VisVSA
Die Software VisVSA
simuliert im frühen Stadium
der Produktentwicklung den Einfluss von Toleranzen auf funktionale
und kundenrelevante Qualitätsmerkmale (wie z.B. Spalt- und Fugenmaße
im Karosserierohbau, Dichtheit von Türen, Getriebefunktionalitäten,
…).
Die Simulation berücksichtigt sowohl Fertigungs-, als auch Prozesstoleranzen.
Dadurch werden neben fertigungsbedingten Unschärfeeinflüssen wie Form-
und Lagetoleranzen aus Materialbearbeitung (Tiefziehen, Biegen, Fräsen,
...) auch prozessbedingte Streuungen aufgrund von Fügefolge, Ausrichtung
von Komponenten und Baugruppen, Montagespiel und Anordnung von Vorrichtungen
abgebildet.
VisVSA
wird allerdings nicht nur zur reinen Toleranzanalyse verwendet. Die
Funktionalitäten des Programms lassen eine Vielzahl von zusätzlichen
Möglichkeiten zu, wie z.B. die Rückführung realer Messdaten aus der
Serienproduktion in das Simulationsmodell oder die Integration von
Ergebnissen aus 'Finite Elemente' Berechnungen.
Abb.
1: Möglichkeiten der Toleranzanalyse
mit VisVSA
Anwendungsbereiche von VisVSA
Der Anwendungsbereich
von VisVSA
ist vielfältig. Neben der Automobil- und Zulieferer-Industrie
findet die Software in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Konsumgüterindustrie,
Maschinenbau und Medizintechnik Verwendung.
Die Software bietet neben
den Standard-Montagefunktionalitäten die Möglichkeit, komplexe kinematische
Zusammenhänge mit rotierenden Bauteilen und tangentialen Kontakten
(z.B. Bolzen auf Ebene) abzubilden und zum Verständnis für Präsentationen
zu animieren. In Kombination mit VisMockUp Funktionalitäten lassen
sich an statischen und kinematischen Modellen toleranzbehaftete Kollisionsuntersuchungen
durchführen.
Dem fortgeschrittenen
Anwender steht darüber hinaus eine C++ Schnittstelle zur Verfügung,
um kundenspezifische Applikationen zu programmieren.
Mit dem Software Release
5.0 ist es nun auch möglich die Ergebnisse von FEM-Simulationen mit
der Toleranz Analyse zu verknüpfen. So können nun auch Baugruppen
bei verschiedenen Betriebszuständen (inkl. äußerer Krafteinflüsse
und / oder thermischer Belastungen) oder flexible Bauteile betrachtet
werden. Weitere Informationen hierzu finden Sie nachfolgend unter:
Toleranzanalyse mit deformierbaren Bauteilen
auf der letzten Seite.
Simulationsumgebung
VisVSA
ist ein Add-On der Digital Mock Up Software VisMockUp
. VisMockUp
ist
Bestandteil des TEAMCENTER VISUALIZATION® Portfolios von UGS PLM SOLUTIONS und dient zur
Visualisierung umfangreicher CAD-Datensätze und Durchführung von Digital
Mock Up Untersuchungen (z.B. nominale Kollisions- und Einbauanalysen).
Weitere Möglichkeiten bietet VisMockUp
im Bereich
von Kommunikation und technischer Dokumentation (Schnitte, Markups,
Screenshots, Animiationen, etc).
Ausführliche Informationen zu allen TEAMCENTER VISUALIZATION® Produkten
erhalten Sie auf der Homepage von UGS PLM Solutions (http://www.ugsplm.de/produkte/teamcenter/).
Als Datenbasis für VisMockUp
dienen die nominalen CAD Daten im *.jt-Format. Dieses
tesselierte Format entsteht durch das Konvertieren von CAD Daten aus
verschiedenen CAD Systemen (siehe Abb. 2). Dabei werden die Daten auf
bis zu 30% ihres Ausgangsvolumens reduziert, wobei detaillierte Geometrie-Informationen
(z.B. Achs- und Punktkoordinaten, Vektoren) erhalten bleiben.
Abb. 2:
Tesselieren von CAD Daten
Über eine Direkt-Schnittstelle (in VisMockUp
integriert) können weitere Standard-Datenformate wie STEP, IGES, Vrml, etc.
eingelesen werden.
Simulationsprogramm - VisVSA
Die Bedieneroberfläche von VisVSA
wird
in Abb. 3 gezeigt. Auffallend ist die
Anlehnung der grafischen Oberfläche an Windows-Standards mit charakteristischen
Menüleisten und 'Smart Buttons', die zur Implementierung von VisVSA
Funktionalitäten
verwendet werden.
Auf der linken Bildschirmseite ist der 'Prozessbaum' bzw. das 'Prozess Dokument'
abgebildet. Im Prozessbaum werden alle für die Simulation benötigten
Informationen in übersichtlicher und nachvollziehbarer Form gespeichert
und dargestellt. Eine Auflistung aller Informationen im Prozessbaum
zeigt Abb. 4 (siehe nächste Seite).
Im rechten Fenster von Abb. 3 werden die aktivierten Komponenten oder Feature
visualisiert, sowie die Feature-Geometrie durch einfache Selektion
erzeugt.
Alle Informationen der Toleranzsimulation werden in einer *.pdo-Datei gespeichert.
Abb. 3:
VisVSA
Bedienoberfläche
Eines der wesentlichen Merkmale von VisVSA
ist, dass die CAD-Geometrie (jt-Daten) lediglich durch einen Link mit der Simulation
verknüpft ist. Der Vorteil hierbei ist einerseits, dass selbst umfangreiche
Toleranzmodelle mit vielen Einzelteil-Geometrien, wie z.B. der gesamte
Karosserie Rohbau eines Fahrzeugs, in handlichen pdo’s mit handelsüblichen
Windows-PC’s abgebildet werden können. Andererseits entsteht durch
diese Entkoppelung von CAD-Geometrie und Toleranzmodell die Möglichkeit,
bestehende Simulationsmodelle durch Neusetzen der Links auf neue Produktentwicklungen
zu übertragen. Zudem können auch Simulationen zu einem Zeitpunkt durchgeführt
werden, an dem noch gar keine bzw. keine endgültige CAD Geometrie
zur Verfügung steht (Feature basiertes Toleranzmodell).
Dem Anwender steht somit zusätzlich zum Toleranzmodell
eine geometrieunabhängige Prozessdatenbank zur Verfügung, in der alle
für den Produkt-Entstehungsprozess relevanten Informationen aus den
verschiedenen Unternehmensbereichen (Entwicklung, Konstruktion, Fertigung,
Produktion, Qualitätssicherung) und von Systemlieferanten in einem
zentralen Dokument gespeichert werden. Dies bedeutet, dass personen-,
abteilungs- oder firmengebundene Prozess-Informationen in einem neutralen,
transparenten System gesichert und verfügbar gemacht werden.
Die rein PC-basierte Software ist unter den Betriebssystemen
Windows 98, Windows 2000 und Windows XP (Stand Juli 2004) verfügbar.
Abb. 4: Prozess-Informationen im Prozessdokument
Erstellung eines Simulationsmodells
Die Erstellung eines VisVSA
Simulationsmodells erfordert die Durchführung
folgender Einzelschritte:
1. Import
der tesselierten *.jt-Daten
2. Definition
von Montagestruktur und Fügefolge im pdo; Erstellung fehlender Bauteile,
Baugruppen und Vorrichtungen
3. Erzeugung
der für Montage (Festlegung der 6 Freiheitsgrade von Einzelteilen
und Baugruppen) und Messungen notwendigen funktionalen VisVSA Features
(z.B. Bolzen, Ebenen, Löcher, etc.) an jt Geometrie;
Festlegung von Bezugssystemen und Toleranzen
4. Definition der Montage
5. Definition der Qualitätsmerkmale (Spalt-, Fugenmessungen,
etc.)
Bei der Vergabe der Toleranzen
hat der Anwender die Möglichkeit, neben der standardmäßig eingestellten
+/- 3 Sigma Normalverteilung unterschiedliche statistische Verteilungen
und Sigmawerte für einzelne Streuungen anzugeben. Dadurch können Erfahrungs-
oder maschinenspezifische Werte für einzelne Toleranzen im Simulationsmodell
definiert werden.
Abb. 5: Statistische Verteilung
von Einzeltoleranzen
Die anschließend durchgeführten, voneinander unabhängigen
statistische Simulationen (Monte Carlo und High-Low-Median) liefern
die in Abb. 6 gezeigten Ergebnisse.
Abb. 6: Ergebnisse der Monte Carlo
und High-Low-Median Simulation
Die Monte-Carlo Simulation
ermittelt Werte wie die Streuung eines Qualitätsmerkmales, den prozentualen
Anteil der Fehlteile/Nacharbeit sowie die Prozessfähigkeits-Indices
cp und cpk.
Zur exakten Analyse und
Optimierung des Simulationsmodells dient die High-Low-Median Simulation.
Diese listet die Verursacher der in Monte-Carlo ermittelten Streuung
nach deren prozentualen Gewichtung auf.
Die Ergebnisse aus der
Monte-Carlo und High-Low-Median Simulation bergen erhebliches Optimierungspotential.
Sie ermöglichen es dem Anwender durch gezielte Maßnahmen wie
Konstruktive Verbesserungen,
- Änderungen der Fügefolge,
- Änderung von Bezugssystemen,
- Optimierung der Ausrichtung von Bauteilen und Baugruppen,
- Einengung von Toleranzen,
- Aufweitung von „Angsttoleranzen“, etc.
Qualitätskriterien
einzuhalten und für sichere, reproduzierbare und kostengünstige Prozesse
zu sorgen.
Eine genaue Beschreibung
der Simulationstechniken sowie ein Vergleich unterschiedlicher Toleranzanalyse-Methoden
kann auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden.
Visualisierung und Dokumentation von Simulationsergebnissen
Durch die Integration
von VisVSA
in die VisMockUp
Umgebung stehen dem Anwender eine Vielzahl
von Möglichkeiten zur Visualisierung und Dokumentation der Simulationsergebnisse
zur Verfügung. So lässt sich z.B. der Einfluss von Toleranzen auf
einzelne Qualitätsmerkmale darstellen, indem man die Bewegung der
Bauteile animiert und direkt aus der Software heraus ein Video erstellt.
Komplexe Toleranzsachverhalte können so auch ohne die Software VisVSA
präsentiert und einfacher begreiflich
gemacht werden. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch:
· Erstellung
von Schnitten
·
Transparenz von Bauteilen
· Änderung
von Bauteilfarben,
· Export
der Ergebnisse in ASCII-Formate für standardisierte und automatisierte
Berichte, etc.
Die statistischen Ergebnisse
aus Monte-Carlo und High-Low-Median Simulation können im Postscript-
oder Text-Format gespeichert und für Dokumentationen zur Verfügung
gestellt werden. Die direkte Einbindung der Ergebnisse in Word Dokumente
wird durch Speicherung einzelner Ergebnis-Fenster in die Zwischenablage
und Einfügen in das Office Dokument („copy and paste“) ermöglicht.
Messdaten-Rückführung
in das Simulationsmodell
In VisVSA
besteht die Möglichkeit, Punkt-Dateien
(*.pts-Format) einzulesen und diesen dann Messdaten aus der Produktion
zuzuweisen.
In einem *.pts-Dokument
sind die Koordinaten und Vektoren von (falls notwendig mehreren hundert)
Punkten im ASCII-Format abgelegt. Dieses Dokument kann direkt das
Simulationsmodell eingelesen und einem Bauteil zugeordnet werden (siehe
Abb. 7).
'
Abb. 7:
Einlesen von Punkt-Dateien
Zum Einlesen der Messdaten
müssen diese in standardisierter Form (*.csv-Format) vorliegen. Dieses
*.csv-Dokument wird über ein Perlskript in eine *.xml-Datei umgewandelt.(siehe
Abb. 8).
Abb. 8:
Messdaten-Rückführung
Die so erzeugte *.xml
Datei kann dann in VisVSA eingelesen und den zuvor importieren Punkten
oder anderen Bauteil-Elementen zugewiesen werden.
Toleranzanalyse mit deformierbaren Bauteilen
Mit VisVSA
kann die „Verbiegung“ flexibler Bauteile/Baugruppen
bei Montage an starren Anlagen (z.B. Vorrichtungen, massive Komponenten)
in der Toleranzanalyse mit berücksichtigt werden.
VisVSA
greift dabei auf die Ergebnisse Finiter
Elemente Untersuchungen zurück. Die FEA Ergebnisse werden in I-DEAS
im ASCII Format *.univ (universal file format) abgespeichert. Falls
dies nicht möglich ist, ist in VisVSA
ein Nastran *.op2-Datei Konverter mit integriert.
Die Deformationspunkte aus dieser „Biegematrix“ können nun Bauteilen/Baugruppen
in VisVSA
zugewiesen und in einer „Flex Assembly Operation“
mit simuliert werden.
Abb. 9: FEA Montage Operationen
in VisVSA
