Systems Engineering:

Von der Forschung zur Praxis

An der Hochschule für angewandte Wissenschaften in München wird Systems Engineering als Masterstudium angeboten. Im Rahmen eines Projektes hat ein Forschungsteam des Institutes „Engineering Design of Mechatronic Systems“ nun Theorie und Praxis verbunden: In nur sechs Monaten brachte das Team im Labor für Engineering Design for Mechatronics (EDMS) ein Hexapod-Modell zum Laufen.

Systems Engineering (SE) ist ein interdisziplinärer Ansatz, um komplexe technische Systeme in großen Projekten zu entwickeln und zu realisieren. Systems Engineering kommt zum Einsatz, da gerade in großen komplexen Projekten Aufgaben wie zum Beispiel Logistik und Koordination schwerer zu handhaben sind und zu massiven Problemen bei der Abwicklung des Projekts führen können. Inzwischen sind mechanische, elektrische, elektronische und Software-Bestandteile in so vielen Produkten enthalten, dass ein „Internet der Dinge“ (Internet of Things) entstanden ist, um sie zu vernetzen. Die Komplexität wächst äußerst rasant und lässt sich nur mit neuen Entwicklungsmethoden sowie entsprechenden Werkzeugen beherrschen.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Vahid Salehi hat eine Gruppe von mehreren Wissenschaftlern für angewandte Wissenschaften in München nun Theorie und Praxis verbunden: In nur wenigen Monaten brachte das Team im Labor für Engineering Design for Mechatronics (EDMS) ein Hexapod-Modell zum Laufen.

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Systems-Driven Product Development
Einen der vielversprechendsten Ansätze dazu sieht Salehi, Leiter Engineering Design for Mechatronics (EDMS) an der Hochschule für angewandte Wissenschaften in München, im Systems-Driven Product Development (SDPD). Dieses verbindet Systems Engineering mit Produktdefinition und integriert die Produktentwicklung zugleich mit Fertigungs- und Montageprozessen.

Das vorgeschlagene V-Modell entspricht der VDI-Richtlinie 2206 „Entwicklungsmethodik mechatronischer Systeme“ und teilt sich in vier Phasen, die jeweils auf den Achsen der Definition und Erfüllung durchlaufen werden. Der hohe Abstraktionsgrad öffnet grundsätzlich neue Lösungswege, die das Kosten-Nutzenverhältnis bekannter Produkte erheblich verbessern, aber auch vollkommen neue Produkte initiieren können.

Validierung per Hexapod
Im Rahmen eines Forschungsprojekts und mit Unterstützung eines PLM-Systems (Teamcenter von Siemens) entwickelte Salehi mit einem Team ein Hexapod-Modell - von den ersten Anforderungen über die funktionalen und technischen Ebenen bis zu den Bauteilen. Anschließend an die Produktentwicklung, die auf Basis des Systems Engineering und integrierten Entwicklungswerkzeugen durchgeführt wurde, sollten die mechanischen Bauteile ebenso wie die Platinen im EDMS-Labor der Hochschule hergestellt werden.

Eines der Hauptziele war die durchgängige Entwicklung des mechatronischen Gesamtsystems und seiner Prozesse, unter Berücksichtigung der verschiedenen Disziplinen. Dazu wurden den beteiligten Projektmitarbeitern die Rollen von Entwicklern, Einkäufern, Konstrukteuren, Controllern oder Produktionsmitarbeitern zugewiesen.

Beginn auf der Anforderungsebene
Das Projekt begann mit dem Requirements Engineering, der Erfassung von abstrakten Anforderungen nach den Interessen der beteiligten Stakeholder wie Kunden oder Anwender. In dieser Phase spielen die Kundenbedürfnisse eine zentrale Rolle.

In dem Anwendungsbeispiel des Hexapods besitzt die Roboterspinne sechs Beine mit je drei Servomotoren, die ihre Kraft gleichmäßig nach unten abgeben, damit der Hexapod sich stabil bewegen kann. Dazu enthält das mechatronische Produkt mechanische, elektronische und Software-Komponenten. Mit Hilfe von Systems Engineering wurden systematisch die Kundenwünsche und Anforderungen, wie Realisierung einer Low-Budget-Lösung, extremer Leichtbau und hohe Traglast definiert und berücksichtigt. „Das Modul für Requirements Management erlaubt es, die Anforderungen live und synchron mit MS Office Word zu definieren. Die Anforderungs- und Absatzobjekte können in übergeordneten, untergeordneten und gleichgeordneten Beziehungen strukturiert werden“, erklärt Salehi.

Das Anforderungsmanagement übernimmt auch die Identifikation, Dokumentation und Kontrolle von Änderungen. Mit dem Modul Rückverfolgbarkeit können definierende und vergleichbare Beziehungen angezeigt und die Anforderungsstrukturen mit Prozess- und Produktstrukturen abgeglichen werden. So lässt sich der gesamte Lebenszyklus einer Anforderung von ihrem Ursprung über ihre Spezifikation und Entwicklung bis hin zur Einführung und Nutzung verfolgen – und wieder zurück.

Verhalten auf der funktionalen Ebene
Auf der funktionalen Ebene werden Struktur und Verhalten eines Systems definiert, um das Verständnis für das Gesamtprodukt zu ermöglichen. Nach der Erstellung einer Systemarchitektur lassen sich die verschiedenen Funktionen im Gesamtsystem identifizieren. Bezogen auf den Hexapod wurden etwa auf Kundenwunsch Laufen, Fahren und schnelle Steuerung definiert. Ebenso sollte die Konstruktion sehr robust sein, damit bei unebenem Terrain heftige Stöße abgefangen werden. Für den Wunsch nach einer langen Betriebszeit wurden relevante Parameter wie Gewicht, Art der Batterie und die Kombination von Servomotor festgelegt. Die Funktionen des Hexapods wurden in einem PLM System-integrierten Visio-Diagramm über Ports verbunden, zwischen denen jeweils Informationen oder Objekte transportiert werden können.

Technische Validierung
Nach der Funktionsstruktur wurde in Bezug dazu die technische Systemarchitektur erstellt, die das logische Verhalten des Systems beschreibt. Um logische Modelle zu simulieren und zu modellieren, wurde das integrierte Simulationswerkzeug Matlab und Simulink 2013 eingesetzt. Damit können Konstruktionsingenieure das dynamische Verhalten der geometrisch dargestellten Komponenten analysieren und berücksichtigen. Durch die Systemmodellierung und -simulation wird letztendlich überprüft, ob das System die auf Business-Ebene definierten Anforderungen erfüllt. Durch eine frühzeitige Validierung können unerwartete Interaktionen zwischen den einzelnen Bauteilen oder Subsystemen erkannt werden.

Bei der Simulation des Hexapods spielte die Regelungstechnik eine sehr große Rolle, weil sie die Stabilität beim Laufen und Bewegen gewährleisten sein muss und die Sensordaten mit den Servomotorausgängen harmonisiert werden muss. Durch die vollständige Integration von Matlab und Simulink in dem bestehenden PLM-System konnten die notwendigen Interaktionen komfortabel und problemlos durchgeführt werden.

Konstruktion auf der Bauteilebene
Im letzten Schritt des SDPD-Ansatzes wird die Bauteilebene ausgearbeitet. Dazu werden einerseits die physikalischen Eigenschaften des Systems in der hierarchischen Struktur des Systems Engineerings beschrieben, andererseits die geometrischen 3D-Modelle in einem Gesamtentwurf konstruiert. Die zuvor durchgeführten, umfangreichen Verhaltensbeschreibungen der einzelnen Komponenten gehen nun in die Definition der technischen Systemarchitektur ein. Abschließend wird nun die physikalische Systemarchitektur abgebildet, welche das Gesamtsystems möglichst real darstellt. Da der Hexapod neben mechanischen auch elektrische und mechatronische Komponenten enthält, benötigten die Konstruktionsingenieure dazu ein 3D CAD-System, das die verschiedenen Ansichten Gesamtsystems berücksichtigen kann.

Ergebnisse
Systems-Driven Product Development beschreibt mechatronische Systeme über Anforderungen, Funktionen, technische Komponenten hinweg bis hin zu den physikalischen Bauteilen. Die schrittweise Umsetzung von abstrakt bis konkret entspricht dem V-Modell der VDI-Richtlinie 2206 zur Entwicklungsmethodik mechatronischer Systeme. Mit Hilfe eines PLM-Systems für das Systems Engineering wurde das Projekt Hexapod erfolgreich abgeschlossen. In nur sechs Monaten konnten die Studierenden nicht nur das Konzept des SDPD kennenlernen und in die Praxis umsetzen – sondern auch die benötigten Bauteile des Hexapods einschließlich Platine im Labor EDMS der Hochschule für angewandte Wissenschaften in München anfertigen. Das Team hat das mechatronische System Hexapod vollständig abgebildet und den SDPD-Ansatzes mit den dazugehörigen Systemen integriert. Darüber hinaus war es möglich, sämtliche Aufgaben von der Anforderungsdefinition bis zur Komponentenkonstruktion virtuell zu gestalten.

Stefan Graf

Hochschule München, München, Tel. 089/1265-3625, www.hm.edu

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