Herausforderung
Als führender Hersteller von Baumaschinen war XCMG auf der Suche nach neuen Technologien, die die Zeit bis zur Marktreife verkürzen und die Entwicklungskosten senken könnten. Um das Ziel zu erreichen, weltweit zu den drei führenden Baumaschinenherstellern zu gehören, untersuchte das Unternehmen virtuelle Engineering-Lösungen als Mittel, um die Produktentwicklung zu beschleunigen und seinen Kunden hochoptimierte Maschinen anzubieten.
Lösung
XCMG setzte in Zusammenarbeit mit Maplesoft und der FLUIDON GmbH digitale Zwillinge und virtuelle Inbetriebnahme als Mittel zur Verbesserung der Entwicklung ihrer neuen Hubarbeitsbühne ein. Als ein Produkt, das von Privatpersonen im Bauwesen eingesetzt wird, musste die Hubarbeitsbühne von XCMG strenge Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen. Durch die Wahl von digitalen Zwillingen und virtueller Inbetriebnahme plante XCMG die Entwicklung und Validierung ihrer Steuerungsstrategien durch Tests auf einer realitätsnahen, virtuellen Plattform.
Ergebnis
Durch die Implementierung von digitalen Zwillingen und virtueller Inbetriebnahme konnte XCMG eine leistungsstarke Testplattform für seine Hubarbeitsbühne erstellen. Die virtuelle Testplattform ermöglichte es den Ingenieuren, mehrere Aspekte ihres Designs virtuell zu optimieren, lange bevor der teure Prozess des physischen Prototypings erforderlich war. Durch den Einsatz digitaler Zwillinge von Maplesoft konnte XCMG seine Steuerungsstrategien optimieren, die Leistung der Maschine verbessern und die Sicherheitsanforderungen gewährleisten - und das alles in einem Bruchteil der Zeit, die im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen erforderlich ist.
Im Vergleich zu Baumaschinen vergangener Jahre kann die moderne Technologie in neuen Maschinen ein erstaunliches Maß an Leistung und Sicherheitsmerkmalen bieten. Die traditionellen mechanischen Systeme wurden durch leistungsstarke, bereichsübergreifende technische Produkte ersetzt, die es den Bauunternehmern ermöglichen, schneller und sicherer als je zuvor zu arbeiten. Bei der Weiterentwicklung dieser Produkte besteht die größte Herausforderung für die Hersteller jedoch in der Steuerung dieser Maschinen - der Hard- und Software, die es ermöglicht, dass jedes Teilsystem der Maschine präzise zusammenarbeitet.
Als führender Hersteller von Baumaschinen ist sich XCMG der Notwendigkeit bewusst, ständig neue Technologien einzuführen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Als Teil des Ziels, weltweit zu den drei führenden Baumaschinenherstellern zu gehören, investiert das Unternehmen stark in die Forschung und Entwicklung neuer Maschinentechnologien. Kürzlich wurde strategisch in digitale Zwillinge und virtuelle Inbetriebnahmetechnologien investiert, die es dem Unternehmen ermöglichen, seine neuen Maschinen anhand genauer virtueller Modelle zu entwerfen, zu validieren und zu optimieren. Diese virtuellen Modelle geben XCMG die Werkzeuge, um ihre Designs viel schneller zu iterieren als herkömmliche, physische Methoden und reduzieren die Notwendigkeit für physische Reisen und Engineering-Kosten vor Ort.
Im europäischen Forschungszentrum von XCMG arbeiteten die Ingenieure an der Implementierung der virtuellen Inbetriebnahme ihrer neuen Hubarbeitsbühne (Bild 1). Das Team wollte das Testen der Software für die elektronische Steuereinheit (ECU) so früh wie möglich im Entwicklungsprozess implementieren, um die erforderlichen Tests an der physischen Maschine zu reduzieren. Um diese Tests durchführen zu können, benötigten sie ein physikbasiertes Modell ihrer Hubarbeitsbühne. Diese Modelle, die auch als digitale Zwillinge bezeichnet werden, sollten als Plattform dienen, an der verschiedene Steuergeräte getestet werden konnten. Die Steuergeräte konnten bereits in einer frühen Entwicklungsphase als Softwarecode getestet werden oder später in der Entwicklung, wenn sie auf den Hardware-Steuergeräten selbst installiert waren.
Abbildung 1: Ein von XCMG entwickeltes Löschfahrzeug, abgebildet mit einer Hubarbeitsbühne (DG54m1 8X4 54m Fire Fighting Truck)
Erstellen des digitalen Zwillings
Zur Erstellung des digitalen Zwillings ihrer Hubarbeitsbühne verwendete XCMG MapleSim, ein physikbasiertes Tool zur Erstellung von digitalen Zwillingen, das Konstruktionselemente verschiedener ingenieurstechnischer Bereiche (Domänen) miteinander kombiniert. MapleSim bietet den Anwendern eine Drag-and-Drop-Modellierungsumgebung für die Erstellung dynamischer Maschinenmodelle, so dass die Ingenieure zunächst ihre CAD-Modelle importieren können. Innerhalb von MapleSim können die digitalen Zwillinge so erstellt werden, dass sie die Effekte aus mehreren Domänen enthalten - mechanisch, hydraulisch, thermisch, elektrisch usw. Die Ingenieure bei XCMG importierten ihre CAD-Modelle und verwendeten MapleSim für die Erstellung eines 3-D-Mehrkörper-Maschinenmodells (Bild 2). Zusätzliche Modellkomponenten wurden nach dem CAD-Import hinzugefügt, darunter Gelenke, Schieber, Zylinder, Verbindungen und mehr.
In diesem Stadium der Konstruktion konnten die XCMG-Ingenieure 3-D-Simulationen der Mehrkörperdynamik ihrer Hubarbeitsbühne visualisieren und alle notwendigen Konstruktionsiterationen durchführen.
Abbildung 2: Eine Ansicht des MapleSim-Modells für die Hubarbeitsbühne, die das dynamische Verhalten der Maschine definiert.
Um die gesamte virtuelle Testplattform einzurichten, verwendete XCMG den FMI-Standard (Functional Mock-Up Interface), der es ermöglicht, plattformunabhängige Modelle zu simulieren und miteinander zu interagieren. Der MapleSim Connector für FMI wurde verwendet, um das gesamte MapleSim-Modell in eine Functional Mock-Up Unit (FMU) zu exportieren, wo es dann für die Verwendung in FLUIDONs Virtual Engineering Lab (VEL) importiert werden konnte. Das VEL, das XCMG zur Verfügung gestellt wurde, ermöglicht die Co-Simulation von Ingenieurmodellen in Echtzeit. Diese Co-Simulationen können in einer Umgebung durchgeführt werden, die die Maschinensteuerungssoftware (Software-in-the-Loop-Simulation) und die Steuerungshardware (Hardware-in-the-Loop-Simulation) umfasst. Durch die Kombination der MapleSim FMU mit der hydraulikbasierten DSHplus FMU verfügten die Ingenieure bei XCMG über eine detailgetreue Co-Simulation ihrer Hubarbeitsbühne.
Die Umgebung zum Testen von Steuerungen
Diese beiden Modelle wurden in die virtuelle Testplattform von XCMG integriert (Abbildung 3). Der zentrale Simulationsserver ihrer Plattform (FLUIDON VEL) simuliert die digitalen Zwillings-FMUs in Echtzeit und nutzt dabei Informationen aus einer bidirektionalen EtherCAT-Verbindung zu den Steuereinheiten von XCMG. Die Signalumwandlung der physikalischen Größen der Modelle in Sensor- oder Aktorsignale wird mit Hilfe von EtherCAT-Klemmen realisiert. Weitere angeschlossene Geräte sind in Abbildung 3 zu sehen.
Abbildung 3: Die virtuelle Testplattform, die von XCMG für die virtuelle Inbetriebnahme ihrer Hubarbeitsbühne verwendet wird. Sowohl der digitale Zwilling MapleSim (Mechanik) als auch der digitale Zwilling DSHplus (Hydraulik) sind über FMI mit dem Echtzeit-Simulationsserver ("Real-time Node") verbunden.
Verwendung der Testplattform für die virtuelle Inbetriebnahme
Mit der Testplattform kann XCMG nun nicht nur die Leistung der Steuerungssoftware validieren, sondern auch direkt gegen die Hardware-Steuereinheiten testen (Hardware-in-the-Loop-Test). Beide Steuerungsteststrategien bilden die Hauptvorteile eines virtuellen Inbetriebnahmeansatzes und ermöglichen es XCMG nun, den Zeitaufwand für Tests an physischen Prototypen zu reduzieren. Ihre Testplattform kann schnell Simulationen verschiedener Testszenarien durchführen und so mögliche Probleme bei der Inbetriebnahme viel früher im Entwicklungsprozess aufzeigen.
Um die Testplattform weiter zu verbessern, nutzte XCMG auch MapleSim Insight, um eine 3D-Visualisierung der Testszenarien in Echtzeit einzubauen (Abbildung 4). MapleSim Insight ist ein FMU-basiertes Tool, das XCMG mit seiner Testplattform verbunden hat, so dass die Testergebnisse in Echtzeit unter Verwendung der CAD-Informationen des Systems visualisiert werden können. Durch die Nutzung des Echtzeit-Feedbacks von MapleSim Insight konnte XCMG die Leistung seiner Steuergeräte schnell überprüfen und potenzielle Probleme finden, die mit 2-D-Diagrammen und numerischen Simulationsdaten nur schwer zu erkennen wären.
Bild 4: XCMG hat seine virtuelle Inbetriebnahme-Testplattform (links) weiter verbessert, indem MapleSim Insight (rechts) hinzugefügt wurde, das eine 3D-Visualisierung und Simulationsergebnisse der Testszenarien in Echtzeit liefert.
Virtuelle Inbetriebnahme für Feuerwehrfahrzeuge der nächsten Generation
Die von XCMG geschaffene Testplattform erschließt eine Vielzahl von Vorteilen für die Entwicklung ihrer Baumaschinen:
Indem XCMG die wachsende Notwendigkeit simulationsbasierter Technologien für die Maschinenkonstruktion erkannte, hat das Unternehmen nun erfolgreich eine virtuelle Testumgebung für die Konstruktion und Inbetriebnahme seiner Hubarbeitsbühne entwickelt. Die Vorteile dieser auf virtuellen Inbetriebnahmen basierenden Systeme werden es XCMG ermöglichen, neue Produkte in kürzerer Zeit zu entwickeln, wodurch neue Produkte auf dem Baumaschinenmarkt noch wettbewerbsfähiger werden. Diese Technologien verbessern weiterhin die von XCMG angebotenen Produkte und verschaffen dem Unternehmen strategische Vorteile auf dem Weg zu seinem Ziel, einer der drei weltweit führenden Baumaschinenhersteller zu werden.
Kontaktieren Sie Maplesoft, um zu erfahren, wie MapleSim bei Ihren Projekten angewandt werden kann.
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