Digitale robottweeling wint aan terrein

Een simulatierevolutie voor de hele robotketen

Ook de digitale robottweeling wint aan terrein. Voor Altair, leverancier van simulatiesoftware is dat goed nieuws. Simulatie en digitale tweelingen zijn immers twee kanten van eenzelfde medaille. Bovendien heeft het bedrijf sinds kort een nieuwe tool in handen die mechanische simulaties van samengestelde robotgrijpers en complete robots mogelijk maakt. Berekeningen kosten minuten in plaats van uren en kunnen rechtstreeks met native 3D CAD-modellen worden gedaan. Bovendien is realtime simulatie voor bijvoorbeeld voorspellend onderhoud mogelijk.

Volgens Mirko Bromberger, marketing manager bij Altair is er nog veel te winnen. “Wist je dat 50 procent van de Duitse machinebouwers ­helemaal niets met simulatie doet?” zegt hij ­tijdens een persconferentie. Als belangrijkste reden noemt hij dat ze het te complex en tijd­rovend vinden. Helemaal wanneer het samengestelde producten – wat natuurlijk geldt voor elke robot en elke grijper – betreft. CAD-­modellen die vereenvoudigd moeten worden nagemaakt in een eindige elementen pakket. Meshes die moeten worden gedefinieerd, waarbij vooral bout- en lasverbindingen hoofdpijn bezorgen. En dan hebben we het nog niet eens over uren die een extra krachtige computer staat te rekenen, om te kijken of de robot niet teveel doorbuigt, trilt of te warm wordt.

Hoewel iedereen best snapt dat het in theorie beter is wanneer je simulatie naar de voorkant van je ontwikkelproces trekt, is de impact op de doorlooptijd veelal te groot om het praktisch te kunnen verantwoorden. Bovendien zijn de mensen die zowel expert zijn op het gebied van CAD-design als CAE-software dun bezaaid. Maar met SimSolid gaat daar volgens hem ­verandering in komen. Hij voorspelt een heuse simulatierevolutie. Een die de complexiteit van eindige elementenberekeningen wegneemt en ze bovendien in een fractie van de tijd oplost.

Simulatie in de basis

Nu is het niet voor het eerst dat Altair over een bloeiperiode voor simulatie spreekt. Sinds hun oprichting in 1985 en vernieuwende producten als HyperMesh en OptiStruct uit de beginjaren, is er inmiddels een behoorlijk portfolio opgebouwd dat de softwarereus – met 2.000+ werknemers ben je geen kleintje – het HyperWorks platform noemt. Aanvankelijk geboren vanuit de notie dat de werkelijkheid meerdere dimensies kent en multi-fysische simulatie hierop het beste antwoord geeft, is er het laatste decennium ook meer focus op design komen te liggen. Want, zo stelt Altair, eigenlijk span je met eerst ontwerpen en dan simuleren het paard achter de wagen. Beter is het om de gesimuleerde uitkomsten van doel en constraints als basis voor het ontwerp te nemen en het daarmee in één keer goed te doen. Recente generatieve producten voor topologie-optimalisatie zoals Inspire (zie Vision + Robotics #4 2018) zijn hiervan een mooi voorbeeld. Ook zijn er de ­afgelopen jaren producten gekomen voor IoT en cloud gerelateerde zaken. Denk aan datamanagement tools, maar ook aan het inzetten van cloudkracht voor het uitvoeren van zware berekeningen. Maar omdat echt ‘simulation driven design’ – dus simulatie vanaf het eerste begin – ook gewoon vanaf de pc zou moeten kunnen, kocht Altair eind 2018 SimSolid. De onderliggende technologie die geen eindige elementen gebruikt voor het doorrekenen van complexe onderdelen en samenstellingen, zal ongetwijfeld ook zijn weg vinden in andere Altair-­producten, zo liet Chief Technology Officer Dr. Uwe Schramm vlak na de acquisitie in een persbericht weten.

Nieuwe wiskunde

Maar wat hoe werkt die onderliggende technologie? En waarin verschilt hij van de gebruikelijke eindige elementen solvers die wel een mesh gebruiken? Het blijkt dat de SimSolid engine nieuwe uitbreidingen op de externe benaderingstheorie (approximatietheorie) gebruikt. Om het zonder lastige formules uit te leggen, past een kleine geschiedenisles.

Eind 19e eeuw ontwikkelden de Russische ­Chebychev en Duitse Weierstrass nieuwe wiskunde om lastig te beschrijven eigenschappen bij benadering te vervangen door eenvoudigere voorstellingen. Belangrijk gegeven was dat met deze vereenvoudiging geen significante fouten werden geïntroduceerd. Hierop voortbordurend waren het begin 20ste eeuw de verdiensten van de eveneens Russische Galerkin en de Zwitserse Ritz die rond 1950 leidde tot de eindige elementen analyses zoals we die vandaag kennen. Zij ontwikkelden namelijk de wiskunde voor het numeriek ‘discretiseren’ van continue probleemstellingen zoals differentiaalvergelijkingen. En dan die met randvoorwaarden in het bijzonder. Een eindige elementen analyse ­gebruikt deze ‘discretiserende’- benaderingswiskunde door een te bestuderen onderdeel in polynomen op te delen en telkens de invloed van een belasting op aangrenzende elementen te berekenen. Hoe preciezer je de werkelijkheid wilt benaderen, des te kleiner je mesh. Maar ook des te meer er te rekenen valt. Zo veel zelfs, dat ook moderne computers er aardig wat uurtjes mee zoet kunnen zijn. Om dit laatste te omzeilen, past SimSolid een zogenoemde ­‘ontkoppeling van geometrie-functies’ toe. De vorm van een element is volledig willekeurig en wordt ‘on the fly’ tijdens het oplossen bepaald. Dit kan doordat in 1930 wederom een Rus, dit keer Sobolov genaamd, een vectorruimte ­ontdekte die zijn naam draagt. Het gaat wat ver (en eerlijk gezegd wat boven de pet) om precies uit te leggen wat SimSolid allemaal in deze ruimte uitspookt. Maar wie geïnteresseerd is kan in de formules duiken om de precieze wiskunde te reconstrueren – https://bit.ly/2Wbkjzy.

Geometrisch onafhankelijke voordelen

Wel zinnig om over te hebben, zijn de voordelen die de geometrie-onafhankelijke aanpak van SimSolid met zich meebrengt. En die zijn er ­volgens Bromberger genoeg. “Doordat SimSolid geen ‘last’ heeft van meshes, hoeven modellen niet nagemaakt en geoptimaliseerd te worden om dit deel van het traditionele CAE-proces te faciliteren. Draadgaten, bouten, features als ­fillets en chamfers, ze worden gewoon netjes meegenomen. Hierdoor is het dus ook mogelijk om rechtstreeks CAD-modellen in te lezen. SimSolid is compatibel met vrijwel alle gangbare CAD-pakketten en bestandsformaten en kan rechtstreeks met hele samenstellingen aan de slag.” Volgens Bromberger is het wegvallen van de noodzaak om helemaal opnieuw een sterk vereenvoudigd 3D-model te moeten ­modelleren, voor de adoptatie van simulatie minstens zo belangrijk als het terugdringen van de rekentijd. “Natuurlijk willen bedrijven en ­engineers graag vroegtijdig inzicht in de prestatie van hun ontwerp. Maar tot voor kort kostte het in veel gevallen te veel tijd en kreeg men die ogenschijnlijk voor de hand liggende businesscase niet rond. Nu ligt dat echter anders. Ook voor de CAE-analist, die door het weg­vallen van modelleerwerk nu ineens de handen vrij krijgt echt de diepte in te duiken en onontgonnen gebieden te ontdekken.”

Overigens vervangt SimSolid niet ineens alle andere simulatiesoftware van Altair. De sweetspot? Die zit hem echt in de analyse van samenstellingen en het sneller op de rit hebben van complexe onderdelen. Robotica bijvoorbeeld. Want hoewel met SimSolid onder andere statische, dynamische (trilling), thermische analyses gedaan kunnen worden, blijven er ­genoeg specialistische vakgebieden over voor toepassingsspecifieke software uit het Hyperworkx portfolio.

Voor de hele keten

En dat brengt ons bij een laatste teken aan de wand dat volgens Bromberger een heuse ­‘simulatierevolutie’ aanstaande is: de digitale tweeling en de noodzaak de cirkel hierbij rond te krijgen. Want een digitale representatie ­beperkt zich niet alleen tot de product­ontwikkelings­fase. Ook als het gaat om productie, operatie, onderhoud en de productoptimalisatie van een nieuwe generatie op basis van echte data, heeft de tweeling een centrale rol te vervullen. Bromberger: “Een digitale tweeling is een digitale voorstelling van een product of systeem dat ons in staat stel betere beslissingen te nemen. Kan ik met deze grijper ook dat andere product verwerken, is de totale ­robotconstructie stijf genoeg, kan ik mijn ­cyclustijd verbeteren, en hoeveel draaiuren gaat het nog goed?
Een simulatie dus voor de hele keten met ­uiteenlopende modellen en abstractieniveaus. Hiervoor is een open omgeving nodig die alle verschillende simulatiebouwstenen met elkaar verbindt. Hierbij is het belangrijk je te realiseren dat elke tweeling uniek is en een eigen doel heeft.” Als voorbeeld noemt Bromberger onderzoek naar het stukgaan van een grijperonderdeel op basis van echte productiedata vanuit de besturing van een robotcel. Dat kan onder andere met Altair’s nieuwe Activate tool die middels scripting de koppeling tussen plc en bijvoorbeeld 3D-model in SimSolid of een ­model in Mathlab Simulink verzorgt. Een ander voorbeeld is de realtime simulatie van de ­‘gezondheid’ van maar liefst 1.600 robots die Altair onlangs voor een van haar robotklanten deed. Wat ook kan? In een haalbaarheidsstudie kijken of een product aan lokale EMC-regels voldoet en in een land op de markt gebracht mag worden. Want, zo stelt Bromberger: “Bad news early is good news.”

Liam van Koert

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.