Maschinen und Systeme – Digitale Best-Practise-Beispiele an HAWs
David Fritsche, Hochschule Esslingen, Fakultät Maschinen und Systeme
Skizzierung des Formats:
Seit WS 2020/21 wird im ersten Semester der Studiengänge „Automatisierungstechnik und Produktionsinformatik“, „Elektrotechnik“ sowie „Mechatronik“ die als Seminar konzipierte Veranstaltung „Rechnerunterstütztes Lernen“ angeboten. Diese Veranstaltung fand bislang pandemiebedingt ausschließlich im Online-Format statt.
Inhaltlich wird der Einsatz von Skriptsprachen zur Lösung mathematisch-naturwissenschaftlicher Fragestellungen sowie die Visualisierung mit Hilfe von Grafiken behandelt. Hierfür kommt vorwiegend „Matlab/Simulink“ zum Einsatz. Ein weiterer Punkt sind die Grundlagen der Simulation und der Parameteroptimierung.
In den Jahren vor der Corona-Pandemie wurde vom Antragsteller ein Simulationstool („Sim2d“) entwickelt, das für den Einsatz im Online-Format geeignet ist. Technisch gesehen handelt es sich um eine Java-basierte nichtlineare statisch/dynamische 2,5D Finite-Elemente-Simulation, die mit CAD- Geometrien verknüpfbar ist. Auf diese Weise lassen sich Problemstellungen schrittweise modellieren – vom einfachen hin zum komplexen Modell. Da die Studierenden die Software auf ihren eigenen Endgeräten laufen lassen können, sind sie in der Lage, alle Schritte selbst durchzuführen [1].
Aus diesem Konzept heraus entstand die Idee, die Software für digitale Zwillinge von Robotern zur Handhabung und Montage zu nutzen [2]. Steuerbefehle für derartige Roboter können in die Software importiert werden und ein virtuelles Robotermodell steuern. Dieselben Befehle können auch an den physischen Roboter gesendet werden, so dass dieser dieselben Aktionen ausführt wie zuvor der virtuelle Roboter. Somit ist die exakte virtuelle Planung z.B. eines Pick & Place oder Montageprozesses möglich, was einen für die Lehre noch relativ neuen Ansatz darstellt. Die Umsetzung dieser Idee unter didaktischen Aspekten soll in den nächsten Jahren im Rahmen des laufenden Forschungsprojekts „Digitalisierung didaktisch denken D^3“ weiterverfolgt werden.
Darüber hinaus wurde die Simulation um Regelkreise erweitert, so dass damit die Wirkung von Regelungen auf ein Simulationsmodell getestet werden kann („Hardware-in-the-loop“, „Software-in- the-loop“). Derartige Tests werden durchgeführt, bevor Steuerungen im physischen System zum Einsatz kommen [3].
Somit lernen die Studierenden bereits im ersten Semester sehr fortschrittliche rechnergestützte Methoden kennen und werden motiviert, diese selbst anzuwenden um vorgegebene Aufgabenstellungen zu lösen. Durch Nutzung der Eigenentwicklung „Sim2d“ (auch in Kombination mit „Matlab/Simulink“) konnten ganz neue Möglichkeiten der Wissensvermittlung beschritten werden, die im Online-Format gut funktionierten. Die Bestehensquote der Veranstaltung war dabei überdurchschnittlich hoch (> 90%).
Videos und Quellen:
https://www.youtube.com/channel/UCwQwvswEFzIPvSRIc5td9sg/videos
[1]Fritsche,D.:SimulationinderMechanikmitSim2DV1.3,HochschulmagazinSpektrum,Nr.48,Esslingen, 2020
[2]Fritsche,D.:NeuedigitaleLehr-undLernmethodenfürtechnischeMechanikundDynamik, Hochschulmagazin Spektrum, Nr. 49, Esslingen, 2020
[3]Fritsche,D.:Simulatingthedynamicbehaviorofactivestructures,InternationalJournalofMechatronicsand AutomotiveResearch(IJMAR),2019