Die Trends bei der Weiterentwicklung von Bedien- und Anzeigekomponenten und ihre Auswirkungen auf die entsprechenden Testsysteme

Teil 1     Haptik und Akustik

Intro

Der Erfolg einer Automobilmarke hängt von vielen Faktoren ab. Immer wichtiger ist es  für die OEMs alle relevanten  Sinnesorgane in Betracht zu ziehen, um die Anmutung ihrer Produkte zu optimieren und Emotionen hervorzurufen.

Es gibt eine Vielzahl an Möglichkeiten für Fahrzeughersteller durch beeinflussbare Reize die Sinne der Fahrzeuginsassen positiv zu beeinflussen. Die Neurowissenschaftler sind sich nicht einig in der tatsächlichen Anzahl der verschiedenen Sinne. Unbestritten sind die sechs Sinne Sehen, Hören, Gleichgewicht, Fühlen, Schmecken und Riechen. Den 7. Sinn (abgesehen vom Sinn für Humor und nicht zu verwechseln mit der Verkehrssicherheitssendung, die von 1966 bis 2005 von der ARD ausgestrahlt wurde) scheint es tatsächlich zu geben, bezieht man den Stellungs- und Bewegungssinn ein, mit dem Sinnesorgan der Muskelspindeln und dem Rezeptor sensibler Nervenfasern. Die Sinne acht und neun ergeben sich dann automatisch, wenn man  den Menschen glaubt, die behaupten  durch  magnetische und/oder elektrische Felder beeinflusst zu werden.

Die Sinne für elektrische und magnetische Felder (beim Menschen im Vergleich zu Hai und Zitteraal sehr schwach ausgeprägt, vielleicht jedoch in Zukunft eine Möglichkeit durch künstliche elektromagnetische Felder im Fahrgastraum den Absatz anzukurbeln), sowie der Geschmackssinn (es sei denn, dass zukünftige Nobelkarossen  Cappuchini zubereiten können) spielen derzeit eine untergeordnete Rolle bei den Überlegungen der Designer und Entscheider.

Der Gleichgewichtssinn ist  innerhalb des Fahrzeuges auch – sieht man von der der Beschleunigung von Sportfahrzeugen ab – kaum nutzbar.

Der Stellungs- und Bewegungssinn kann durch ergonomische Sitzmöbel und ergonomisches Innenraumdesign angesprochen werden um Verspannungen und Ermüdungserscheinungen zu minimieren und somit die Sicherheit im Straßenverkehr zu erhöhen.

Der Geruchssinn wird von der Industrie immer mehr einbezogen. Ein positiver Einfluss entsteht unter anderem durch die Verwendung hochwertiger Naturstoffe wie edles Holz und gediegenes Leder. Mercedes  Benz setzt hier noch eins drauf. Basierend auf dem sogenannten AIR-BALANCE Paketes kann man das Wohlbefinden  mit Hilfe einer auf Ionisierung basierenden aktiven „Beduftung „ steigern. Olfaktorische Faktoren sind essentiell für die Ausbildung von zukünftigen Alleinstellungsmerkmalen. Immer mehr im Fokus befindet sich  auch die aktive und passive Luftreinhaltung (z.B. durch Pollenfilter) und die Schadstoffkonzentrationsmessung der Innenraumluft, um Allergien und seine negativen Auswirkungen zu vermeiden und die Wachsamkeit des Fahrers zu unterstützen.

Viel wichtiger ist natürlich die Berücksichtigung des Temperatursinns. Die Klimatisierung im Kraftfahrzeug wird immer bedeutender und das Design der Anlagen immer komplexer.  Steigende Kundenwünsche führen zu konstant steigenden  Entwicklungsaufwendungen, nicht nur in der Strömungsmechanik. Neben der Regelung der optimalen Temperatur (mittlerweile mit bis zu vier unterschiedlichen Klimazonen nicht nur bei Premiumfahrzeugen), wird es immer relevanter, unangenehme Luftstromgeschwindigkeiten zu vermeiden. Der VW Phaeton hat hier viel Pionierarbeit mit seiner revolutionären Luftverteilung geleistet.  Auch die Luftfeuchteregelung wird in Zukunft immer bedeutender, nicht nur um eine freie Sicht zu garantieren.   Darüber hinaus kann die Gestaltung  von Oberflächen und die Materialauswahl  maßgeblich die thermische und haptische Wahrnehmung mit beeinflussen. Trotz gleicher Temperatur fühlen sich Oberflächen dadurch oft „gefühlt“ wärmer oder kälter, angenehmer oder unangenehmer an. Der haptische Sinn (oder auch Tastsinn) gehört zu den wichtigsten Möglichkeiten des Menschen die Umwelt wahrzunehmen und mit Mensch und Technik zu interagieren.  Haptische Rückmeldungen sind sehr wichtig, um Ablenkungen (Blick von der Straße)  bei der Bedienung von Eingabeelementen wie z.B. Tasten, Wippen, Rollen, Hebeln, Schiebereglern  und Drehstellern zu vermeiden. Wichtige Voraussetzung hier ist die Form und Lage dieser Bedienkomponenten. Im Unterschied zum Touchdisplay ist es vergleichsweise einfach die Lautstärke im Fahrzeug mittels Drehsteller anzupassen. Die Betätigung bringt  in der Regel ein spürbares Haptikfeedback (z.B. Rasten bei Drehstellern, Snaps bei Schaltern), mit sich, das dem Bediener die erfolgreiche Einstellung bestätigt.

Akustische Reize sind sehr wichtig, um dem Fahrer zu unterhalten (Musik), ihm ein direktes Feedback auf seine Betätigung zu geben oder ihn zu informieren (z.B. über Gefahren, den Zustand des Fahrzeuges oder über die gewählte Route). Der Gehörsinn ist aus diesem Grunde essentiell für eine  optimale Gesamtanmutung des Produktes. Sounddesign schafft dabei Markenbindung. Immer größere Anstrengungen werden unternommen, die Erwartungen – nicht nur der treuen – Kunden zu erfüllen. Die Firma Eberspächer zum Beispiel kann den Sound des Motors durch hitzebeständige Lautsprechersubsysteme in der Auspuffanlage wahre Wunder vollbringen. Neben der Möglichkeit des aktiven Noise Cancellings  (was zu erheblich leiseren Fahrzeugen führt) könnte man auch einem FIAT Cinquecento das Geräuschspektrum eines Ferrari Testarossa von 1984 verpassen (oder umgekehrt). Die Sprachsynthese ist schon lange bei Navigationssystemen Standard, die Spracherkennung funktioniert – trotz eingeschränkter Rechenleistung innerhalb des Fahrzeugs – mittlerweile sehr passabel. Hier sind die Innovationsschritte enorm. Durch die Konnektivität mit dem Internet sind hier immense Ressourcen verwendbar.

Zu den größten Verursachern von Reizüberflutungen gehören die visuellen Reize. Auf Grund des immensen Verkehrsaufkommens nicht nur  in den Industrieländern müssen vom Fahrer enorme Informationsinhalte verarbeitet werden. Das menschliche Gehirn leistet hier erstaunliches. Ziel der Automobilhersteller sollte es daher sein, den Fahrzeuglenker nicht mit unnützen visuellen Informationen zu überlasten. Wichtig sind stimmige Konzepte für die Gestaltung der Bedien- und Anzeigesysteme, bei der Auslegung  der Bilder, Symbole und Piktogramme, der User Interfaces mit der Menüführung  und des Informationsgehaltes.

Die beiden Artikel (Teil 1 Haptik und Akustik, Teil 2 Visualisierung) beschäftigen sich mit der rasanten Veränderung der Mensch – Automobilschnittstelle. Vor allem jüngere Autofahrer der Generation Y (auch Milleniums genannt) verlangen immer mehr die Interfaceerfahrung, die sie jeden Tag mit Smartphones und Tablets erleben. Dies wird sich in der nächsten Generation (vielleicht  GenerationZ oder Pokémon Go?) nicht ändern.  Nichtsdestotrotz unterscheiden sich die Anforderungen  im Automobil teilweise erheblich, zumindest bis selbstfahrende Fahrzeuge zum Alltag gehören. Neben der einfachen Auffindbarkeit von Eingabekomponenten und den harten Umweltanforderungen (-40°C-85°C) besitzen  vor allem die Sicherheitsanforderungen gegenüber Consumersystemen einen erheblich höheren Stellenwert.  Die intuitive und ergonomische Bedienbarkeit und die unaufdringliche Informationsvermittlung (natürlich ohne Werbung) stehen natürlich auch im Focus. Die technischen Innovationen treiben neben den Zulieferern auch die Sondermaschinenbauer zu Höchstleistungen. Trotzdem kann (und soll) die Innovationsrate mit den Fortschritten z.B. von Computerschnittstellen natürlich nicht mithalten.  Die Implementierung neuer Funktionalität geht immer einher mit umfangreichen Tests und Validierungen. Viele Testsysteme, die im Labor gute Ergebnisse liefern, sind für den Einsatz am Bandende ungeeignet, sei es aus Kosten- oder auch aus Performancegründen. Alle großen Automobilhersteller verschärfen die Requirements in ihren Lastenheften und erhöhen somit den Druck auf die gesamte „Nahrungskette“.

Die Bedienphilosophien werden sich weiterentwickeln. Ein modernes und individuell anpassbares Interface ist in Zukunft unerlässlich, will man die Verkaufszahlen stabil halten oder erhöhen. Der ersten Eindruck ist beim Verkauf oft entscheidend. Neben der Silhouette hat die Innenausstattung, der haptisch und visuelle Eindruck eine große Bedeutung. Vor allem die harmonische Abstimmung der Cockpitkomponenten ist essentiell wichtig. Bedienelemente müssen sich gleich anfühlen, ihre Leuchtdichte muss nahezu gleich sein, egal ob als Funktions- oder Auffindbeleuchtung, tags oder nachts, auch wenn Komponenten unterschiedlicher 1st Tier Lieferanten zum Einsatz kommen. Aus diesem Grunde werden die Grenzen vor allem in der Haptik und der Lichttechnik immer enger gesetzt. Für viele Prüfmittellieferanten ist hier oft die Grenze der Leistungsfähigkeit erreicht. Man kann nicht mehr alles selbst entwickeln. Viele Aufgaben werden auch unterschätzt und das entsprechende Lehrgeld  ist oft immens. Mittlerweile gibt es Testkomponenten von der Stange, die die gestiegenen Anforderungen der OEMs – auch in den nächsten Jahren –  gut abdecken können. Durch diese Komponenten ist es möglich sich auf die wesentlichen Details von Test- und Montageanlagen zu konzentrieren.

 

Haptik und Bedienelemente

Das tastende Begreifen, die Wahrnehmung durch aktive Exploration oder auch haptische Wahrnehmung wurde bereits von den antiken Griechen vor weit über 2000 Jahren benannt (ἁπτός haptόs „fühlbar“, ἁπτικός haptikόs „zum Berühren geeignet“)

Der Begriff „Haptik“ geht auf den deutschen Psychologen Max Dessoir zurück, der 1892 empfahl, die wissenschaftliche Lehre über das Tastsinnessystem in Anlehnung an „Akustik“ und „Optik“ zu benennen. (Quelle: Wikipedia).

Spricht man von Haptik bei der Betätigung von Bedienkomponenten im Kraftfahrzeug so ist damit die Oberflächenhaptik und Betätigungshaptik gemeint. Das haptische Feedback wird nicht nur in der Automotiveindustrie auch oft als Force Feedback bezeichnet.

Prinzipell unterscheidet man bei der Haptik im Fahrzeug zwischen translatorischer- (Bewegung aller Elemente einer Komponente in einer Richtung) und rotatorischer Haptik (Bewegung aller Elemente um eine Achse)

 

Translatorische Haptik

Die translatorische Haptik bei Schaltern und Tastern ist neben der rotatorischen Haptik bei Drehstellern und Walzen im Automobil von entscheidender Bedeutung.

Der Trend „weg vom elektromechanischen Schalter“ ist jedoch bei  allen Marken zu beobachten. Das bedeutet jedoch keinesfalls, dass mechanische Schalter im Fahrzeug überflüssig werden. Vor allem bei Betätigungselementen an Sitzen, Türen und Lenkrädern halten sich konventionelle Schalter hartnäckig. In der Branche glaubt man kaum, dass diese Komponenten durch Touchelemente ersetzt werden.  An der Technologie hat sich in den letzten Jahren nicht mehr wirklich Revolutionäres  getan. Sie ist ausgereift und extrem kostengünstig. Weit verbreitet sind Silikonschaltmatten oder auch sogenannte Tact Switches (Schnappscheiben), sowie Kombinationen beider Technologien. Die Technologien kommen bei herkömmlichen Schaltern aber auch bei speziellen Implementierungen wie Balkonwippen zum Einsatz. Bei den Balkonwippen werden zwei Elemente benötigt. Die traditionelle Prüfung der Komponenten ist vergleichsweise einfach. Es wird ein Antrieb (am besten mit Encoder) und ein Kraftaufnehmer  (meist Dehnmessstreifen) benötigt, sowie natürlich die entsprechende Ansteuer- und Auswertesoftware benötigt. Mit DMS basierten Sensoren lassen sich die Kennlinien sehr gut erfassen.

Nachfolgendes Bild zeigt die typische Kennlinie eines Schalters während des Drückens desselben.

Bild: Drehhaptikkennlinie (Drehhaptik.png ; Quelle: Mercedes Benz)

Erfasst werden die Wege, die Kräfte und (falls möglich) der Schaltpunkt. Die Kraft F1 (0 N) stellt den Punkt des Beginns des Kraftanstiegs mit dem Startpunkt s1 (0 µm) dar. Der erste Scheitelpunkt (an der Position s2) besitzt die Kraft F2. Die Position s3 mit der Kraft F3 gibt den Schaltpunkt wieder. Dieser Schaltpunkt ist nur dann genau innerhalb eines End-of-Line-Testsystems bestimmbar, wenn ein digitaler Ausgang hierfür „spendiert“ wird. In der Regel ist das jedoch nicht der Fall. Die Unschärfe bei der Ermittlung des Schaltpunkts mittels Buskommunikation (z.B. CAN oder LIN) im Bandendetestmodus kann, je nach Hard- und Softwareimplementierung und verwendetem Microcontroller auf Grund variabler Latenzzeiten je nach Auslastung relativ groß sein. Die Kraft F4 ergibt sich im nächsten Umkehrpunkt mit dem Weg s4. Das Verhältnis zwischen den Kräften F2 und F4 stellt den sogenannten Snap dar. Der Snap ist beim Drücken des Schalters größer als beim Loslassen.

Die meisten Tastenhaptiktestsysteme kommen mit einem eindimensionalen Sensor aus. Beim Betätigen entstehen jedoch auch Querkräfte, die nur durch einen 3D-Sensor ermittelt werden können. Je nach Betätigungsrichtung sind in vielen Fällen diese Kräfte vernachlässigbar. Oft sind die Taktzeitanforderungen  so hoch, dass eine sequentielle Keyhapticsprüfung nicht möglich ist. In diesen Fällen müssen die DMS-basierten Stränge parallelisiert werden.

Ein großes Problem für die Prüfmittelbauer ist es bei Prüfmittelfähigkeitsnachweisen die Prüflinge verwenden zu müssen, auf Grund fehlender Tastenhaptiknormale. Prüflinge haben den Nachteil, dass der Kraft-/Wegeverlauf sich innerhalb der geforderten 50 Tastenbetätigungen signifikant ändert und somit ein mittlerweile geforderter cgk-Wert von > 2 (6σ) nicht erreichbar ist.

Die SYSTEC GmbH aus Nürnberg hat diesem Umstand Rechnung getragen und ein neuartiges Tastenhaptiknormal (THN16) entwickelt, das eine PMFU mit weitaus höheren cgk-Werten ermöglicht.

Bild: SYSTEC Tastenhaptiknormal THN16   (Tastenhaptiknormal THN16.tif)

Das Tastenhaptiknormal besitzt eine Kraft-/Wegkennlinie, die über Jahre gleich bleibt. Zentrale Element ist eine handelsübliche Schnappscheibe, jedoch in Kombination mit einer ausgeklügelten Mechanik. Wichtig ist nicht die genaue Vorbestimmbarkeit der Kraft-/Wegkennlinie im Vorfeld sondern sondern die Ermittlung derselben mittels rückführbar kalibrierten  Aufnehmern und die geringe Drift der wichtigsten Parameter über die Zeit und die Temperatur.   Eine Kalibrierung ist nur einmal pro Jahr notwendig.

Durch Verwendung spielfreier Festkörpergelenke zur Realisierung der axialen Führung des Stößels gelingt es, die auftretende Reibung zu minimieren und die Wiederholgenauigkeit des Systems zu erhöhen. Zudem wird die Bewegung des Stößels auf die axiale Richtung begrenzt und eine ansonsten steife Lagerung des Stößels gewährleistet.  Ein weiterer Vorteil der axialen Führung besteht in der hohen Toleranz der Normale gegenüber exzentrischer Bestätigung.  Das Normal verfügt über einen integrierten Überlastschutz, welcher Beschädigungen bis zu einer Kraft von 25 N verhindert.

War diese Art der Prüfung (einfache Tastenhaptikprüfung) bis jetzt ausreichend, so gehen die meisten OEMs jetzt immer mehr dazu über dynamische Prüfungen (hohe Tastgeschwindigkeit und Rückmeldung über Beschleunigungen) in Betracht zu ziehen. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf die verwendete Messtechnik. Einfache Messvorrichtungen reichen hier nicht mehr aus.  Man benötigt jetzt Beschleunigungssensorik. Die bisher verfügbaren und auf Piezotechnologie basierten  Sensoren sind für derartige Anforderungen auf Grund der zu großen Masse und somit einer signifikanten Beeinflussung des Messergebnisses wenig geeignet. Eine echte Alternative sind Systeme, die MEMS (MikroElektroMechanischeSensoren) Technologie verwenden. Die Bandbreitenanforderungen (>>20kHz) sind mit den neuesten Sensoren in 3D-Technologie mittlerweile abbildbar.  Es ergeben sich eine Vielzahl von signifikanten Vorteilen. Neben der geringen Masse sind hier der extrem niedrigen Preis (wenige Euro in Einzelstückzahlen), sowie der digitale Ausgang (meist I2C oder SPI) zu nennen. Durch das eingebaute ASIC ist die Länge von der Sensorik zum AD-Wandler minimal. Der Signal-/Rauschabstand (Signal-Noise Ration SNR) ist aus diesem Grunde sehr hoch. Zusätzliche Messwerterfassungshardware ist nicht notwendig. Dies ermöglicht Testmodule mit einem außergewöhnlichen Preis-/Leistungsverhältnis. SYSTEC stellt auf dem Symposium „User Interfaces-Technologien, Komponenten, Fertigung und Test“ am 20. und 21. September“ an der Technischen Hochschule in Ingolstadt Lösungen sowohl für die Messung, als auch für die Kalibrierung und Justage der Messsysteme vor.

Das SYSTEC Force-Feedbackmodul (FFM) ermöglicht gleichzeitig die statische, sowie die dynamische Ermittlung der wichtigsten Tastenhaptikparameter.  Viele Komponenten enthalten über diesen beiden Möglichkeiten zusätzlich noch eine Touchfunktionalität. Damit entstehen eine Reihe  weiterer Optionen bereits bei der Annäherung oder beim leichten Berühren des Tasters. Damit ist es möglich unterschiedliche Transaktionen in Abhängigkeit vom Abstand und der verwendeten Kraft auszulösen.  Das nachfolgende Bild zeigt das Forcefeedbackmodul und den Teilbereich  mit dem MEMS-Sensor Subsystem.

Bild: Force Feedbackmodul mit Tastenhaptikfunktionalität, Antrieb mit Überlastschutz (FFM.png)

 

 

Bild: Force Feedbackmodul mit Tastenhaptikfunktionalität  – Detailansicht (FFM.png)

Das SYSTEC Force Feedback Modul enthält einen Antrieb mit Takt-/Richtungsansteuerung und Überlastschutz. Die integrierte Wägezelle (DMS basiert)  hat eine Messunsicherheit bezogen auf den Messwert von kleiner 1% und ist rückführbar kalibriert. Der Force Feedback Messkopf besitzt eine speziell designte Platine, die die Erfassung von induzierten Vibrationen (I2C) ermöglicht. Die eigens entwickelte Hauptplatine mit integriertem Controller steuert den Motor, überwacht die Sensorik und verarbeitet die Kommunikationsmodule des MEMS Subsystemes. Darüber hinaus übernimmt es die Kommunikation mit dem Hostsystem, auf dem Testsequenzer und Auswertemodule laufen. Die Einheit benötigt lediglich ein RJ45 Ethernetkabel und eine 24V Spannungsversorgung zum Betrieb.  Für die Ansteuerung und den Datentransport steht eine umfangreiche API zur Verfügung.

 

Haptoakustik

Ein nächster Schritt ist die Integration des haptischen- und akustischen Feedbacks in einer Schaltfläche. Vorreiter hier ist die Firma Areus Engineering GmbH aus Herrenberg bei Stuttgart.

Areus Engineering verschiebt die Grenzen der sensorischen Schalter.  Neben den bekannten Vorteilen der neu entwickelten Technologien, nämlich täuschend echte Schaltgefühle und Schaltersounds aus glatten Oberflächen zu produzieren, setzt Areus zukünftig kapazitive Kraftsensoren ein.

Beim ersten Betätigen des Sensortasters stellt sich sofort ein „Wow-Effekt“ ein. Man will es gar nicht glauben, dass die Oberfläche glatt und hart ist, man hat nämlich den Eindruck eine mechanische Taste gedrückt zu haben. Das resultiert alles aus der Kombination einer neuen kraftsensitiven Sensorik mit der mechanischen und akustischen Anregung eines elektrodynamischen Aktors.

Hierbei wird ein neuartiger, kapazitiver Drucksensor verwendet, der bei einer exakt einstellbaren Druckkraft, z.B. 2 N den Schaltvorgang auslöst und gleichzeitig über den Aktor dem Finger einen deutlich fühlbaren Schaltimpuls rückmeldet. Gleichzeitig regt derselbe Aktor die Oberfläche im hörbaren Bereich an und vermittelt einen realistischen Schaltersound. Beim Loslassen werden ebenso haptische und akustische Feedbacks erzeugt, sodass ein echtes „Klick-Klack“ entsteht.

Diese – HAPAK genannte –  Technologie (Haptoakustisches Feedback) unterscheidet drei Sensorikarten:

 

Näherungssensorik

Bei Annäherung an das Bedienfeld reagiert die Sensorik und kann sehr früh durch optische und/oder akustische Effekte Hinweise zur Bedienung geben. Es werden z.B. nur die Tasten beleuchtet, die auch bedient werden können. Zusätzlich kann ein dezentes akustisches Signal oder sogar eine Ansage auf die aktiven Tasten hinweisen.

 

Fühlsensorik

Berührt man die Tasten und streicht mit der Hand über das gesamte Tastenfeld, können die Tasten bereits ein erstes haptisches, also fühlbares Feedback geben. Somit kann man auch „blind“ Tastpunkte erfühlen, die man sonst nur optisch erkennen würde.

 

Auslösesensorik

Hat man nach der Näherung und dem Ertasten der Fühlsensoren die richtige Taste gefunden, kann man durch eine definierte Druckkraft die gewünschte Funktion auslösen und bekommt prompt ein deutlich wahrnehmbares Feedback, sowohl optisch, akustisch und auch haptisch, sogar durch Handschuhe hindurch. Bei einer nicht erwünschten Bedienung kann das Feedback ebenso eindeutig wie intuitiv ausfallen, damit die bedienende Person sofort weiß, dass die Taste nicht bedient werden kann oder darf.

Das SYSTEC Forcefeedbackmodul wird zukünftig in der Lage sein, auch innovative haptoakustische Feedbackmessungen durchzuführen. Hierzu ist die Integration eines MEMS basierten Messmikrofons (SYSTEC) notwendig.

Will man derartige Messsysteme im Testsystem einer Prüfmittelfähigkeitsuntersuchung unterziehen, die zudem noch positiv verlaufen soll, ist es notwendig, zusätzliche Normale zu verwenden. Im Bereich des Luftschalls ist dies relativ einfach möglich. Man benötigt einen hochwertigen Lautsprecher und versorgt diesen mit den in der Prüfanweisung angegebenen Frequenzen. Mit Hilfe eines High End Mikrofons und geeigneter Erfassungs-  und Auswertetechnik kann man hohe cgk-Werte erzielen.

Wichtig ist (vor allem bei komplexen Systemen wie z.B. Rundtakteinheiten), dass Fremdgeräusche (z.B. Außengeräusche der Fertigung oder durch geeignete Maßnahmen wie dämmen so weit wie möglich eliminiert werden um Fehlmessungen zu vermeiden. Bei den Auswertungen werden oft bewertete Terz- oder Oktavanlaysen verwendet.

Viele Geräte im Automobilcockpit verwenden nicht diese Technologie sondern greifen zu traditionellen Lautsprechern. Die Lautsprecher befinden sich häufig auf der Rückseite der Komponenten. Die Prüfung bedingt oft, dass MEMS Mikrofone nahe der Kalotte der Lautsprecher angebracht werden müssen um Störeinflüsse zu minimieren.

Beim Körperschall gestaltet sich das etwas komplizierter.

Auch hier müssen reproduzierbare Referenzschwingungen erzeugt werden, die reproduzierbar sind. SYSTEC entwickelt derzeit ein Forcefeedbacknormal (FFN), das für vergleichende Messungen und natürlich für PMFUs verwendet werden kann. Das Normal besitzt eine Tauchspule mit hohem Wirkungsgrad, die mit einem Präzisionsverstärker und mit einem Signal mit sehr kleinem Klirrfaktor angesteuert wird. Im Gerät befinden sich zwei Referenzsensoren, die einen Vergleich mit dem zu kalibrierenden und zu justierenden Messsystem ermöglichen.

Das nachfolgende Bild zeigt das SYSTEC Forcefeedbacknormal mit der runden aktiven Fläche.  Das SYSTEC Forcefeedbacknormal ist in einem mattschwarz eloxierten und aus Vollaluminium gefrästen Gehäuse untergebracht und kommuniziert mit einem anzuschließenden Rechner wahlweise über USB 2.0 oder über RS232. Es sind nahezu beliebige Kurven abspielbar. Durch die kleine Bauform ist eine Integration in eine Fertigungseinrichtung leicht möglich.

Bild: Force Feedback Normal  (FFN.png)

 

Rotatorische Haptik

Die Veränderung von Eingabewerten wie zum Beispiel Lautstärke bei der Audioanlage oder Zommen beim Navigationssystem geschieht am einfachsten mit rotatorischen Bedienelementen wie Drehstellern oder Drehwalzen. Viele Drehsteller sind ihrer ursprünglichen Bestimmung enteilt und integrieren mittlerweile Funktionen, die noch vor einigen Jahren kaum vorstellbar waren. Mittlerweile sind Dreh-/Drücksteller mit immanentem Touchdisplay möglich. Paradebeispiele sind hier sogenannte zentrale Bedieneinheiten, wie sie nicht nur bei Premiumfahrzeugen zum Einsatz kommen. Die Drückfunktion beschränkt sich bei den neueren Modelle nicht auf den perpendikularen (senkrechten)  Druck, sondern auch auf den seitlichen Druck in bis zu acht Richtungen. Viele 1st Tier Suppliers haben sich mit elektromechanischen Rastnachbildungen mittels Elektromotor beschäftigt, um z.B. geschwindigkeitsabhängig unterschiedliche Rastemulationen  zu ermöglichen. Möglich ist hiermit die Bestimmung der Anzahl der Rasten, die Amplituden und die Steilheiten, sowie die Reibung (Friction) vorzugeben in Abhängigkeit von Bediengeschwindigkeit und -beschleunigung. Dieses Verhalten kann fahrerspezifisch abgespeichert werden.  Dass sich diese Technologie nicht durchsetzt liegt einerseits an den hohen Kosten für die Elektromechanik, andererseits an den Lizenzgebühren, die Patentinhaber wie zum Beispiel Immersion (http://www.immersion.com/legal/patents/ )  verlangen. Das hat dazu geführt, dass sich viele Hersteller besonnen haben und lieber auf bewährte Technologien setzen.

Die kostengünstigste Art eine Drehrast zu erzeugen ist der Spritzguss von runden Geometrien mit nachgebildeten Wellen oder Bergen unter Verwendung von ein oder mehr Federn zur Hervorrufung des mechanischen Drehhaptikfeedbacks.  Bessere Ergebnisse werden mit Drehstellern erzielt, die Kugellager verwenden. Diese Drehsteller sind derzeit Premiumprodukten vorbehalten, könnten aber auch in Zukunft in Midrangefahrzeugen zum Einsatz kommen.

Wichtig für die Anmutung der Drehrast ist die Kennlinie mit den wichtigsten Parametern wie Kurvenform (Steilheit), Anzahl der Rasten, Reibung (entspricht dem Offset der Kennlinie), Amplituden (Peak-Valley) und Homogenität dieser Parameter über eine volle Umdrehung (360°). Im nachfolgenden Bild ist eine Drehrast mit Peaks und Valley, den dazugehörigen Positionen und der parallel stattfindenden Kommunikation (z.B. CAN) angegeben.  Auch hier ist die genaue Bestimmung des Rastpunktes, der eine Veränderung der Einstellung z.B. der Lautstärke beim Autoradio zur Folge hat, nur mit einem Digitalausgang möglich.

Bild:    Drehrast: Drehmoment in Abhängigkeit vom Drehwinkel (Drehhaptik.jpg; Quelle: Mercedes Benz)

Die Messung und Analyse von Drehhaptikkurven ist im Vergleich zur Tastenhaptikprüfung ungleich aufwändiger und kostspieliger.

Es sind viel mehr Randparameter und parasitäre Effekte  zu beachten. Zum Beispiel ist es notwendig, Querkräfte zu minimieren, um den tatsächlichen Verlauf der Drehmoment-/Drehwinkelkennlinie auch tatsächlich realitätsnah wiedergeben zu können. Im Falle des neuen SYSTEC Drehhaptikmoduls DHM 3, das in Ingolstadt im September erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt wird, geschieht dies unter anderem durch eine speziell für die Firma SYSTEC umkonstruierten lagerlosen Drehmomentsensor der Firma Lorenz Messtechnik aus dem schwäbischen Alfdorf, der aufgrund der nicht vorhandenen Lagerstellen keine zusätzlichen Reibmomente in die Messung einbringt. Sobald der der Greifer den Drehsteller gegriffen hat, ist der Messstrang frei von mechanischen Kontakten zum restlichen Modul und kann sich frei drehen. Mehrere Faltenbalgkupplungen sorgen dafür, dass ein gewisses radiales und axiales Spiel zwischen Drehsteller und Drehhaptikmodul keinen negativen Einfluss auf die Messung hat. Es sind dabei Verlagerungen von ±0,5 mm zulässig, was das Einrichten des Moduls erleichtert. Eine zusätzliche, eingemessene, Überlastkupplung, sowie elektronische und softwaretechnische Maßnahmen sorgen für den Schutz des High End Drehmomentsensors.

Durch die lagerlose Konstruktion ist zusammen mit dem mechanischen Aufbau des Drehhaptikmoduls ist eine großzügiger Fluchtungsfehlerausgleich möglich.  Der Aufbau der Messspindel garantiert eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Störlasten (radial und axial).

Nachfolgende  Bilder  zeigen  das von SYSTEC neu entwickelte Drehhaptikmodul DHM3.

Drehhaptikmodul DHM3  ohne Gehäusedeckel  (DHM3offen.png)

Drehhaptikmodul DHM3   (DHM3.png)

Das SYSTEC Drehhaptik-Modul enthält einen Antrieb mit Takt-/Richtungsansteuerung, Harmonic Drive Getriebe mit hoher Übersetzung und mehrfachem Überlastschutz. Der integrierte Drehmomentsensor der Firma  (DMS basiert)  hat eine Messunsicherheit bezogen auf den Messwert von kleiner 1% und ist rückführbar kalibriert. Das Modul besitzt eine speziell designte Platine, die die Erfassung relevanten Parameter ermöglicht. Die eigens entwickelte Hauptplatine mit integriertem Controller steuert den Motor, überwacht die Sensorik und verarbeitet die Kommunikationsmodule des Subsystemes. Darüber hinaus übernimmt es die Kommunikation mit dem Hostsystem, auf dem Testsequenzer und Auswertemodule laufen. Die Einheit benötigt auch hier lediglich ein RJ45 Ethernetkabel und eine 24V Spannungsversorgung zum Betrieb.  Für die Ansteuerung und den Datentransport steht wie bei den anderen eine umfangreiche API zur Verfügung. Alle SYSTEC Module besitzen das gleiche mattschwarze Gehäuse aus matt eloxiertem Aluminium, um Reflexionen in Prüfkammern mit integrierter Lichttechnik und/oder optischer Inspektion inkl. Bildverarbeitung  zu vermeiden. Einer der wichtigsten Komponenten bei der Drehhaptikmessung  ist der Greifer. Die Greifer der Firma SYSTEC sind additiv mittels High End Lasersinteranlagen gefertigt und zeichnen sich durch große Steifigkeit und geringes Gewicht aus.  Das nachfolgende Bild zeigt einen Dreibackengreifer mit langzeitstabilen und abriebfesten Fingerspitzen aus Polyurethan. Der Greifer des Typs DHG 3 stellt eine elementare Komponente des Drehhaptikmoduls dar. Er erzeugt eine drehsteife Verbindung zwischen Messstrang und Drehsteller. Damit das DHM 3 universell einsetzbar ist, müssen verschiedene Durchmesser zuverlässig gegriffen werden können. Dazu verfügt der Greifer DHG 3 über einen Greifbereich von weniger als 15mm bis über 60 mm und deckt damit ca. 98% der am Markt verfügbaren Drehsteller ab. Über zahlreiche Varianten des Greifers lassen sich weitere Anforderungen wie die Greifkraft oder spezielle Drehstelleroberflächen abdecken. Spezielle hochabriebfeste Fingerspitzen erzeugen eine formschlüssige Verbindung zum Drehsteller. In Test wurde die Abriebfestigkeit überprüft, sodass die Greifer nur sehr selten gewechselt werden müssen.

In der Qualifikation müssen hierbei in jeder Richtung über 30.000 Umdrehungen bei blockiertem Drehsteller mit geriffelter Oberfläche absolviert werden. Auch bei solchen „Torturen“ weisen die Fingerspitzen keine relevanten Spuren auf.

Neben der Duchmesservariabilität wird die Eignung für glatte Oberflächen immer wichtiger. Ganz edle Drehsteller haben Keramikoberflächen. Um einen Schlupf hier zu vermeiden ist es notwendig die Spitzen mechanisch anzupassen.

Bild: Dreibackengreifer  (dhg3.png)

Es stehen verschiedenste Greifer mit vorgebbaren Greifkräften für unterschiedliche Prüflingskomponenten zur Verfügung. Selbständig adaptierende Vierbackengreifer für das lagerichtige Greifen und Drehen konischer  Knebel sind Varianten mit vier Fingern, welche die Finger durch eine spezielle Balkenkinematik an die Form des Knebels anpasst und somit auch asymmetrische Knebel greifen kann  gehören ebenso dazu wie Greifer für biegeschlaffe Einzelmodule. Im letzteren Fall werden umfassende Spitzen und niedriger Greifkräfte verwendet.

Bild: Vierbackengreifer  (dhg4.png)

Das Drehhaptikmodul ermöglicht vollständige Qualifizierungen von Drehstellern. Unter anderem ist die genaue Positionierung der Greifer durch Referenzierung möglich. Auch Anschläge sind kein Problem. Mit Hilfe der realtimebasierten Hardware und spezieller Sensorik können Kraftanstiege schnell erkannt und ausgewertet werden. Darüber hinaus sind das Einmessen von Rasten effizient möglich. Das Öffnen und Schließen der Greifer übernimmt ein voll parametrierbarer elektrischer dauerfester und wartungsloser Antriebe, wobei die Greifweite individuell vorwählbar ist. Das Öffnen und Schließen erfolgt weich über eine vorgegebene Kurvenform und führt im Unterschied zu pneumatischen Antrieben zu einer Schonung des lagerlosen Dremomentsensors.

 

Vorteile gegenüber (roboterbasierten) Laborsystemen:

  • Seriensystem (DHM2) mit Einsatzerfahrung bei OEMs, Zulieferern und Blendenherstellern
  • Geringe Messunsicherheit
  • beliebige Winkel möglich
  • Kalibrierung mit verschiedenen Ansätzen möglich (z.B. mittels SYSTEC Drehhaptik Transfernormal)
  • Fluchtungsfehlerausgleich der 5. Generation
  • Extreme Störkraftarmut
  • High-End-Drehmomentsensor der neuesten Generation
  • Selektierte Spezialkupplungen
  • Automatische Qualifizierungen und Validierungen von Drehmomentsensoren
  • nahezu beliebige Geschwindigkeiten machbar (0,001°/sec. bis  5 U/sec.).
  • Verschiedene Labor- und Produktionsmodi möglich
  • Absolut gleichbleibende Geschwindigkeit (quartzgenau)
  • überdimensionierter Antrieb mit Hamonic Drive Getriebe
  • Gleichlaufoptimierte Firmware zur Reduzierung dynamischer Einflüsse
  • hochentwickelte Greifer
  • Online-Analysefunktionen
  • Erweiterte Offline-Analysen
  • Qualifizierungsroutinen
  • 000 oder mehr Einzelmesswerte auf 360 Grad (steigende und fallende Flanken), abhängig vom Getriebefaktor
  • Echtzeitanalyse aller Parameter
  • Erfassung und Zuordnung der CAN/LIN-Triggerpunkte optional (RT/FPGA-System)
  • viele Statistikfunktionen (z.B. 1-3D ANOVAs)
  • Seidenweicher Lauf ohne Ruckeln und ständiges Nachjustieren aller Motionvektoren (neue optimierte SYSTEC -Firmware).
  • Extrem genaue Moment-/Winkelkorrelation durch höchstauflösendem Encoder

 

SYSTEC qualifiziert Drehhaptiken unter anderem nach folgender Vorgehensweise:

  • Einstellen einer Drehzahl (z.B. 10°/Sekunde)
  • 500° fahren (Uhrzeigersinn, parallel Messdaten aufnehmen und analysieren)
  • Stoppen
  • 500° fahren (entg. Uhrzeigersinn, parallel Messdaten aufnehmen und anlays.)
  • Geschwindigkeit um zu definierendes Inkrement erhöhen und Vorgänge bis zu einem festgelegten Grenzwert wiederholen.
  • ANOVA-Analyse und Bewertung der Drehsteller (optional Reportfunktionen)

 

Drehhaptiktransfernormal

Wie bei jedem Prüfsystem ist für das Drehhaptikmodul ein Fähigkeitsnachweis für die jeweilige Prüfaufgabe zu erbringen. Diese Aufgabe ist mit Hilfe des SYSTEC Drehmoment-Transfernormals DTN 38 zu lösen.

Das Drehmoment-Transfernormal DTN 38 ist ein weltweit einzigartiges Normal, das einen langzeitstabilen sinusförmigen Drehmomentverlauf verkörpert. Der Drehmomentverlauf ist durch eine annähernd konstante Amplitudenhöhe und geringes Reibmoment gekennzeichnet. Der sinusförmige Verlauf erleichtert das Interpretieren der Kalibrierergebnisse.

 

Drehmomentverlauf des DTN 38 (Quelle Datenblatt DTN 38)

Der Clou bei der Realisierung des Normals besteht dabei nicht in der Bereitstellung eines konstanten Drehmoments sondern der Erzeugung eines sinusförmigen Reaktionsmoments definierter Amplitude. Das DTN 38 verfügt standardmäßig über 30 Rasten, sogenannte Detents, welche alle gleiche Amplitude und Drehwinkel aufweisen. Ein sinusförmig alternierender Drehmomentverlauf hat den Vorteil, dass das Messsystem sowohl im positiven Zug- als auch im negativen Schubbetrieb analysiert werden kann. Zudem lässt sich das dynamische Verhalten des Gesamtsystems in Abhängigkeit von der gewählten Drehgeschwindigkeit untersuchen. Durch die exakte Sinusform lassen sich systematische Messfehler schon durch das erste Betrachten erkennen.

Das Normal basiert auf der Ausnutzung der Reluktanzkraft und nutzt dazu Seltenerdenmagneten (Kobalt Samarium) mit ausgezeichneter Temperaturstabilität. Durch die hochgenaue Fertigung der reibungsfrei arbeitenden Mechanik kann die Höhe der Drehmomente individuell an die Kalibrieraufgabe in einem Bereich von 10 bis 100 Millinewtonmeter eingestellt werden. Verschiedene Vergleichstests haben gezeigt, dass das Normal über längere Zeitabstände hinweg vergleichbare Drehmomente erzeugt und somit das übliche Kalibrierintervall von einem Jahr auch verlängert werden kann.

Die Kalibrierung oder die Durchführung einer Prüfmittelfähigkeitsanalyse gestaltet sich mit diesem Normal sehr einfach, da es lediglich anstatt eines normalen Drehknopfs vom Drehhaptikmodul gegriffen und gemessen werden muss. Aufgrund der geringen Abmessungen von lediglich 38 mm im Durchmesser und 35,5 mm in der Höhe, ist die Integration in Prüfsysteme ohne großen Aufwand realisierbar.

Das nachfolgend Bild zeigt das Drehhaptiktransfernormal DTN 38 mit zwei verschiedenen Drehknöpfen.

Bild: Drehhaptiktransfernormal DTN 38 (Transfernormal.png)

Der Schwerpunkt im Folgeartikel liegt im Bereich visueller Kommunikation im Fahrzeug, die Techologien, Produkte und die notwendigen Messsysteme für die Zulieferer.

Darüber hinaus werden auch exotischere Themen wie zum Beispiel die Gestenerkennung und die Spracheingabe behandelt.

Auch erfolgt eine Vorstellung von Prüfsystemen, die all den gestiegenen Anforderungen gewachsen sind und sich durch Produktflexibilität und Industrie 4.0 Compliance auszeichnen.

Für die Komponentenlieferanten wird der Entwicklungsaufwand immer größer, bei signifikant verringerter Entwicklungszeit. Auch die Ausgaben für die Fertigungsmittel wachsen stetig. Benötigte man vor 15 Jahren noch recht einfache Testsysteme, so hat sich das im letzten Jahrzehnt grundlegend gewandelt. Jeder noch so kleine Parameter (z.B. Gammakorrektur, Weißabgleich, Flicker, Black Mura, Leuchtdichte, Drehhaptik, etc.) muss eingemessen werden. Viele völlig neuartige Prüfungen kamen hinzu und an der 100% Testabdeckung hat sich – zumindest in der deutschen Automobilindustrie – nichts geändert. Das Ergebnis ist trotzdem, oder auch deswegen, sehr positiv. Neben der gestiegen Sicherheit hat vor allem der Komfort und die Qualität im Kraftfahrzeug erheblich zugelegt.

Auch wenn viele Vorgänge parallelisierbar sind, so ergibt sich doch die Notwendigkeit beim Testen von Komponenten „aufzurüsten“ will man die geforderten Taktzeiten einhalten. Prüfsysteme müssen in der Lage sein sich an veränderte Situationen anzupassen und ggf. sich dynamisch optimierende Teststrategien zu entwickeln.

OEMs, Zulieferer und Sondermaschinenbauer müssen noch intensiver zusammenarbeiten um bessere Gesamtergebnisse zu erzielen und Reibungsverluste zu vermeiden.

 

Bibliographie

[1]          Pichlik H., Jamal R.; LabVIEW: Programmiersprache der vierten Generation / München [i.e. Haar];             London; Mexico [City];           New York; Singapur; Sidney; Toronto:Prentice Hall; ISBN 3-8272-9542-4;             September 1997

[2]       Pichlik H., Jamal R.; LabVIEW: Das Anwenderbuch /.- München [i.e. Haar]; London; Mexico [City];       New York; Singapur; Sidney; Toronto: Prentice Hall;ISBN 3-8272-589-0; Oktober 1999

[3]       Pichlik H., Jamal R.; LabVIEW Applications and Solutions / Upper Saddle River[NJ]; London; Mexico [City];             New York;  Singapur; Sidney; Toronto: Prentice Hall; ISBN 0-13-096423-9; September 1998

[4]       Pichlik H., Postler T., Roboter- und LabVIEW-basiertes Universaltestsystem für KFZ-Bedienkomponenten,             Paper VIP 2010

[5]      Pichlik H., Postler T., LabVIEW-FPGA-gesteuerte Rundtakteinheiten, Paper VIP 2010

[6]      Pichlik H., Die Architektur roboterbasierter haptischer Prüfsysteme und deren Technologien; VDMA             Frankfurt, 4/2008

[7]       Pichlik H., G++ New Directions in Information Technology, NI-Week 2001 Proceedings, Austin TX 8/01

[8]       Herbert Pichlik, High Speed High Resolution Analog / Digital Converter Circuit; Patent 4.999.624  U.S.                         Philips Corporation, New York, N.Y., June 13, 1989

[9]       Roos, T., Entwicklung und Qualifizierung eines LabVIEW-basierten universellen Haptikprüfsystems;                 Masterarbeit TH Nürnberg/ SYSTEC, September 2013

[10]     Leininger M., Entwicklung und Konstruktion eines Drehmoment-Transfernormal für Drehhaptik-            Prüfstände;     Bachelorarbeit Friedrich-Alexander Universität Erlangen/SYSTEC, August 2011

[11]     Leininger M., Eine universelle Plattform für Haptikprüfsysteme; Masterarbeit Technische Universität                         München/SYSTEC, Juli 2014