07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Reglersynthese für aufgabenraumgesteuerte Industrieroboter(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Halt, Lorenz; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die Motivation der vorliegenden Dissertation ist es, ein performantes sowie roboter- und kinematikneutrales Steuerungsrahmenwerk für roboterbasierte Montage zu schaffen. Dieses Rahmenwerk soll einfach zu programmieren sein und die Möglichkeit aufweisen, Programme zwischen Robotern zu übertragen. Hierfür wurde eine skillbasierte Programmierung mit dem iTaSC Formalismus kombiniert. Darauf aufbauend wurden als Hauptteil dieser Arbeit Reglerstrukturen entwickelt, die sich ohne Zutun des Programmierers eigenständig parametrisieren und sich somit automatisch an den eingesetzten Roboteraufbau anpassen. Für kontaktfreie Bewegungen des Roboters wurde ein modellbasierter Regelungsansatz ausgewählt. Zunächst wird ein lineares Modell angenähert und zur automatischen Synthese einer dynamischen Ausgangsrückführung eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht nahezu zeitoptimales Verhalten unter Berücksichtigung von Stellgrößenbegrenzungen. Für die Kontakt- und Kraftregelung wurde ein modellfreier Ansatz verfolgt. Hierbei wird die Reglerverstärkung basierend auf den aktuellen Regelungsfehler so adaptiert, dass sich ein Regelfehlerverlauf innerhalb vorgegebener Performanzgrenzen ergibt. Die Regelungsansätze wurden einzeln in Simulationen verifiziert, in das iTaSC basierte Rahmenwerk eingefügt und jeweils mit verschiedenen Szenarien und Robotern experimentell erprobt. Es ergeben sich sowohl neue Einblicke in die Verhalten der einzelnen Technologien, als auch in das Zusammenspiel der Komponenten des dargestellten Steuerungsrahmenwerks. Beide Regelungsansätze ermöglichen hohe Regelgüte und große Übertragbarkeit für komplexe Roboterbewegungen bei Montageaufgaben. Die Ansätze benötigen keine manuellen Anpassungen und ermöglichen so die Programmierung durch Prozessexperten ohne tiefere Kenntnisse der Regelungstechnik.Item Open Access Uncertainty PERMEATED - explainable AI in a condition monitoring framework for industrial assets(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Lukas, Martin; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)The first chapter introduces the topic of condition-based maintenance and contextualizes the importance of this technique, especially for critically important, complex and costly systems like machine tools. Condition-based maintenance can be seen as a special case of diagnosis and data analysis. Consequently, the second chapter introduces terms and definitions, which serve as foundation for the following discussion. The third chapter presents the state of research and a detailed review of publications in the context of data-driven diagnostics for condition-based maintenance. Different ideas behind and the purpose of model-based diagnostics, as well as signal-based diagnostics are outlined. Chapter 4 focuses on uncertainty, which is the main challenge in condition-based maintenance. Recommending a maintenance action has potentially costly real-world impacts. It is therefore necessary be aware of the risks of decisions. Uncertainty about the real state of the system seems to be inherent to the task of condition-monitoring. The lack of interpretability and auditability of decisions and the reasons for them are identified as main obstacles for a more widespread adoption of data-driven techniques. Subsequently chapter 5 introduces a diagnostics framework called PERMEATED, which embraces these results and is designed to deal with the existing uncertainties by incorporating them and emphasizing the importance of trust. The application of this framework to a real world application for machine tools is presented. Chapter 6 discusses some existing machine learning approaches for condition-monitoring applications and a applies them to a particular task regarding the dynamic behavior of a machine tool drive axis. Their performance is compared to an alternative, PERMEATED-compatible method, called SLIM. A different approach to satisfy the principles of the PERMEATED diagnostics process is given in the last section of the chapter. Instead of using inherently interpretable machine learning models, this chapter uses so-called explainers to retrieve explanations from opaque machine learning models. Chapter 7 summarizes the results of this thesis with regards to the task of condition monitoring for industrial assets and concludes with the identification of areas, where further research is necessary to make the application of techniques of machine learning more applicable for the task of condition-based maintenance.Item Open Access Automatisiertes Test- und Evaluierungsframework für die Servicerobotik(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Weißhardt, Florian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die erfolgreiche Umsetzung von komplexen Serviceroboteranwendungen ist trotz des Fortschritts bei der Auswahl an verfügbaren Hard- und Softwarekomponenten weiterhin eine Herausforderung. Insbesondere im Bereich der Servicerobotik gibt es eine Vielzahl an Anwendungen, die sich durch dynamische und oftmals unbekannte Randbedingungen auszeichnen und daher eine umfangreiche und komplexe Steuerungssoftware benötigen. Weiterhin zeichnet sich die Servicerobotik durch eine hohe Abhängigkeit der einzelnen Hardware- und Softwarekomponenten aus, sodass die Integration von Komponenten in das Gesamtsystem und insbesondere die Durchführung von einzelnen Komponenten und Systemtests erschwert wird. Bisherige Entwicklungsmethoden, Testframeworks und Werkzeuge zur kontinuierlichen Integration unterstützen den Komponentenentwickler bei der Erstellung und Durchführung von Unittests, jedoch existieren wenige Werkzeuge, die speziell für die Herausforderungen der Servicerobotik umfassende Möglichkeiten zur Unterstützung bei der Systemintegration bieten. In dieser Arbeit wird die Methode des Test-Driven-Development für die Servicerobotik aufgegriffen und um ein Werkzeug zum Testen und Vergleichen von komponentenbasierter Software erweitert, das sich für Integrationstests und Benchmarkingvergleiche nutzen lässt. Dazu wird ein Test- und Evaluierungsframework, das Automated Test Framework (ATF) konzipiert und umgesetzt. Das ATF ist ein einfach in bestehende Anwendungen zu integrierendes Framework, das es ermöglicht Servicerobotik-Anwendungen zu testen und verschiedene Varianten miteinander zu vergleichen. Mithilfe von ATF kann der Aufwand für die Erstellung, Durchführung und Auswertung von Tests deutlich gesenkt werden. Im Rahmen von Anwendungsbeispielen aus verschiedenen Bereichen der Servicerobotik wird der Einsatz von ATF aufgezeigt und dessen Nutzen erfolgreich nachgewiesen und evaluiert. Insbesondere kann in einem Anwendungsbeispiel zu einem Systemtest für die Navigation eine Aufwandsreduktion um den Faktor 10 nachgewiesen werden.Item Open Access OPC UA Tests im Kontext einer Dateninfrastruktur : Aussagekraft von OPC UA Testfällen für die innerbetriebliche Dateninfrastruktur(2023) Heinemann, Tonja; Ajdinović, Samed; Lechler, Armin; Riedel, OliverItem Open Access Wandelbare, echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur für Cyber-Physische Produktionssysteme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2021) Prinz, Frederick; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Heutzutage agieren Unternehmen in einem immer volatileren Umfeld mit einem unmittelbaren Einfluss auf die Produktionssysteme. Um die Wandelbarkeit von zukünftigen Produktionssystemen zu verbessern wird daher eine Automation basierend auf Cyber-Physischen Systemen (CPS) angestrebt. Diese CPS-basierte Automation zeichnet sich durch eine einheitliche, wandelbare und echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur aus. Stand heute existieren verschiedene Lösungsansätze mit unterschiedlichen Technologien zur Etablierung einer echtzeitfähigen Kommunikationsinfrastruktur. Diese Lösungen erfüllen allerdings die Anforderungen an eine zukünftige Kommunikationsinfrastruktur nur teilweise und stellen daher keine ganzheitliche Lösung dar. Insbesondere der Aspekt der Wandelbarkeit mit einer dynamischen Konfiguration von Echtzeitverbindungen zur Laufzeit wird heutzutage nur bedingt unterstützt. Dadurch wird die Vision einer CPS-basierten Automation und die Wandelbarkeit von zukünftigen Produktionssystemen allgemein eingeschränkt. Als Grundlage für eine CPS-basierte Automation wird in dieser Arbeit eine wandelbare, echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur für zukünftige Produktionssysteme vorgestellt. Diese Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht eine deterministische Kommunikation mit geringer Latenz und erfüllt die harten Echtzeitanforderungen in Produktionssystemen. Gleichzeitig wird die dynamische Konfiguration von Echtzeitverbindungen zur Laufzeit ermöglicht. Mit dem Fokus auf einer ganzheitlichen Lösung basiert die vorgestellte Kommunikationsinfrastruktur auf den drei wesentlichen Aspekten: Echtzeitkommunikation, Parametrierung und Netzwerkkonfiguration. Die Echtzeitkommunikation basiert auf der neuen IEEE Technologie Time-Sensitive Networking (TSN, IEEE 802.1). TSN ermöglicht eine einheitliche, herstellerunabhängige Kommunikationsbasis für den echtzeitkritischen und bestmöglichen Datenverkehr im Netzwerk. Dazu werden die erforderlichen TSN Mechanismen in die echtzeitfähigen Assets integriert und in einem TSN SDK (Software Development Kit) zusammengefasst. Zur einheitlichen Parametrierung der Echtzeitkommunikation wird das Konzept der echtzeitfähigen I4.0 Komponente vorgestellt. Das neue Konzept beschreibt ein echtzeitfähiges Asset mit einer sogenannten Verwaltungsschale, d.h. einer virtuellen digitalen Repräsentanz des Assets. Diese Verwaltungsschale spezifiziert die individuellen Fähigkeiten des Assets und beinhaltet zusätzliche Konfigurationsparameter für die Echtzeitkommunikation. Zur automatischen Konfiguration der Echtzeitverbindungen im Netzwerk wird ein zentraler SDN (Software-defined Networking) Controller erweitert. Dieser Controller etabliert dynamische, redundante und komplexe TSN Verbindungen zwischen verschiedenen echtzeitfähigen Assets zur Laufzeit. Dabei werden sowohl die TSN Switches in der Netzwerkinfrastruktur als auch die echtzeitfähigen Assets konfiguriert. Schließlich wird die Machbarkeit der neuen wandelbaren, echtzeitfähigen Kommunikationsinfrastruktur durch eine prototypische Implementierung gezeigt. Darauf aufbauend wird die Performance des neuen TSN SDKs evaluiert und die Integration ins Engineering beschrieben.Item Open Access A process-planning framework for sustainable manufacturing(2021) Reiff, Colin; Buser, Matthias; Betten, Thomas; Onuseit, Volkher; Hoßfeld, Max; Wehner, Daniel; Riedel, OliverProcess planning in manufacturing today focuses on optimizing the conflicting targets of cost, quality, and time. Due to increasing social awareness and subsequent governmental regulation, environmental impact becomes a fourth major aspect. Eventually, sustainability in manufacturing ensures future competitiveness. In this paper, a framework for the planning of sustainable manufacturing is proposed. It is based on the abstraction and generalization of manufacturing resources and part descriptions, which are matched and ranked using a multi-criteria decision analysis method. Manufacturing resources provide values for cost, quality, time and environmental impacts, which multiply with their usage within a manufacturing task for a specific part. The framework is validated with a detailed modeling of a laser machine as a resource revealing benefits and optimization potential of the underlying data model. Finally, the framework is applied to a use case of a flange part with two different manufacturing strategies, i.e., laser metal-wire deposition and conventional milling. The most influential parameters regarding the environmental impacts are the raw material input, the manufacturing energy consumption and the machine production itself. In general, the framework enabled the identification of non-predetermined manufacturing possibilities and the comprehensive comparison of production resources.Item Open Access Parameter identification for fault analysis of permanent magnet synchronous motors based on transient processes(2024) Wu, Chaoqiang; Verl, AlexanderAs the market for hybrid and electric vehicles expands, electric motor production and testing technology must be continuously improved to meet the cost and quality requirements of mass production. In order to detect faults in motors during the production process, a condition monitoring tool is used for the motor end line. During most condition monitoring, the motor operates in a static state where the speed of the motor remains constant and the voltage/current is recorded for a certain period. This process usually takes a long time and requires a loader to drag the motor to a standstill at a constant speed. In this paper, various transient process testing methods are introduced. For these processes, only transient operation of the motor, such as acceleration, loss, or a short circuit, is required. By analyzing the measurement results and simulation results of motor models, unhealthy motors can be detected more effectively.Item Open Access Entwicklung und Analyse nachgiebiger pneumatischer Drehantriebe(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Stoll, Johannes T.; Pott, Andreas (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)Für den Antrieb kollaborativer Knickarmroboter stellen pneumatische Antriebe eine Alternative zu den bewährten elektrischen Antriebseinheiten dar. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst hergeleitet, welche charakteristischen Eigenschaften pneumatische Drehantriebe für den Einsatz in kollaborativen Knickarmrobotern haben sollten (servopneumatisch positionierbar, nachgiebig, endlos drehbar). Nach einem Überblick zum Stand der Technik werden drei mechanische Antriebskonzepte vorgestellt, in denen jeweils ein mechanisches Funktionsprinzip mit geeigneten Aktoren kombiniert wird. Im ersten Antriebskonzept werden pneumatische Faltenbälge in Kombination mit dem mechanischen Funktionsprinzip einer Schubkurbel bzw. Kurbelwelle eingesetzt. Das zweite Antriebskonzept nutzt eine Taumelscheibe, um die Zugkraft pneumatischer Muskeln zu wandeln und eine endlose Drehung der Welle zu bewirken. Neu entwickelte Aktoren aus Feuerwehrschlauch - die sogenannten Fire-Hose-Actuators - kommen im dritten Antriebskonzept zum Einsatz. Die Aktoren üben darin eine Druckkraft auf den exzentrischen Teil der Antriebswelle aus. Es wird erneut das Funktionsprinzip einer Schubkurbel genutzt. In der Modellbildung wird ein allgemeines, parametrierbares Modell für den Länge-Druck-Kraft-Zusammenhang der Aktoren präsentiert und für alle Drehantriebe ein Modell des statischen Drehmoments hergeleitet. Darüber hinaus wird eine Theorie entwickelt, die für endlos drehbare Antriebe bereits in der Entwurfsphase eine grobe Abschätzung des maximal kontinuierlich verfügbaren Drehmoments anhand weniger Eingangsparameter liefert. In der Evaluation wird die statische Drehmomentverteilung aller Drehantriebe gemessen. Alle Drehantriebe sind endlos drehbar und verfügen über eine einstellbare Steifigkeit. Das maximal kontinuierlich verfügbare Drehmoment der Antriebe kann mit 4,3 Nm, 17,6 Nm und 63,1 Nm angegeben werden. Eine servopneumatische Positionierung ist mit allen Drehantrieben möglich.Item Open Access Towards a universal manufacturing node: requirements for a versatile, laser-based machine tool for highly adaptable manufacturing(2022) Jarwitz, Michael; Traunecker, David; Arnim, Christian von; Müller, Niklas; Kramer, SteffenThe current trend in the context of Industry 4.0 towards small batch sizes and increasing product variety results in ever-changing requirements for both, the products and the production. This requires highly versatile, fully and easily adaptable, and efficient manufacturing environments that can meet these demands, ideally already on the level of the machine tool. Because of its versatility, the laser is a promising tool for such a machine tool, but there is still a considerable need for research in the field of system technology. We consider the requirements for a versatile, laser-based machine tool for highly adaptable manufacturing, that utilizes the combination of laser-based manufacturing processes on one machine. The focus of the considerations lies on remote processes and the processing of metals. Five key research topics for the development of such a universal laser manufacturing node are identified: highly dynamic and precise kinematics (1); ‘on-the-fly’ reconfigurable, distributed control architectures (2); adaptable process diagnostics for online quality monitoring (3); technological interactions in laser-based process chains (4); and models for a fast estimation of the process parameters for each production step (5). The relevance and current needs for research for each topic are discussed and corresponding solution concepts are proposed.Item Open Access Entwicklung kompakter Antriebsmodule mit gefederten, unbegrenzt drehbaren, gelenkten Standardrädern für den Einsatz in omnidirektionalen Roboterplattformen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Jacobs, Theo Thomas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Für mobile Roboter, die sich in für Menschen gemachten Umgebungen bewegen, um diese zu unterstützen und durch die Übernahme von Arbeitsaufgaben zu entlasten, sind omnidirektionale Fahrwerke mit ihrer hohen Beweglichkeit von großem Vorteil. Allerdings sind nur Fahrwerke mit gelenkten Rädern in der Lage, sich sicher auf unebenen Untergründen zu bewegen. Derzeitige Fahrwerke mit gelenkten Rädern sind jedoch häufig nicht im Bauraum optimiert. Zudem fehlen in der Regel eine Federung und die Möglichkeit, das Rad unbegrenzt um die Lenkachse drehen zu können. Dies sind zwei wichtige Voraussetzungen, um dynamische Fahrmanöver auszuführen und die Herausforderungen der Einsatzumgebungen zu meistern. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Untersuchung, welche konstruktiven Teillösungen für die Gestaltung besonders kompakter Fahrwerke mit gelenkten Standardrädern geeignet sind. Zielsysteme waren mobile Roboter mit einem Gesamtgewicht zwischen 150 kg und 300 kg, die beispielsweise mit einem Roboterarm für Manipulationsaufgaben ausgestattet sein können. Weiterhin bestand das Ziel dieser Arbeit in der Entwicklung mehrerer Antriebsmodulprototypen und deren anschließender Evaluierung. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst der Stand der Technik betrachtet, eine Anforderungsanalyse durchgeführt und die Anforderungen quantifiziert und kategorisiert. Anschließend wurden Lösungsprinzipien für alle relevanten Teilkomponenten eines Antriebsmoduls identifiziert und diskutiert. Darauf aufbauend wurden zwei Lösungskonzepte gebildet, jeweils eine für die Konstruktion eines Antriebsmoduls mit einem Rad und eines Antriebsmoduls mit zwei Rädern. Eine Evaluierung aller Anforderungen, die zu diesem Zeitpunkt bereits bewertet werden konnten, zeigte, dass die beiden Konstruktionen alle Muss-Anforderungen und die überwiegende Mehrzahl der Wunsch-Anforderungen erfüllen. Zudem fielen die beiden Antriebsmodule sowohl in der Bauhöhe als auch im Durchmesser deutlich kompakter aus, als vergleichbare Konstruktionen aus dem Stand der Technik. Die zwei Antriebsmodule wurden schließlich gefertigt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Anschließend erfolgte eine Prüfung der Funktionstauglichkeit und die Evaluierung hinsichtlich der verbleibenden Forderungen und Wünsche in praktischen Tests. Auch hier konnten nahezu alle Anforderungen vollständig erfüllt werden und somit die Tauglichkeit der entwickelten Antriebsmodule für den praktischen Einsatz nachgewiesen werden. Ein Vergleich der beiden Konzepte zeigte dabei, dass diese jeweils unterschiedliche Stärken und Schwächen haben, so dass je nach Einsatzgebiet entweder die eine oder die andere Variante bevorzugt werden sollte.