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 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.Item Open Access Improving the performance of cable-driven parallel robots through control, modeling, and calibration(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Fabritius, Marc; Pott, Andreas (Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil.)Cable-driven parallel robots (CDPRs) are a class of robots offering a unique combination of properties: a large workspace, high dynamics, and high payloads. This enables them to be used in various applications where other types of robots are unsuitable. Unfortunately, the potential of CDPRs is hindered by a gap between their theoretical capabilities and their performance in practice. The models used to describe and control. CDPRs often cannot capture their true behavior, due to errors in their assumptions and structure or inaccuracies in their parameters. This reduces the accuracy of CDPRs and impedes their ability to access their full theoretical workspace in practice. To address these problems, this thesis introduces new control, modeling, and calibration approaches for CDPRs, which are aimed at closing the gap between theory and practice. Two new force control methods are developed, which keep the cable forces feasible and close to a specified level. Experiments on two CDPRs show that they can access a similar workspace as predicted in theory. Compared to a purely kinematic method they achieve a 300 % increase in accessible workspace volume. On dynamic trajectories, the new methods exhibit a similar performance as a state-of-the art model predictive control approach, with 79 % less computational costs. A catenary-pulley model for CDPRs is introduced as the combination of two widely used models, accounting for the cables’ sagging due to their weight and the pulleys that guide them. The model increases the accessible workspace volume of a suitable CDPR by 132.7 % and predicts a 17 % lower platform stiffness than an elastic-pulley model. This highlights the importance of using a suitable model for a given CDPR. A unified framework for CDPR models is developed, which enables their optimization and comparison based on measurement data. It can be used to determine the best CDPR model for a given application in terms of accuracy, computational costs, and available measurement data. The framework’s capabilities are demonstrated on a large-scale CDPR for which eleven different models are compared based on two distinct datasets.Item Open Access Methodik für eine ganzheitliche Testautomatisierung beim Systemtest von automatisierten Fertigungssystemen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Kübler, Karl; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Seit Jahrzehnten wird daran entwickelt und geforscht, den Automatisierungsgrad von Fertigungssystemen zu erhöhen. Im Trend steigender und intelligenterer Automatisierung ergibt sich der Effekt von deutlich mehr softwarebasierten Lösungen. Der höheren Dynamik beim Entwickeln und Nachbessern an der Software steht ein steigender Aufwand zur Qualitätssicherung gegenüber: Komplexere Testabläufe und größere Datenmengen bedeuten einen gestiegenen Testumfang bei gleichzeitig höherer Frequenz an Testdurchführungen. Diese Tendenzen machen eine hohe Testabdeckung und eine hohe Testtiefe mittels manueller Testprozesse unmöglich. In dieser Arbeit wird eine ganzheitliche Testautomatisierung entwickelt, um den Testprozess für Fertigungssysteme zu verbessern. Zielgröße ist die Schnittmenge aus hoher Aussagekraft der Testergebnisse und geringem Aufwand bei der Anwendung der neuen Testmethodik. Anhand zweier Validierungsszenarien werden Verbesserungen zum bisherigen Testprozess ermittelt. Quantitativ verkürzt die Methodik die Zeitdauer bei der Testdurchführung mit einem Testwerkzeug um ca. 45 %. In einem Systemtestszenario wurde der Gesamtaufwand mit Testentwurf und -abschluss um ca. 95 % gesenkt.