07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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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 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 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 Framework for holistic online optimization of milling machine conditions to enhance machine efficiency and sustainability(2024) Bott, Alexander; Anderlik, Simon; Ströbel, Robin; Fleischer, Jürgen; Worthmann, AndreasThis study addresses the challenge of the optimization of milling in industrial production, focusing on developing and applying a novel framework for optimising manufacturing processes. Recognising a gap in current methods, the research primarily targets the underutilisation of advanced data analysis and machine learning techniques in industrial settings. The proposed framework integrates these technologies to refine machining parameters more effectively than conventional approaches. The research method involved the development of the framework for the realisation and analysis of measurement data from milling machines, focusing on six machine parts and employing a machine learning system for optimization and evaluation. The developed and realised framework in the form of a software demonstrator showed its applicability in different experiments. This research enables easy deployment of data-driven techniques for sustainable industrial practices, highlighting the potential of this framework for transforming manufacturing processes.Item Open Access Ontologiebasiertes Rahmenwerk für die Grobplanung von Montagesystemen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Lentes, Joachim; Riedel, Oliver (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die Dynamisierung der Märkte und der Trend zur Produktindividualisierung führen zu steigenden Anforderungen an die Planung von Produktionssystemen: Komplexere Produktionssysteme müssen in kürzeren Zeiten geplant werden. Den steigenden Anforderungen stehen Defizite in der Planungsunterstützung gegenüber. Typische Planungsunterstützungssysteme bieten kaum inhaltliche Unterstützung. Darüber hinaus unterstützen sie die integrierte Betrachtung von Anforderungen an Produktionssysteme nicht. Zudem ermöglichen sie meist nur in der Systemwelt des jeweiligen Softwareherstellers durchgängige Informationsflüsse. In dieser Arbeit wird ein Rahmenwerk für die Grobplanung von Montagesystemen entwickelt. Es besteht aus einem Planungsansatz als methodischem Anteil, einer Ontologie als explizitem semantischem Datenmodell und einer Architektur aus Funktionsbausteinen. Unterstützungssysteme auf der Grundlage des Rahmenwerks sind ohne Kenntnisse semantischer Technologien anwendbar. Das in dieser Arbeit entwickelte Rahmenwerk und eine darauf basierende prototypische Realisierung eines Unterstützungssystems werden anhand eines Fallbeispiels aus der Flugzeugendmontage erprobt und diskutiert.Item Open Access Energy efficiency in ROS communication : a comparison across programming languages and workloads(2025) Albonico, Michel; Cannizza, Manuela Bechara; Wortmann, AndreasIntroduction: The Robot Operating System (ROS) is a widely used framework for robotic software development, providing robust client libraries for both C++ and Python. These languages, with their differing levels of abstraction, exhibit distinct resource usage patterns, including power and energy consumption–an increasingly critical quality metric in robotics.
Methods: In this study, we evaluate the energy efficiency of ROS two nodes implemented in C++ and Python, focusing on the primary ROS communication paradigms: topics, services, and actions. Through a series of empirical experiments, with programming language, message interval, and number of clients as independent variables, we analyze the impact on energy efficiency across implementations of the three paradigms.
Results: Our data analysis demonstrates that Python consistently demands more computational resources, leading to higher power consumption compared to C++. Furthermore, we find that message frequency is a highly influential factor, while the number of clients has a more variable and less significant effect on resource usage, despite revealing unexpected architectural behaviors of underlying programming and communication layers.Item Open Access Verbesserung der dynamischen Bahngenauigkeit kaskadiert geregelter Knickarmroboter durch semiaktive Gelenkdämpfung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2025) Neubauer, Michael; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die dynamische Bahngenauigkeit von Industrierobotern steht seit Jahrzehnten im Fokus kontinuierlicher Entwicklungsaktivitäten. Einen wesentlichen Einfluss haben die elastischen Antriebsstränge, deren gekoppelte Dynamik aus Antriebsregelung und Getriebemechanik zu genauigkeitsmindernden Schleppfehlern führt. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist die semiaktive Dämpfung, die durch selektive Bremseingriffe eines Zusatzaktuators die Getriebemechanik dämpft. Daraus resultiert ein robusteres Regelstreckenverhalten, das eine performantere Auslegung der Antriebsregelung ermöglicht, wodurch die dynamische Bahngenauigkeit steigt. Diese Arbeit untersucht die Eignung der semiaktiven Dämpfung für kaskadiert geregelte Knickarmroboter. Dazu wird eine hochdynamische Scheibenbremse entwickelt und ein Regelgesetz zur bedarfsgerechten Ansteuerung eingeführt. Zur Regelungsparametrierung werden aus einem H∞-Entwurf inbetriebnahmegerechte Einstellregeln abgeleitet. Trajektorienfolge- und Fräsversuche belegen die Wirksamkeit der entwickelten Gesamtlösung. Abschließend werden Potenziale und Grenzen diskutiert, mit dem Fazit einer breiten Einsetzbarkeit in unterschiedlichen Anwendungen.Item Open Access Process-integrated computerized numerical control : an analysis on process-machine coupling and feed scheduling(2024) Elser, Anja; Lechler, Armin; Verl, AlexanderComputerized numerical controls (CNCs) have been invented for the automation of industrial processes. They are used, when the process to be automated is required to be exact and fast with repeatable quality. Originally, the use of CNCs was primarily focused on milling and drilling processes. Today, CNCs are utilized in a wide range of industrial processes due to the growing importance of automation. However, the integration of process information or adaptation to the needs of these processes to achieve advanced manufacturing with CNCs is difficult: Industrial CNCs are rather closed real-time machining systems. Today, process integration is possible, when the interaction between the process and the machine is decoupled in view of the bandwidth of machine dynamics and process dynamics. There are interfaces that allow for process-motivated control loops that are realized on top of the machine control loop (e.g. chatter control). Then, machine-integrated real-time control is not the focus. Besides, it is often possible to change desired values inside the control loop (position, velocity, acceleration) on an axes basis. In this case, adaptation to the process can be realized in each computation cycle. However, process dynamics and machine axes dynamics are generally treated separately. The same holds for extra actuators (e.g., in the spindle) for position control. This paper has two goals. First, it wants to create an understanding for different levels of process-machine coupling. Second, the problem of direct coupling of process dynamics and machine dynamics is focused. Machining systems design propositions as well as some examples for the coupling of process and machine dynamics in the CNC are given.Item Open Access Entwurf einer verteilten Cloud Manufacturing Plattformarchitektur(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2024) Ellwein, Carsten; Riedel, Oliver (Prof. Dr.-Ing.)Cloud Manufacturing überträgt bekannte Konzepte des Cloud Computings auf die fertigende Industrie. Fertigungs ressourcen unterschiedlicher Anbieter werden als Services über eine zentralisierte, webbasierte Plattform verwaltet und angeboten. Durch webbasierte Ressourcenverwaltung und -beauftragung entsteht ein Bruch in der Datenverarbeitung und Redundanz in der Datenhaltung. Die vorliegende Arbeit greift dieses Defizit auf und präsentiert ein verteiltes Architekturkonzept für das Cloud Manufacturing. Der Architekturentwurf basiert auf einer Peer-to-Peer-Architektur mit hybrider Topologie. Die Integration in den Office-Floor erfolgt in den Produktionsplanungs- und Steuerungsbaustein vorhandener Systeme.