07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Automatische Applikation modellbasierter Diesel-Luftsystem-Funktionen in Motorsteuergeräten(2020) Xie, Yijiang; Kistner, Arnold (Prof. Dr.-Ing.)The continuous development of diesel engines for meeting the legal and functional requirements, e.g. reducing emissions and fuel consumption while taking drivability into account, has led to a significant increase in the number of sensors and actuators required for the engine. For the diesel-air system it means to introduce a turbocharger, a system for exhaust gas recirculation (EGR), an exhaust gas aftertreatment system, a variable valve control, etc. In order to control such an increasingly complex system in diesel engines, ECU-functions are developed by means of a model-based approach. The success of a model-based development methodology is based on a precise and e cient modeling of the relevant engine behavior. Because of the limited computing power of an ECU, a combination of physical models and so-called calibration parameters is usually preferred for engine modeling. The calibration parameters can be scalar or one or two-dimensional empirical models and usual ly have to be determined (calibrated) by experiments on an engine test bench. Typical examples for such calibration parameters are lookup-tables for modeling the cylinder charge (volumetric e ciency) and the e ective area of the EGR valve. In this thesis a procedure is proposed which is able to calibrate the ECU functions for stationary relationships, e.g. in the diesel-air system, automatically and with as little measurement e ort as possible in terms of the number of measurement points. The algorithm runs within the framework of sequential experimental planning, in which Gaussian models with non-stationary covariance functions are used to approximate the relations of interest. For adaptive experimental planning an active sampling strategy is developed based on the concept of mutual information and optimal system inputs (engine speed, fuel quantity, air actuators, etc.) and which determines the resulting operating points, with respect to the input space coverage, the inhomogeneous properties of the relations, the uncertainty of the estimated calibration parameters and the feasibility of the operating points. The method is able to predict the stationary engine behavior, which results from the selected system inputs, by means of the physical structure of the air system and the data-based models of the calibration parameters. On this basis the uncertainties of the application parameters are estimated using extended Kalman filters. The feasibility of the operating point is checked by comparing the predicted system behavior with the engine limits. For validation the developed algorithm was implemented on an engine test bench to calibrate the air system of a diesel engine equipped with high and low pressure EGR, a variable geometry turbocharger and variable valve timing. As a result, using the presented approach, using as little as approx. 130 measurement points is enough to obtain a comparable application quality to that achieved by conventional methods with more than 800 measurement points.Item Open Access Genauigkeitssteigerung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern durch Fehlerkompensation mit 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik(2011) Puzik, Arnold; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel eine Lösung zu zeigen, welche allgemeingültig den Fehler eines Industrieroboters kompensiert. Diese Lösung soll sowohl die Kompensation des statischen Fehlers als auch des Bahnfehlers von Robotern ermöglichen, so dass eine genaue Bearbeitung bei dynamischen Prozessen, wie dem Fräsen, möglich wird. Hierzu wird ein Bearbeitungskonzept vorgeschlagen, welches darauf beruht, dass der Roboter das Bauteil handhabt und die Werkzeugspindel auf einer schnellen Ausgleichskinematik befestigt ist, und so mit Hilfe eines Messsystems den gemessenen Positionsfehler des Roboters ausgleichen kann. Gegenüber bisherigen Ansätzen, welche den Roboter steifer machen, soll durch den Einsatz einer aktiven und schnellen Ausgleichsaktorik auf Basis von Piezo-Aktoren der Fehler des Roboters in allen drei Raumrichtungen ausgeglichen werden. Hierzu wird während des Bearbeitungsprozesses der Fehler des Roboters kontinuierlich gemessen und der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik als Führungsgröße übergeben, auf welcher die Bearbeitungsspindel mit dem Werkzeug befestigt ist. Die Entwicklung der schnellen Ausgleichskinematik – der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik – stand dabei im Vordergrund. In dieser Dissertation wird die methodische und systematische Realisierung dieser Kinematik gezeigt. Die gefertigte Kinematik wird hierzu aufgebaut, in Betrieb genommen und anhand von gemessenen Fräswerkstücken aus Aluminium wird das Konzept erfolgreich validiert.Item Open Access Untersuchungen zu flüssigkeitsbasierten, kapazitiven Neigungswinkelsensoren(2022) Schwenck, Adrian; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)Bei der Neigungswinkelmessung wird die relative Lage von Objekten zum Erdschwerfeld bestimmt. Stand der Technik im Bereich der Konsumgüter, der Industrietechnik, der Messtechnik oder der Fahrzeugtechnik sind vor allem Sensoren auf Basis von Beschleunigungssensoren. Diese werden hauptsächlich als Mikrosysteme (MEMS) ausgeführt und mittels mikrotechnischer Verfahren hergestellt. Die Neigungswinkelmessung, erfolgt dabei anhand einer Messung der Projektion der Erdbeschleunigung auf die sensitive Achse oder Achsen. Der in dieser Arbeit vorgestellte flüssigkeitsbasierte, kapazitive Sensor soll eine Alternative zu den MEMS-Beschleunigungssensoren bieten. Aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit mittels Standard-Surface-Mount-Technology (SMT) kann er durch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auf meist vorhandener Anlagentechnik produziert werden. Die MEMS-Fertigung hat den Vorteil der kostengünstigen Massenfertigung im Batch. Dafür sind jedoch technologisch anspruchsvolle Reinraumprozesse notwendig, die nur bei großen und darauf spezialisierten Unternehmen zu finden sind. Die Arbeit stellt zuerst den Stand der Technik der Neigungs- und Beschleunigungsmessung sowie der Molded Interconnect Device (MID) Technologie vor und beschriebt dann das Sensorprinzip der flüssigkeitsbasierten +/-90° und 360° Neigungswinkelmessung. Dieses basiert darauf, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft immer horizontal ausrichtet. Der Sensor verwendet eine dielektrische Flüssigkeit in einer teilweise gefüllten Kavität und bestimmt kapazitiv seine Lage zur Flüssigkeitsoberfläche. Zur Sensorauslegung werden ein analytisches Modell sowie eine Monte-Carlo-Simulation verwendet. Danach werden die Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) zur Herstellung der Sensoren beschrieben. Es kommen dabei zwei Varianten für die Ausformung der Kavität für das Fluid zum Einsatz. Eine Sensorvariante nutzt die die MID-Technik. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Standard-Leiterplatten, welche gestapelt und verlötet werden. Anschließend wurden die grundlegenden Sensoreigenschaften von drei Sensorvarianten charakterisiert. Dazu wurden Kennlinien der Sensoren bei Raumtemperatur aufgenommen und daraus eine Kalibrationsvorschrift für die Winkelberechnung abgeleitet. Da Neigungswinkelsensoren eine Sensitivität auf Neigungen quer zur Messachse haben können, wurden Messungen mit unterschiedlichen Querneigungen durchgeführt. Zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften wurde die Abklingzeit der Sensoren bestimmt. Da der Sensor einen systematischen Einfluss der Temperatur auf die Steigung der Sensorkennlinie zeigt, wurde dieser gemessen und Möglichkeiten zur Kompensation untersucht. Temperaturschocktests zur beschleunigten Alterung schließen die Charakterisierungen der Sensoren ab. Abschließend diskutiert die Arbeit die Monte-Carlo-Simulation, die Temperaturkompensation und die Ergebnisse des Benchmarks. Ein Vergleich einer Monte-Carlo-Simulation mit einem analytisch berechenbaren Fall zeigt die grundsätzliche Eignung der Simulation zur Beschreibung des Sensorverhaltens. Die Ergebnisse der Simulation für verschiedene Temperaturen wurden drüber hinaus mit Messungen von Sensoren und einem rechnerischen Ansatz zur Temperaturkompensation verglichen. Dabei zeigte sich ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung von Simulation und Messung. Mithilfe der mathematischen Temperaturkompensation konnte der systematische Temperaturfehler weitgehend korrigiert werden. Bei der Diskussion des Benchmarks werden die wichtigsten technischen Eigenschaften der Sensoren, Allan-Deviation, Temperaturstabilität und Nichtwiederholbarkeit verglichen. Dabei zeigten die flüssigkeitsbasierten Sensoren eine im Zielmarkt wettbewerbsfähige Performance, vor allem für Anwendungen, welche ein geringes Rauschen, eine gute Bias-Stabilität sowie eine geringe Hysterese des Sensorsignales benötigen.Item Open Access Entwicklung einer Methode der Displaybeleuchtung zur Unterstützung des menschlichen zirkadianen Systems(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Proß, Achim; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)LED-Displays mit hohem Blaulichtanteil wirken nachweislich negativ auf den Tag-Nacht-Rhythmus. Diese Dissertation behandelt die kombinierte Fragestellung, wie spektrale Veränderungen der Displaybeleuchtung die nicht-visuelle Lichtwirkung und die Farbwahrnehmung des Menschen beeinflussen. Es wird eine Methode zur Displaybeleuchtung durch Verschiebung der Peak-Wellenlängen entwickelt, prototypisch realisiert und in zwei Probandenstudien evaluiert.Item Open Access Position sensor and control system for micro hydraulic drives in surgical instruments(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Comella, Laura; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)This work is focused on the research and development of a sensor that permits the control of the movement of a hydraulically driven laparoscopic instrument tip and opens the way towards a new interpretation of surgical instruments. In the new vision the instrument is able to execute automatically preprogrammed tasks, without the constant involvement of the surgeon in the instrument control. After an analysis on the state of the art for laparoscopic instruments and a revision of the relevant literature on sensors for displacement measurement, the coaxial cylindrical capacitive method was identified as the most suitable solution for the application analyzed. This sensor configuration can be integrated directly into the hydraulic cylinder without the need of additional parts. The feasibility of the coaxial cylindrical capacitive sensor is theoretically analyzed, validated with FEA simulation and then characterized experimentally. Relevant is the fact that the tests are run with two different hydraulic cylinders, a mini hydraulic and a micro hydraulic cylinder, to demonstrate the scalability of the sensor and its adaptability to instruments of different size. The experimental results match the simulations and confirm the sensor´s behavior also on experimental level. The sensor is than integrated in a closed loop system to test its suitability for controlling the position of the instrument tip in a scenario as close as possible to the real one. For this reason, a hydraulic drive, which permits the movement of the instrument tip, is designed. The full hydraulic drive system is modeled and this model is used to design a feedback control. The designed controller is initially proven through simulation. Afterwards it is tested with experiments proving the correspondence between simulated and real world behavior of the system.Item Open Access Automatisierte Messablauferzeugung und 3D-Datenauswertung in der Multisensor-Koordinatenmesstechnik(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Effenberger, Ira; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In der industriellen Fertigung gewinnt die vollständige Erfassung und Prüfung der Geometrie von komplexen Bauteilen oder Baugruppen zunehmend an Bedeutung. Die gewonnenen Daten bilden im Rahmen der Entwicklung die Grundlage für komplexe Simulationen auf Basis der realen Werkstückgeometrie, im Bereich der Qualitätssicherung sind sie die Grundlage für die Optimierung der Herstellungsprozesse und Sicherstellung der Produktqualität. Seit einigen Jahren sind dafür Multisensor-Koordinatenmessgeräte etabliert, die durch den flexiblen Einsatz unterschiedlichster Sensoren die Möglichkeit bieten, verschiedene Bereiche am Werkstück jeweils anforderungsgerecht und effizient zu erfassen. Die effiziente Anwendung solcher Multisensor-Systeme setzt aufgrund ihrer Komplexität allerdings ausgeprägtes Vorwissen und Erfahrung des Anwenders voraus. In dieser Arbeit werden Verfahren zur automatisierten, geometriebasierten Messablauferzeugung und 3D-Datenauswertung für Multisensor-Koordinatenmessgeräte vorgestellt, die eine intelligente Unterstützung des Anwenders ermöglichen. Zunächst werden, ausgehend von den ermittelten Defiziten der aktuell verfügbaren Systeme, Anforderungen an die zu entwickelnden Verfahren formuliert und ein geeignetes, modulares Softwarekonzept abgeleitet. Neben Algorithmen zur Aufbereitung von CAD-Modellen liegt der Fokus der Arbeiten auf automatisierten Verfahren zur Berechnung von Sollpunkten auf CAD-Modellen, die eine Datenerfassung mit unterschiedlichen Sensoren erlauben. Hierbei muss auch die Sensorpositionierung berücksichtigt werden, mögliche Kollisionen erkannt sowie Strategien zur automatischen Umfahrung bereitgestellt werden. Darüber hinaus werden intelligente Verfahren zur Auswertung der Messpunkte vorgestellt, wobei ein besonderes Augenmerk auf große Messpunktwolken, die beispielsweise bei Anwendung der Computertomographie entstehen, gelegt wird. Abschließend wird die Funktionalität der umgesetzten Verfahren in Anwendungstests zur kombinierten Messung mit mehreren Sensoren und zur automatisierten Ausrichtung von CAD-Modell und Messpunktwolke gezeigt und die erzielten Ergebnisse ausgeführt.Item Open Access A method for the assembly of microelectronic packages using microwave curing(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Adamietz, Raphael; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Advanced electronic packaging continues to gain prevalence, driven by the continuous trend for miniaturization with concurrent functional integration. Processes in use today are typically efficient for mass production, but are not suitable for the purposes of low volume and prototype production. Adhesive bonding circumvents the elaborate tooling typical for mass production and provides a higher degree of flexibility. Disadvantages lie in long curing cycle times and high handling effort. To overcome these problems, a novel method for the assembly of electronic packages is proposed, one that improves the performance and efficiency of the assembly processes and reduces the handling effort between the separate process steps by integration of assembly and curing process equipment into a single machine. An analysis of the field of electronic packaging with particular respect to adhesive curing processes is performed. Then the relevant state-of-the-art is reviewed and the need of a novel method is identified. The conception and realization of a microwave curing system, based on an open-ended waveguide resonator are carried out. Different concepts for the control of the curing process are described. A machine integrating the curing system and the assembly process equipment is designed and prototypically realized. This is followed by extensive evaluation and testing of the novel method. In the course of the evaluation a representative flip-chip assembly is realized. In order to assess the influence on reliability, a series of temperature cycling tests is performed. Additionally, stress-measurement dies are packaged and the influence of the proposed method onto residual stresses is studied. The influence of the proposed method on throughput and assembly efficiency is investigated. The proposed method provides reduction of curing cycle times for three different adhesive materials and therewith an increase of the overall throughput. By reduction of handling effort, the overall process efficiency could be improved. Furthermore, by microwave curing with the proposed method, a higher reliability of the resulting electronic packages can be achieved. The experiments with the stress chips reveal lower residual stresses in the microwave-heated chips compared to convection heating.Item Open Access Adaptive Segmentierung von Tiefenbildern für die 3-D-Objektlageerkennung auf Basis von kombinierten regelgeometrischen Elementen(2011) Stotz, Martin; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Ein großes Hemmnis für automatisierte Entnahme ungeordneter Werkstücke direkt aus Behältern eine ist die aufwändige Konfiguration der zur Lagebestimmung notwendigen Objekterkennungsverfahren. Ein Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer für die nachfolgende Lagebestimmung optimalen, selbstadaptiven Segmentierung von Tiefenbildern. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung von Verfahren zur Lagebestimmung von Objekten, die aus mehreren regelgeometrischen Elementen auf einer Achse aufgebaut sind. Die in dieser Arbeit entwickelte selbstadaptive Segmentierung basiert auf einem Optimierungsverfahren. Dazu wird der Ansatz der Evolutionsstrategie erweitert, um neben den klassisch behandelten reellwertigen Parametern auch allgemeine Parameter sowie den gesamten Programmablauf optimieren zu können. Zur Fitnessbewertung wird eine neue Vorgehensweise in der Tiefenbildverarbeitung umgesetzt. Die Bewertung der von der Segmentierung gelieferten Bereiche wird dabei anhand ihrer Eignung für die Objekterkennung durchgeführt. Durch diese 3-D-Fitnessbewertung sind vom Anwender nur noch die Geometriedaten des zu erkennenden Objekts vorzugeben. Das entwickelte Verfahren zur Einpassung kombinierter regelgeometrischer Elemente vermeidet numerisch ungünstige Randbedienungen, indem anstatt der verknüpften Positionsparameter der Einzelelemente nur genau eine Position verwendet wird und die Kombination der Einzelelemente über Formparameter des kombinierten Elements beschreiben werden. Mit dem Verfahren zur automatischen Konfiguration wurden vor allem Versuche zur Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Ausgangsdaten durchgeführt, wobei sich die 3-D-Fitnessbewertung als sehr gut erwies. Die Leistungsfähigkeit der Einpassverfahren für kombinierte Elemente wurde in Anlehnung an Testverfahren aus der Koordinatenmesstechnik untersucht. Das vorgeschlagene Objekterkennungssystem wurde an Demonstratoren getestet und konnte eine praxistaugliche Leistung erreichen.Item Open Access Entwicklung eines verteilten Energiemanagementsystems(2015) Brix, Jonathan; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Traktionsbatterien bestimmen durch ihre hohen Kosten den Verkaufspreis von Elektrofahrzeugen und tragen dadurch zu geringer Marktakzeptanz dieser bei. Eine Traktionsbatterie besteht nicht nur aus dem Energiespeicher selbst, sondern unter anderem auch aus einer Überwachungseinrichtung - dem Batteriemanagementsystem (BMS). Das BMS soll einen fehlerfreien und sicheren Betrieb der Komponente Batterie sicherstellen. Da BMS individuell für jedes Fahrzeug entwickelt werden, ist es Ziel der vorliegenden Arbeit, einen Ansatz zu finden, BMS einheitlich zu gestalten und somit eine Möglichkeit zu schaffen, die Kosten der Batterie zu senken. Diese Arbeit setzt sich mit der Architektur von BMS und deren Ladungsausgleichssystemen (Balancing) auseinander. Es wird gezeigt, dass derzeitige Systeme unflexibel sind und keine Möglichkeit bieten, das BMS einheitlich zu gestalten. Es wird ein neues Konzept, die Intelligente Zelle, entwickelt, welche die Basis für ein einheitliches, skalierbares BMS bildet. Eine Intelligente Zelle besteht aus einem Energiespeicher und einer elektronischen Schaltung. Eine Menge an Intelligenten Zellen bildet eine Batterie, ohne dass ein übergeordnetes System notwendig ist, das heißt Intelligente Zellen bilden selbst ein verteiltes BMS. Die Funktionalität der Intelligenten Zelle wird insbesondere über ein Leistungsstellglied erreicht, welches den Energiefluss steuert und sowohl das Balancing ermöglicht als auch Sicherheit gewährleistet. Intelligente Zellen kommunizieren über Powerline Communication (PLC). Das Protokoll für diese Kommunikation wird in Hinblick auf die neue Architektur entwickelt. Es wird gezeigt, dass das Prinzip eines verteilten BMS umsetzbar ist. Die Intelligenten Zellen kommunizieren untereinander und stellen die Funktionalität eines BMS bereit. Das Leistungsstellglied der Intelligenten Zelle ermöglicht auch, stark gealterte oder defekte Zellen aus dem Verbund zu lösen. Es wird gezeigt, dass damit die Reichweite eines Elektrofahrzeugs durch die bessere Ausnutzung der verbauten Energie gesteigert werden kann. Die Lebensdauer einer Traktionsbatterie kann durch diesen Ansatz ebenfalls erhöht werden. Das entwickelte Funktionsmuster der Intelligenten Zelle muss optimiert werden um den Schritt in Richtung Produkt gehen zu können. Sind diese Optimierungen erfolgreich, steht zukünftig ein BMS zur Verfügung, welches sowohl Kosten als auch Nutzen einer Traktionsbatterie verbessert.Item Open Access Methode zum simulationsbasierten Nachweis der funktionalen Sicherheit fehlertoleranter Systeme(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2023) Bergen, Patrick van; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Zur Realisierung automatisierter Fahrfunktionen ist der Einsatz fehlertoleranter Systeme im Fahrzeug unvermeidbar. Mit steigender Automatisierungsstufe entfällt der Fahrer als Rückfallebene. Aufgrund dessen muss das Fahrzeug im Fehlerfall selbsttätig den sicheren Zustand erreichen. An der Realisierung der automatisierten Fahrfunktionen sind E/ESysteme beteiligt, weswegen die ISO 26262 bei der Entwicklung berücksichtigt werden muss. Die ISO 26262 umfasst den gesamten Sicherheitslebenszyklus eines Fahrzeuges. Ein Teil der ISO 26262 befasst sich ausgehend von den Sicherheitszielen mit der Ableitung von Sicherheitsanforderungen an die Komponentenebene. Dabei werden unter anderem die ASIL der Sicherheitsziele mittels ASIL Allokation und Dekomposition an untergeordnete Systeme und Komponenten abgeleitet. Aufgrund der hohen Systemkomplexität durch die Fehlertoleranz des Fahrzeugs ist dies händisch nicht effizient durchführbar. Aufgrund dessen werden die mathematischen Grundlagen der ASIL Dekomposition sowie ein Algorithmus zur automatisierten ASIL Allokation und Dekomposition auf Basis einer Fehlerbaumanalyse vorgestellt. Ein weiterer Bestandteil der ISO 26262, der durch die Analyse fehlertoleranter Systeme beeinflusst wird, ist der Nachweis, dass das Fahrzeug ausreichend sicher ist. Aufgrund der hohen Systemkomplexität sind die ISO 26262 Standardmethoden, Fehlerbaumanalyse und FMEDA, zur Modellierung der fehlertoleranten Systeme nur bedingt geeignet. Aufgrund dessen wird ein Ansatz basierend auf einer Markov-Analyse zur Modellierung der Fehlertoleranz vorgestellt. Das Markov-Modell wird automatisiert auf Basis von Fehlerinjektionssimulationen aufgebaut, welche das Systemverhalten im Fehlerfall bei Einfach- und Mehrfachfehlern beschreiben. Die Zustandsübergänge des Markov-Modells werden mittels Fehlerbaumanalysen der fail-safe Komponentenebene quantifiziert. Durch die vorgestellte Methode - werden die zum Sicherheitsnachweis benötigten ISO 26262-Metriken berechnet, - eine effiziente Systemoptimierung durch Identifikation der einflussreichsten Fehler / Fehlerkombinationen durchgeführt, - der Einfluss von Parametervariationen mittels Sensitivitätsanalysen bewertet, - der Nachweis der Funktionsfähigkeit von Sicherheitsmechanismen durchgeführt, - die Erkennung und Behebung systematischer Fehler des Systemdesigns, der Komponentendimensionierungen und Fehlerreaktionen umgesetzt.