Universität Stuttgart
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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 Fertigungstechnische Simulationsmethoden für medizinische Assistenzsysteme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Wohlfeld, Andreas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In der medizinischen Diagnostik und Therapie werden immer häufiger Verfahren eingesetzt, die ausschließlich durch den Einsatz technischer Hilfsmittel realisierbar sind. Dabei wird zwischenzeitlich nicht mehr die vollständige Automatisierung von Abläufen in diesem Bereich angestrebt; stattdessen werden zunehmend kooperative Ansätze verfolgt, die die jeweiligen Stärken von Mensch und technischem System über sogenannte Assistenzsysteme zu vereinen versuchen. Sowohl für die Entwicklung als auch im Umfeld der Nutzung dieser Assistenzsysteme wird vermehrt Simulation in unterschiedlichen Ausprägungen eingesetzt. Aufgrund der zunehmenden Komplexität sowohl der medizinischen Verfahren als auch der technischen Systeme zu deren Unterstützung nimmt dieser Simulationseinsatz weiter zu. Dabei bestehen jedoch Defizite, z.B. im Bereich der Durchgängigkeit der eingesetzten Simulationssysteme über die verschiedenen Lebensphasen der Assistenzsysteme hinweg. Zu den besonderen Anforderungen der Simulation von Assistenzsystemen zählt zudem nicht zuletzt eine Simulation in Echtzeit. Diese Arbeit zeigt unter Nutzung von Parallelen zwischen Medizin- und Fertigungstechnik einen Lösungsansatz dieser Defizite durch den durchgängigen Einsatz von Simulationsmethoden nach fertigungstechnischem Vorbild für medizinische Assistenzsysteme auf. Dabei werden die Assistenzsysteme auf der Basis etablierter industrieller Steuerungstechnik aufgebaut und ein systemunabhängiger Ansatz entwickelt, der die Integration von Peripheriekomponenten aus anderen Anwendungsbereichen als der Fertigungstechnik in derartige Assistenzsysteme ermöglicht.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 Konzept für eine sichere und benutzerfreundliche Authentifizierung für industrielle Produktionsanlagen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Borisov, Alexander; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Anzahl und die Schwere der Angriffe auf industrielle Komponenten nehmen von Jahr zu Jahr stark zu. Gleichzeitig steigt der Grad der Vernetzung der Anlagen weiter an und vergrößert dadurch nochmals die mögliche Angriffsfläche. Die aktuelle Situation bezüglich IT-Sicherheit in der fertigenden Industrie erfordert eine dringende Verbesserung der vorhandenen IT-Sicherheitsmaßnahmen. Insbesondere weisen die existierenden Authentifizierungsmöglichkeiten in der Industrie mehrere Defizite auf. Die Sicherheit der zurzeit eingesetzten Methoden, ihre Benutzerfreundlichkeit und auch der monetäre Aufwand für den Betrieb sind bei zahlreichen Anwendungen nicht zufriedenstellend. Seitens der Industrie und auch der Forschungsgemeinschaft besteht daher der Bedarf, bessere Authentifizierungsverfahren zu entwickeln. Die Erforschung einer neuen Authentifizierungsmöglichkeit für eine industrielle Anwendung bildet den Hauptteil der vorliegenden Arbeit. Die in dieser Arbeit erarbeitete Authentifizierungsmethode basiert auf der Verwendung von zeitbasierten Einmalschlüsseln, die über eine speziell entwickelte App im Smartphone des Benutzers generiert werden. Dabei findet eine beidseitige und eine Zwei-Faktor-Authentifizierung statt. Die Authentifizierungsinformationen werden zudem über die Verbindung des Smartphones an den Server übertragen. Die Lösung weist somit eine hohe Benutzerfreundlichkeit, starke Sicherheit und geringe Betriebskosten auf. Diese Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentell bestätigt und in einer Benutzerstudie nachgewiesen. Darüber hinaus wurde in der Arbeit gezeigt, wie die entwickelte Authentifizierungslösung in eine IT-Sicherheitsarchitektur eines Werkes integriert werden kann. Die vorliegende Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Verbesserung der IT-Sicherheit in der produzierenden Industrie und kann für die Institute der angewandten Forschung sowie auch für die Entwicklungsabteilungen der Industrieunternehmen von Bedeutung sein.Item Open Access EIPPM : the Executable Integrative Product-Production Model(2021) Schopper, Dominik; Kübler, Karl; Rudolph, Stephan; Riedel, OliverIn this paper, a combination of graph-based design and simulation-based engineering (SBE) into a new concept called Executable Integrative Product-Production Model (EIPPM) is elaborated. Today, the first collaborative process in engineering for all mechatronic disciplines is the virtual commissioning phase. The authors see a hitherto untapped potential for the earlier, integrated and iterative use of SBE for the development of production systems (PS). Seamless generation of and exchange between Model-, Software- and Hardware-in-the-Loop simulations is necessary. Feedback from simulation results will go into the design decisions after each iteration. The presented approach combines knowledge of the domain “PSs” together with the knowledge of the corresponding “product” using a so called Graph-based Design Language (GBDL). Its central data model, which represents the entire life cycle of product and PS, results of an automatic translation step in a compiler. Since the execution of the GBDL can be repeated as often as desired with modified boundary conditions (e.g., through feedback), a design of experiment is made possible, whereby unconventional solutions are also considered. The novel concept aims at the following advantages: Consistent linking of all mechatronic disciplines through a data model (graph) from the project start, automatic design cycles exploring multiple variants for optimized product-PS combinations, automatic generation of simulation models starting with the planning phase and feedback from simulation-based optimization back into the data model.Item Open Access Methode zur technischen Auslegung von Vakuumgreifsystemen mit einer Mindesthaltedauer auf Basis fluidischer Untersuchungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Straub, David; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Der Trend der Robotisierung zeigt sich unter anderem darin, dass neben den Industrierobotern, die hinter Schutzzäunen zum Einsatz kommen, immer mehr Roboter für kollaborative Anwendungen herangezogen werden. Da ein großer Teil aller Industrieroboter für Handhabungsaufgaben verwendet wird, entstehen durch den schutzzaunlosen Betrieb der Roboter neue Herausforderungen für die Auslegung von für diese Handhabungsaufgaben verwendeten Greifsysteme. Sicherheitseinrichtungen formschlüssiger mechanischer Greifsysteme sind bekannt, wirken sich jedoch aufgrund der mit dem umschließenden Griff einhergehenden vergrößerten äußeren Abmaße nachteilig auf den Handhabungsvorgang aus. Vakuumgreifsysteme sind hier infolge des einseitigen Griffs im Vorteil, verfügen dadurch jedoch über keine Sicherheitseinrichtungen, die einen Verlust des Werkstücks bei Auftreten eines Energieausfalls, zumindest temporär, verhindern. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wird in dieser Arbeit eine Methode für die technische Auslegung von Vakuumgreifsystemen mit einer Mindesthaltedauer auf Basis fluidischer Untersuchungen entwickelt. Die dafür relevanten fluidischen Vorgänge, insbesondere die Leckage, werden ausführlich untersucht. Die entwickelte Methode nutzt die Kenntnisse der Leckage eines Referenzsystems und erlaubt es, Aussagen darüber zu treffen, wie sich Anpassungen des Referenzsystems an die jeweilige Handhabungsaufgabe auf die Haltedauer des Werkstücks auswirken. Durch die Methode ist es daher möglich, aufbauend auf dem bekannten Vorgehen zur Auslegung von Vakuumgreifsystemen zur Aufbringung einer erforderlichen Mindestgreifkraft, eine zusätzliche Auslegung zur Erreichung einer Mindesthaltedauer im Auftreten eines Energieausfalls durchzuführen.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 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.