Universität Stuttgart
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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 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 Verfahren zum emulationsgestützten MES-Engineering für die Photovoltaikindustrie(2011) Meier, Matthias; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die Umwandlung von nahezu unbegrenzt verfügbarer Sonnenenergie in elektrische Energie gilt als ein vielversprechender Ansatz, um den wachsenden Energiebedarf weltweit, unabhängig von konventionellen Energieträgern, auch in Zukunft zu sichern. Zwischenzeitlich sieht sich die Photovoltaikindustrie (PV-Industrie) allerdings größeren wirtschaftlichen und technischen Herausforderungen gegenübergestellt. Dazu gehören ein wachsender Kostendruck und die Notwendigkeit zur Verbesserung der Produkte bzw. der Produktqualität. Den Herausforderungen sucht die PV-Industrie auf mehreren Ebenen zu begegnen. Eine dieser Ebenen ist die der Produktionssysteme, die entlang der Lieferkette der Branche zum Einsatz kommen. Bereits ab einer frühen Phase des Anlaufs bietet der zielgerichtete Einsatz produktionsnaher IT-Lösungen Ansatzpunkte zur Unterstützung dieser Optimierungsbemühungen. Manufacturing Execution Systems (MESs) stellen eine wichtige Klasse produktionsnaher IT-Systeme dar, die vorhandenes Optimierungspotential nutzbar machen. Dabei müssen die Risiken, die mit der Einführung und dem Einsatz solcher IT-Lösungen einhergehen, beherrscht werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens, das im Kontext der PV-Industrie einen Beitrag dazu leistet, angemessene MES-Lösungen frühzeitiger im Fabriklebenszyklus verfügbar und die mit dem MES-Engineering verbundenen Risiken besser beherrschbar zu machen. Es soll damit der PV-Industrie den Zugang zu und die Akzeptanz von MES-Lösungen erleichtern, die die Verfolgung der Optimierungsziele der Branche unterstützen. Im Anschluss an die Definition zentraler Begrifflichkeiten und die Betrachtung des Produktionsumfelds bzw. der Produktions-IT-Landschaft der PV-Industrie werden die Aufgabenstellungen des MES-Engineering-Prozesses im Kontext des Fabriklebenszyklus der PV-Industrie analysiert. Aus der Analyse wird das Konzept des emulationsgestützten MES-Engineering entwickelt, das sich mehrfach die virtuelle Inbetriebnahme der MES-Lösung zunutze macht und den Prozess der Modellierung der virtuellen Produktionsumgebung konsequent in den MES-Engineering-Prozess integriert. Dazu wird einerseits eine hoch skalierbare Emulationsplattform entwickelt und prototypisch implementiert, in der virtuelle Fabriken modelliert und ausgeführt werden können, die Produktionsanlagen aus Sicht des MES mit ihrer realen IT-Schnittstelle abbilden. Andererseits werden Mechanismen zur nahtlosen Integration des Werkzeugs der Emulationsplattform in die Prozesse des MES-Engineering geliefert und exemplarisch für ein iteratives, inkrementelles Vorgehen beschrieben. Der Einsatz des Verfahrens und der Werkzeuge wird im Kontext zweier realer MES-Engineering Projekte evaluiert. In beiden Fällen wurden die mit dem Einsatz des emulationsgestützten MES-Engineering verfolgen Optimierungsziele erreicht.Item Open Access Verfahren zum flüssigkeitsbasierten Vereinzeln kontaminierter Photovoltaikwafer(2012) Reddig, Kevin; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Der Erfolg der Photovoltaik in Deutschland und der Welt basiert derzeit auf der indirekten Subventionierung durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) und vergleichbare Instrumente in anderen Regionen. Auch unter der Prämisse, dass der derzeitige Gestehungspreis für konventionell erzeugte Elektrizität die realen Kosten, bedingt durch mögliche zukünftige Umweltschäden und Ressourcenknappheit, nur unzureichend widerspiegelt, sind weitere Kostensenkungen in der Produktion unabdingbar. Durch den hohen Kostenanteil der Wafer am Modul liegt in der Waferfertigung das größte Kostensenkungspotential. Die Vereinzelung feuchter Siliziumwafer ist aus Durchsatz- und Qualitätsaspekten ein wichtiger Schritt in der Fertigung. Durch die hohe Bruchgefahr bei der Handhabung von Wafern kann die Vereinzelung auch wesentlich zur Kostenreduktion beitragen. Die in Literatur und Patenten beschriebenen Verfahren sind derzeit noch nicht in einem ausgereiften Zustand, um die Vereinzelung von Wafern sicher und zuverlässig durchzuführen. Daher sind weitere Anstrengungen in Forschung und Entwicklung nötig, um die derzeitigen und zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Gleichzeitig muss das Verständnis über die Vorgänge bei der Vereinzelung sowie die Einflüsse auf den Wafer weiter vertieft werden. Insbesondere das Schädigungspotential der Vereinzelung auf den Wafer bestimmt die Auslegung eines solchen Systems in besonderem Maße. Die vorliegende Arbeit analysiert zunächst die Ausgangssituation in der derzeitigen Waferproduktion. Die Umgebung in der Waferproduktion ist geprägt durch eine Vielzahl von Einflüssen, besonders durch flüssige Betriebsstoffe wie der Slurry oder auch den Reinigungsmedien. Die zu vereinzelnden Wafer sind fragile und spröde Substrate welche in dieser Umgebung verarbeitet werden müssen. Entsprechend vielseitig ist der derzeitige Stand der Technik zur Vereinzelung, welcher größtenteils in Patentschriften beschrieben ist. Zur weiteren Entwicklung eines Vereinzelungsverfahrens wird die Aufgabe weiter analysiert. Durch Versuche in einer realen Fertigungsumgebung erscheint die Vereinzelung vom Stapel als vielversprechender Ansatz. Die Fragilität des Substrats führt zu der Überlegung, Flüssigkeitsstrahlen zur Vereinzelung der Wafer einzusetzen. Damit soll eine schonende Handhabung der Wafer erzielt werden. Das Prinzip dieser Vereinzelung vom Stapel wird dann zunächst in einem Modell beschrieben und entsprechend berechnet. Zur Überprüfung und Validierung des Modells wird zunächst ein Versuchsstand entwickelt an welchem die Einflüsse der Flüssigkeitsstrahlen auf den Wafer detailliert untersucht werden k¨onnen. Die Erkenntnisse aus dem Betrieb des Versuchsstandes fließen in die Konstruktion eines Prototypen ein. Gleichzeitig können die Einstellungen des Prototypen anhand der Ergebnisse aus den Versuchsreihen initial eingestellt werden. Die Tests mit dem Prototypen zeigen eine prinzipielle Machbarkeit des Verfahrens. Weiterer Bedarf in Forschung und Entwicklung liegt in der Optimierung von Verfahren im industriellen Umfeld. Eine hohe Zuverlässigkeit bei der Vereinzelung bei gleichzeitig störungsunempfindlichem Betrieb sind dabei wichtige Indikatoren für den Erfolg von Vereinzelungsverfahren. Technologisch kommen weitere Anforderungen auf die Waferbehandlung zu. Der Trend zu dünneren Wafern (kleiner als 180- 210 µm) ist derzeit durch die gesunkenen Kosten f¨ur das reine Silizium nicht mehr der zentrale Fokus der Entwicklung. Sobald jedoch weitere Kostensenkungspotentiale an anderer Stelle realisiert werden können, wird die Dicke der Wafer vermutlich wieder an Bedeutung zunehmen. Möglicherweise werden auch größere Waferformate (gröoßer 200mm Kantenlänge) in Zukunft in die Massenfertigung eingeführt werden. Die Verfahren und Anlagen müssen dann entsprechend angepasst werden. Eine weitere einflussreiche Entwicklung kann die Umstellung Slurry-basierter Trennverfahren auf alternative Technologien darstellen. Insbesondere das Sägen mit Diamantdraht (mit Industriediamanten besetzter Schneidedraht) wird die Vereinzelung vor neue Herausforderungen stellen, da sich die Oberflächeneigenschaften damit ändern.