Universität Stuttgart
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Item Open Access Methodik zur fähigkeitsbasierten Planung modularer Montagesysteme(2011) Kluge, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Turbulente, globale Märkte erfordern von Produktionsunternehmen zur Sicherung wirtschaft-licher Erfolge wandlungsfähige Produktionsstrukturen. Modulare Montagesysteme stellen hierzu eine Lösungsmöglichkeit dar. Spezifische Eigenschaften modularer Systeme werden in bisherigen Montageplanungssystematiken jedoch nicht ausreichend betrachtet. Eine verbesserte Planungsmethodik hat Aspekte wie die Betrachtung von zukünftigen Marktentwicklungen, die standardisierte Beschreibung von Ressourcen und Prozessen sowie die Verlagerung von Planungsaufgaben auf den Anlagenhersteller zu berücksichtigen. Auf dieser Grundlage wurde eine Methodik zur fähigkeitsbasierten Planung modularer Mon-tagesysteme für Anlagenhersteller entwickelt. Dabei wurde in der ersten Teillösung zur Be-rücksichtigung zukünftiger Entwicklungen die Szenariotechnik an die Erfordernisse der Grobplanung der Montageplanung angepasst. Die zweite Teillösung ist eine generische Beschreibungsmethode, welche auf einem Fähigkeitsmodell basiert. Die generische Beschreibungsmethode dient im Wesentlichen der dritten Teillösung, der Alternativengenerierung. Die letzte, in einem Tabellenkalkulationsprogramm umgesetzte Teillösung in Form einer systematischen, szenariobasierten, mehrdimensionalen Bewertung nutzt durch ihre spezifische Struktur die im jeweiligen Planungsfall entwickelten Szenarien für Analyse, Bewertung und Auswahl der Lösungsmöglichkeiten. Neben der Struktur stellt vor allem die umfangreiche Kostenbetrachtung über den Lebenszyklus des sich durch verschiedene Ausbaustufen verändern den Montagesystems einen Schwerpunkt der Bewertungssystematik dar. Zum Nachweis der Anwendbarkeit und Funktionsfähigkeit wurde die neu entwickelte Metho-dik als rechnergestützter Prototyp realisiert. Die Anwendung erfolgte in der Lernfabrik aIE auf Basis des im TFB 59 entwickelten, virtuellen Unternehmens EMARTi AG.Item Open Access Automatisierte Ordnungs- und Kommissionierzelle zur hochflexiblen Bereitstellung von Werkstücken in der Montage(2006) Schmid, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Der zunehmende nationale und internationale Wettbewerb und die steigenden Ansprüche der Verbraucher führten in den vergangenen Jahren zu einer Zunahme der Produktvielfalt mit immer kürzeren Produktlebenszyklen bei gleichzeitiger Abnahme der Fertigungslosgrößen. Diese Entwicklung führte dazu, dass der flexibel automatisierten Montage in der Klein- und Mittelserienfertigung eine immer größere Bedeutung zukommt. Bei flexiblen Montageanlagen erfolgt die Bereitstellung von Werkstücken vorwiegend über werkstückspezifisch ausgelegte Zuführeinrichtungen, die in den Montagestationen integriert sind und einen Großteil aller Störungen in Montageanlagen verursachen. Ziel der Arbeit war es, eine unabhängig von den Montageanlagen arbeitende Ordnungs- und Kommissionierzelle zur hochflexiblen Bereitstellung von unterschiedlichsten Werkstücken in Flachmagazinen zu entwickeln. Nach der Ermittlung der wesentlichen Anforderungen und Randbedingungen für die Werkstückbereitstellung an flexiblen Montageanlagen wurden wissenschaftliche Grundlagen und Lösungen für einen Vibrationswendelförderer zum gleichzeitigen Fördern und Sortieren mehrerer unterschiedlicher Werkstücke erarbeitet sowie für flexible Positionier- und Ordnungssysteme ein Verfahren zur werkstückspezifischen Magazinauslegung entwickelt. Für die Beschreibung des Werkstückverhaltens im Magazin-formnest während des Magaziniervorganges wurde ein Berechnungsverfahren erarbeitet, mit dem in einer Rechnersimulation die Grenzwerte für die Geräteeinstellparameter, wie z. B. die maximale Schwingungsamplitude und Magazinneigungswinkel, bestimmt werden konnten. Die konzipierten und prototypisch realisierten Einzelkomponenten wurden anschließend in einer Pilotanlage einer automatisierten Ordnungs- und Kommissionierzelle integriert. Anhand eines repräsentativ ausgewählten Werkstückspektrums wurde der Funktionsablauf der Zelle erprobt und die technische Machbarkeit einer von der Montage entkoppelten, hochflexiblen Bereitstellung von Werkstücken in beliebiger Reihenfolge und Losgröße nachgewiesen.Item Open Access Aufnahme und Nachbearbeitung von Bahnen bei der Programmierung durch Vormachen von Industrierobotern(2011) Meyer, Christian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)Industrieroboter werden vornehmlich in der Großindustrie eingesetzt, dort stehen sie seit Jahrzehnten für flexible Automatisierung auf höchstem Niveau. Kleine und mittlere Unternehmen aber haben Probleme, Industrieroboter einzusetzen, da sie in anderen Losgrößen arbeiten und andere Infrastrukturmöglichkeiten haben. Sie stecken häufig in einer Automatisierungszwickmühle, sie müssen rationalisieren, können die in Großbetrieben etablierten Methoden aber nicht anwenden. Um dieses Defizit zu mindern, wurde ein Verfahren zur schnellen und intuitiven Programmierung von Industrierobotern entwickelt. Das Verfahren wurde an der Beispielanwendung MAG-Schweißen verifiziert. Die Interaktion mit der Schweißroboterzelle wird dabei multimodal vom Prozessexperten, dem Schweißer, vorgenommen. Mittels Programmierung durch Vormachen kann der Schweißer den Roboter entlang der zu schweißenden Nähte verfahren, eine Kraftregelung führt den Roboter dahin, wo der Bediener ihn hindrückt. Ein besonderer Fokus der Arbeit liegt auf der dann folgenden Nachbearbeitung der Bahn. So wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, die aufgenommenen Bahndaten zu komprimieren und Geometrieprimitive zuzuweisen. Die Kompression nutzt den Douglas-Peucker-Algorithmus, für das Mapping der Daten werden entsprechende Kriterien erstellt. Verschiedene Kombinationen von Algorithmen wurden implementiert und verglichen. Der zweite Entwicklungsschwerpunkt lag in der Verbesserung der manuell aufgenommenen Bahn auf der Basis lokaler Werkstückgeometrie. Diese Geometriedaten bestehen aus einer Punktewolke, die mit einem Laserscanner aufgenommen werden kann. Zwei Verfahren zur Auswertung wurden entwickelt, ein auf den einzelnen Scanlinien basierendes Verfahren zur Optimierung der Bahn, sowie ein Verfahren zur Flächenrückführung, basierend auf einem Region Growth Ansatz. Die entwickelten Verfahren und Algorithmen bei einem KMU getestet. Dort wurde einerseits sichergestellt, dass das Robotersystem reale Bauteile fertigen kann, andererseits wurden Programmiertests mit Mitarbeitern der Firma durchgeführt. Die Testläufe zeigten, dass die Referenzbauteile mit dem entwickelten Programmierverfahren gefertigt werden können und die Ziele der Arbeit, die Vereinfachung der Programmierung und die Verkürzung der Programmierzeit, erreicht wurden.Item Open Access Optisches 3D-Messverfahren für die Navigation in der roboterassistierten Minimal Invasiven Chirurgie(2005) Stallkamp, Jan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. mult.)In der Minimal Invasiven Chirurgie (MIC) lassen sich bis heute viele Eingriffe mit hohen Präzisionsanforderungen nicht manuell durchführen. Zur Unterstützung des Chirurgen wird daher seit einigen Jahren der Einsatz von Robotern untersucht. Bisher ist die Programmierung und Überwachung des Roboters speziell für Operationen im Weichgewebe nicht möglich. Einer der wesentlichen Gründe hierfür ist das Fehlen geeigneter Navigationsdaten aus dem sich ständig verändernden Operationsfeld. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines alternativen Messverfahrens und der Untersuchung der Integrierbarkeit des Verfahrens in die Abläufe der roboterassistierten MIC. Für die Navigation werden heute vorwiegend Daten vom Computertomographen (CT) oder Magnetresonanztomographen (MRT) verwendet, in die die Bahnplanungsdaten vom Chirurgen eingetragen werden. Die CT- oder MRT- Aufnahmen werden hierfür in der Regel vor Beginn des Eingriffs erstellt. Aktuelle Veränderungen der geometrischen Gewebestrukturen, z. B. durch Pulsbewegungen, Schwerkraft oder chirurgische Maßnahmen, können deshalb nicht mehr für die Bahnplanung berücksichtigt werden. Daher lassen sich heute roboterassistierte Operationen speziell in elastischen und empfindlichen Gewebe oder bei sich bewegenden Organen in der Regel nicht durchführen. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ablauf bei der Planung und Durchführung des Robotereinsatzes entworfen, der eine kontinuierliche Erfassung der Operationsumgebung voraussetzt. Für die Datenakquisition wird ein neuartiges Messverfahren auf Basis der Laser-Triangulation entwickelt und untersucht, das eine räumliche Vermessung der Oberflächen vor der Instrumentenspitze auch unter den Störeinflüssen des Operationsfeldes ermöglicht. Das Konzept für ein Instrument mit integriertem Sensor für den Einsatz in der MIC wird als Funktionsmuster umgesetzt, um die Einflüsse der Miniaturisierung des Sensors auf das Messverfahren zu untersuchen. Schließlich wird mit dem Entwurf einer Benutzerschnittstelle gezeigt, dass nach einer Registrierung der Messdaten mit dem Videoendoskopbild ein durchgängiger Navigationsvorgang durchführbar ist.Item Open Access Vorgehensmodell zur Gestaltung internetbasierter Mehrwertdienste für den Maschinen- und Anlagenbau(2010) Graupner, Tom-David; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Der Wettbewerb im Maschinen- und Anlagenbau steht im Zeichen eines Paradigmenwechsels. Die Branche erzielt zwar durch den Verkauf von Investitionsgütern hohe Umsätze; die Gewinne werden jedoch bei vielen durch produktbegleitende Dienstleistungen erzielt. Investitionsgüter mit einem hohen Softwareanteil bieten prinzipbedingt eine gute Plattform für die elektronische Fernerbringung von Dienstleistungen. Internetbasierte Mehrwertdienste können auch über große Distanzen hinweg in die Zielmärkte exportiert werden. Eine Problemstellung in der Gestaltung internetbasierter Mehrwertdienste liegt in den Interdependenzen zwischen einer zu gestaltenden Dienstleistung und der für die Erbringung notwendigen Informationstechnik. Die Spezifikation einer Dienstleistung hat nicht nur Einfluss auf die Informationstechnik, sondern auch umgekehrt muss die Informationstechnik und IT-Sicherheit bei der Konzeption der Dienstleistungen Berücksichtigung finden. Eine Voraussetzung zur Bündelung verschiedener Mehrwertdienste ist deren Interoperabilität. Interoperable Mehrwertdienste für Maschinen und Anlagen stehen allerdings erst am Anfang ihrer Entwicklung. Bisher wurden Mehrwertdienste vorwiegend in Einzelprojekten konzipiert und realisiert. Kundenspezifische Lösungen führten zu einer hohen Variantenvielfalt. Durch den Mangel an geeigneten Vorgehensweisen und Plattformstrategien erfolgte die Dienstleistungsentwicklung häufig ineffizient. Die Folge: hoher Aufwand in der Entwicklung und Wartung, zu lange Umsetzungszeiträume sowie qualitativ und technisch nicht ausgereifte Gesamtsysteme. Im Rahmen der Dissertation wurde eine Vorgehensweise entwickelt, welche alle relevanten Aspekte von der Ideengenerierung bis zur Inbetriebnahme internetbasierter Mehrwertdienste abdeckt. Das erarbeitete Vorgehensmodell erleichtert die Dienstgestaltung, indem es ein integriertes Vorgehen in Bezug auf die Aspekte des Projektmanagements, des Service Engineerings und des Software Engineerings aufweist. Diese Aspekte werden vor dem Hintergrund der technologischen Möglichkeiten und der etablierten Internetstandards in ein Vorgehensmodell überführt. Service Engineering und Software Engineering ergänzen sich dabei und werden unter dem Begriff E-Service Engineering zusammengefasst. Das Vorgehensmodell ist dabei so allgemeingültig formuliert, dass es für eine große Bandbreite internetbasierter Dienstleistungen angewendet werden kann.Item Open Access Entwicklung eines ganzheitlichen Prognosemodells zur Kompensation von Varianzen in Prozessfolgen mittels Support Vektor Maschinen(2007) Decker, Markus; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Der globale Wettbewerb und eine immer transparentere Marktsituation verlangen heute mehr denn je eine Ausschöpfung aller Potentiale über die gesamte Wertschöpfungskette in der Produktion. Die vorliegende Arbeit hat am Beispiel einer varianzbehafteten Prozessfolge aus dem Rapid Manufacturing gezeigt, dass die ganzheitliche Betrachtung technischer und betriebsorganisatorischer Kenngrößen deutliche Optimierungspotentiale eröffnet. Der Einsatz der Support Vektor Methode ermöglicht diese ganzheitliche Analyse und Bewertung des Ist-Zustands und erlaubt durch die direkte Generierung von Maßnahmen im Hinblick auf anvisierte Zielgrößen die Kompensation von Varianzen. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, welche zunächst mittels einer vektoriellen Darstellung ein ganzheitliches Monitoring aller betrachteter Zielgrößen erlaubt um anschließend die so entstandenen Merkmalsräume mit Hilfe eines Ansatzes aus der künstlichen Intelligenz analysieren und klassifizieren zu können. Auf Grund der sehr guten Prognosefähigkeit dieser Support Vektor Methode erlaubt dieser Ansatz eine auf die Ist-Situation angepasste und auf die Gesamtzielgrößen ausgerichtete Generierung von Maßnahmen. Die Entwicklung eines Kostenmodells komplettierte die ganzheitliche Betrachtungsweise. Eine beispielhafte Übertragung auf eine ausgewählte Prozessfolge aus dem Rapid Manufacturing zeigte hierbei die Funktionsweise und diente zur Verifikation.Item Open Access Basic structure and formation mechanism of Ti-Si-N superhard nanocomposite coatings(2009) Liu, Xuejie; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)With the concept of digital factory, a research including experiment, kinetic Monte Carlo simulation, and ab initio calculation has been conducted to investigate the basic structure and the formation mechanism of Ti-Si-N superhard nanocomposite coatings. The experiments of the Ti-Si-N deposition demonstrate that Si addition obviously influences the film microstructure and hardness. But the atomic structure and the formation mechanism of the Ti-Si-N coatings have not been identified by the experiments Two kinetic Monte Carlo (KMC) simulation codes with the lattice model and with the off-lattice model have been developed. In the off-lattice KMC simulation, the dimer method was used to search the saddle points on the potential energy surface (PES), which provided the direct calculation method of activation energy and the relaxation algorithm of adatoms, so that this off-lattice KMC simulation is much closer to the real situation. The ab inito calculations have been performed with VASP code. The basic structure and the formation mechanism of the Ti-Si-N composite coating have been identified. The total energy calculation results show that (a) there is no silicon interstitial solid solution in the TiN crystallite under the thermal equilibrium condition; (b) if a titanium atom or a nitrogen atom is missing in the TiN crystallite, a silicon atom is possible to occupy the vacant site and to form the substitutional solid solution; (c) the basic structure of the Ti-Si-N superhard composite coatings is the TiN crystallites with Si-4N-4Ti and Si-2N-2Ti in the boundaries.Item Open Access Automatisiertes und prozessüberwachtes Radialclinchen höherfester Blechwerkstoffe(2007) Breckweg, Achim; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Das umformtechnische Fügen bzw. Clinchen erfolgt heute noch weitgehend mit linearer Fügebewegung der Werkzeuge. Die hohen Prozesskräfte erfordern allerdings schwere und schlecht handhabbare Werkzeuge. Eine Lösung bietet die Reduktion der Fügekraft. Zum krafreduzierten Clinchen sind Verfahren mit partieller Krafteinleitung, insbesondere das Radialclinchen geeignet. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher wissenschaftliche Erkenntnisse über das Radialclinchen zu erarbeiten. Im Rahmen der Anforderungsanalyse wurde der Istzustand beim automatisierten umformtechnischen Fügen aufgearbeitet. Die auftretenden Prozessfehler und die neuronalen Netze als Grundlage für die Prozessüberwachung wurden analysiert. Basierend auf der Durchführung experimenteller Untersuchungen wurde der Nachweis erbracht, dass beim Radialclinchen gleiche Verbindungsfestigkeiten wie beim konventionellen Clinchen erreicht werden. Durch die Beschreibung von Wirkzusammenhängen konnten produktionstechnisch relevante Prozesszusammenhänge zwischen Fügezeit, -kraft und -drehzahl ermittelt und dargestellt werden. Das komplexe Werkstoffverhalten beim Radialclinchen wurde ausgehend von der Phasenteilung des Fügeprozesses in eine Durchsetzphase und in eine Stauchphase beschrieben und ein Berechnungsmodell entwickelt. Das Modell ist die Grundlage für ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Fügekraft unter Berücksichtigung der partiell eingeleiteten Fügekraft. Das Berechnungsmodell wurde durch Experimente mit verschiedenen Blechwerkstoffen und Fügegeschwindigkeiten verifiziert. Zur Überwachung des Verbindungsprozesses und zur Klassifikation von Fehlern wurde ein System auf der Basis neuronaler Netze entwickelt. Durch Versuche konnte gezeigt werden, dass unzulässige Prozesszustände mit einer hohen Genauigkeit erkannt werden. Abschließend erfolgte die Erprobung des Gesamtsystems. Mit der Erprobung konnte die Umsetzbarkeit des Radialclinchens nachgewiesen werden. Die Versuchsanlage zum flexibel automatisierten Radialclinchen höherfester Blechwerkstoffe erfüllt die gestellten Anforderungen. Durch die Entwicklung des flexibel automatisierten Radialclinchens wurden neue Einsatzmöglichkeiten für die umformtechnische Fügetechnik erschlossen.Item Open Access Management mobiler Betriebsmittel unter Einsatz ubiquitärer Computersysteme in der Produktion(2007) Jendoubi, Lamine; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Durch den Wandel vom Verkäufer- zum Käufermarkt und der wachsenden Internationalisierung der Märkte, stehen heutige Unternehmen im globalen Wettbewerb um potenzielle Kunden und Aufträge. Dabei sind die Märkte durch stetig variierende Kundenbedürfnisse gekennzeichnet. Unternehmen, die in einem solch turbulenten Umfeld erfolgreich bestehen wollen, zeichnen sich durch ein hohes Maß an Flexibilität ihrer Produktionssysteme aus. Die hohen Kosten für die eingesetzten Produktionsressourcen erfordern eine hohe Auslastung, um auch unter dynamischen Auslastungen und wechselnden Produktprogrammen, wirtschaftlich produzieren zu können. In diesem Zusammenhang gewinnen effektive Peripheriesysteme, wie das Betriebsmittelsystem, an Bedeutung, um eine hohe Verfügbarkeit der Arbeitsplätze zu gewährleisten. Häufig kommt es in flexiblen Produktionen aufgrund eines Informationsdefizits, zu überhöhten Lagerbeständen der mobilen Betriebsmittel (Werkzeuge, Vorrichtungen, Messmittel), um eine vollständige Verfügbarkeit sicherzustellen. Die so entstehenden Kosten wirken sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems aus. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es daher, ein Konzept zur kontextbezogenen Informationsgewinnung im Betriebsmittelwesen zu entwerfen und deren Umsetzbarkeit anhand einer prototypischen Umsetzung zu beweisen. Im Unterschied zu den bislang bekannten Verwaltungssystemen steht demnach nicht die Verwaltung der Stammdaten für ein gegebenes Betriebsmittelsystem im Vordergrund. Gegenstand der Arbeit ist vielmehr die Verwaltung dynamischer Informationen. Dabei werden bereits bestehende Funktionen beibehalten und durch Kontextinformationen erweitert werden. Ausgangspunkt des untersuchten Lösungsansatzes bildet die Vision „ubiquitärer Computersysteme“ und die Rechnermigration in Alltagsgegenstände, der ursprünglich auf Informationsanwendungen im Büro- und Heimbereich zurückzuführen ist.Item Open Access Reifegradbasierte Werkstattsteuerung(2009) Bornhäuser, Matthias; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h. Dr. h.c. mult.)Zur Erfüllung der Marktanforderungen ist neben qualitativ einwandfreien, kostengünstigen und kundenindividuellen Produkten auch die logistische Leistungsfähigkeit eines Unternehmens entscheidend. Werkstattsteuerungsverfahren nehmen unmittelbaren Einfluss auf die logistische Leistungsfähigkeit und sind deshalb häufig Hauptangriffspunkt für Verbesserungen in der Produktionslogistik. Die Einführung und der Betrieb moderner Werkstattsteuerungsverfahren und -systeme mit immer umfangreicheren Funktionen sind jedoch vor allem bei kmUs problematisch. Viele kmUs erfüllen nicht die Anwendungsvoraussetzungen: Fehlende oder unvollständige Stamm- und Bewegungsdaten, mangelhafter Einsatz von Hilfsmitteln und eine unzureichende Logistikqualifikation der Mitarbeiter verhindern oder verzögern die Einführung, und damit den Nutzen einer hohen Logistikleistung. In dieser Arbeit wurde deshalb ein Werkstattsteuerungsverfahren entwickelt, das eine auf die Unternehmensvoraussetzungen angepasste Einführung ermöglicht und sich dann schrittweise über mehrere Reifegradstufen weiterentwickeln lässt. Die reifegradbasierte Werkstattsteuerung beinhaltet dafür die Aspekte: getakteter Auftragsfluss, bedarfsgesteuerte Produktion, Verbesserung in kleinen Schritten, sowie einfache Adaptierbarkeit. Die RWS überträgt die Vorteile getakteter Produktlinien auf funktionsorientierte Strukturen, indem sogenannte Ressourcentakte die Frequenz der Auftragsfreigabe festlegen und den gleichmäßigen Produktionsfluss von definierten Arbeitspaketen steuern. Die Auftragsfreigabe legt die Größe der Arbeitspakete für die Kapazitätseinheiten fest, und die Kapazitätssteuerung regelt die Takteinhaltung mit flexiblen Kapazitäten. Die Werkstattsteuerungsfunktionen der RWS lassen sich in unterschiedlichen Reifegradstufen betreiben. Die Reifegrade stellen dabei Entwicklungsstufen dar, die sich aus Funktions- und Prozesssicht unterscheiden. Als Ergebnis liegt die reifegradbasierte Werkstattsteuerung vor, die unter Berücksichtigung der jeweiligen Unternehmensvoraussetzungen schrittweise Logistikverbesserung ermöglicht.
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