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Start date: 2000Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und FertigungseinrichtungenSubject: search.filters.subject.670

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    iWindow - Intelligentes Maschinenfenster
    (Düsseldorf : VDI Verlag, 2018) Sommer, Philipp; Verl, Alexander; Kiefer, Manuel; Rahäuser, Raphael; Müller, Sebastian; Brühl, Jens; Gras, Michael; Berckmann, Eva; Stautner, Marc; Schäfer, D.; Schotte, Wolfgang; Do-Khac, Dennis; Neyrinck, Adrian; Eger, Ulrich; Sommer, Philipp
    Das Verbundforschungsprojekt iWindow: Intelligentes Maschinenfenster beschäftigte sich mit der visuellen Unterstützung von Maschinenbedienern an Werkzeugmaschinen. Diese konnten bisher nur auf wenige bis keine Systeme, die sie bei ihren täglichen Aufgaben direkt an der Werkzeugmaschine unterstützen, zurückgreifen. Das Forschungsprojekt verbindet reale und virtuelle Welt in der Werkzeugmaschine durch Technologien wie Virtual und Augmented Reality, digitaler Zwilling, Simulation und Mehrwertdienste. Durch Nutzung jeweils für die aktuelle Arbeitssituation passender Dienste, werden Mitarbeiter befähigt, sich an die steigende Individualisierung der Produkte und die flexiblere Produktion anzupassen. Kunden und Geschäftspartner werden durch die Möglichkeit eigene mehrwertgenerierende Dienste zu entwickeln und anderen Anwendern zur Verfügung zu stellen in den Wertschöpfungsprozess eingebunden. Diese Publikation beleuchtet die im Rahmen des Forschungsprojekts erarbeiteten Ergebnisse hinsichtlich für ein intelligentes Maschinenfenster benötigter Technologien und Entwicklungen.
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    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.
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    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.
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    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.
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    Verfahren zur automatisierten Handhabung von hochsensiblen Photovoltaik-Substraten aus Flüssigkeiten
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Giesen, Tim; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
    Bestrebungen in der Entwicklung und der Produktion zukünftiger kristalliner Photovoltaik-Zellen haben unter anderem den reduzierten Einsatz von hochreinem Silizium mittels neuer Produktionstechnologien im Fokus. Für die Herstellung von ultra-dünnen Siliziumsubstraten kann das thermomechanische Verhalten des Siliziums genutzt werden, um folienartige, stark gebogene Substrate mit Dicken zwischen 50 - 80 μm zu erzeugen. Diese müssen in anschließenden Prozessschritten gereinigt werden, um flache, nutzbare Substrate für Photovoltaikzellen zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit ist es, für die Reinigung der sich transformierenden Substrate - von einem gebogenen in einen flachen Zustand während des Reinigungsschrittes - eine automatisierte Handhabung zu entwickeln und zu erproben. In der Folge werden die Randbedingungen für das Handhabungsverfahren analysiert, Anforderungen an das Verfahren abgeleitet und das Verfahren konzipiert. Unter der Berücksichtigung von unsteten Bedingungen durch die Prozessflüssigkeit wird das Handhabungsverfahren im aufgestellten Modell regelbar ausgelegt. Die Komplikationen des Handhabungsverfahrens werden erörtert und dabei die Wirkzusammenhänge zwischen Greifpunktpräzision und resultierender Positioniergenauigkeit für einen kontinuierlich stabilen Prozess deutlich. Mit dem Aufbau eines Demonstrators wird das konzipierte Verfahren umgesetzt und die einzelnen Verfahrensfunktionen experimentell untersucht und charakterisiert. Durch die Identifikation der signifikanten Parameter werden die Bedingungen für eine automatisierte Handhabung in Flüssigkeiten beschrieben. Für die Erprobung werden im Dauerversuch Handhabungsvorgänge bei unterschiedlichen Flüssigkeitszuständen bewertet. Die Erprobungsergebnisse zeigen die potentielle Anwendbarkeit des Verfahrens für die industrielle Nutzung. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Grundlagen für die Automatisierung eines Schlüsselprozesses geschaffen, der die zukünftige Produktion ultra-dünner Siliziumsubstrate und deren Handhabung aus Prozessflüssigkeiten heraus ermöglicht. Es wird ein hoher Erfüllungsgrad der an das Verfahren gestellten Anforderungen aufgezeigt. Synergien des automatisierten Handhabungsverfahrens lassen sich aus den eigens entwickelten Teilsystemen der Greifpunktbestimmung und der Handhabungsbewertung für die situative Prozesslenkung auf weitere, vergleichbare Anwendungsfälle übertragen.
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    Parameter identification for fault analysis of permanent magnet synchronous motors based on transient processes
    (2024) Wu, Chaoqiang; Verl, Alexander
    As 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.
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    Methodik für eine ganzheitliche Testautomatisierung beim Systemtest von automatisierten Fertigungssystemen
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Kübler, Karl; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
    Seit Jahrzehnten wird daran entwickelt und geforscht, den Automatisierungsgrad von Fertigungssystemen zu erhöhen. Im Trend steigender und intelligenterer Automatisierung ergibt sich der Effekt von deutlich mehr softwarebasierten Lösungen. Der höheren Dynamik beim Entwickeln und Nachbessern an der Software steht ein steigender Aufwand zur Qualitätssicherung gegenüber: Komplexere Testabläufe und größere Datenmengen bedeuten einen gestiegenen Testumfang bei gleichzeitig höherer Frequenz an Testdurchführungen. Diese Tendenzen machen eine hohe Testabdeckung und eine hohe Testtiefe mittels manueller Testprozesse unmöglich. In dieser Arbeit wird eine ganzheitliche Testautomatisierung entwickelt, um den Testprozess für Fertigungssysteme zu verbessern. Zielgröße ist die Schnittmenge aus hoher Aussagekraft der Testergebnisse und geringem Aufwand bei der Anwendung der neuen Testmethodik. Anhand zweier Validierungsszenarien werden Verbesserungen zum bisherigen Testprozess ermittelt. Quantitativ verkürzt die Methodik die Zeitdauer bei der Testdurchführung mit einem Testwerkzeug um ca. 45 %. In einem Systemtestszenario wurde der Gesamtaufwand mit Testentwurf und -abschluss um ca. 95 % gesenkt.
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    Cloud-based cooperative long-term SLAM for mobile robots in industrial applications
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Dörr, Stefan; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
    Mobile Roboter wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) erfahren seit Jahrzehnten zunehmend Anwendung für intralogistische Aufgaben im Bereich der industriellen Produktion und Logistik. Um die benötigten Verfügbarkeiten dieser industriellen Anforderungen zu erreichen, benötigen derzeitig kommerziell verfügbare Navigationslösungen zumeist zusätzliche in die Umgebung eingebrachte Infrastruktur, wie magnetische Leitlinien oder retro-reflektive Marker, oder sind begrenzt auf Anwendungsgebiete mit stark strukturierten, unveränderlichen Umgebungen. Die derzeit steigende Nachfrage nach hochflexiblen FTS, welche auch im dynamischen Umfeld und in nicht-abgetrennten Arbeitsbereichen mit Menschen und anderen Fahrzeugen effizient navigieren, kann mit diesen Lösungen nur unzureichend befriedigt werden. Navigationslösungen, die diesen hohen Anforderungen gerecht werden, müssen vielmehr über einen gesteigerten Autonomiegrad verfügen und gleichzeitig bestehende Anforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit und Präzision aufrechterhalten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung entsprechender Navigationsverfahren unter Ausnutzung aktueller Entwicklungen im Bereich der Industrie 4.0 und Cloud-Robotik. Konkret wird ein cloud-basiertes, kooperatives Navigationsverfahren vorgestellt, welches die Vernetzung der Roboter untereinander sowie die Ausnutzung externer Rechenressourcen auf Cloud-Servern integriert. Um derzeitige Beschränkungen im Bereich der drahtlosen Datenübertragung zu berücksichtigen, verbleiben dabei Basis-Navigationsfähigkeiten auf den mobilen Robotern, wodurch deren Navigationsfähigkeit auch bei Netzwerkverbindungsabbrüchen aufrecht erhalten wird. Auf Cloud-Servern ausgelagerte, kooperative Navigationsverfahren sorgen hingegen für die notwendige Langzeitstabilität der Navigation, auch in herausfordernden Umgebungen. Eine Schlüsselfähigkeit des kooperativen Navigationssystems ist das Generieren von stets aktuellen Umgebungskarten für Lokalisierung und Pfadplanung basierend auf den Sensorbeobachtungen der gesamten Roboterflotte. Hierfür wird ein kooperativer Long-Term Simultaneous Localization and Mapping (LT-SLAM)-Ansatz präsentiert, bei welchem jeder Roboter detektierte Kartenänderungen an den cloud-basierten LT-SLAM-Server überträgt. Dieser fusioniert die eingehenden Karteninformationen in eine konsistente, globale Karte und stellt diese den einzelnen Robotern in Form von Karten-Updates zur Verfügung. Zusätzlich wird ein Verfahren zur gegenseitigen Detektion der Roboter und zum Austausch von Lokalisierungsinformationen integriert. Ein weiterer Fokus der Arbeit liegt auf der EntwickSummary lung einer Kartenrepräsentation, welche die vielfältigen und teils konträren Anforderungen dieser Applikationen erfüllt. Sowohl Wirksamkeit als auch praktische Anwendbarkeit werden anschließend in verschiedenen Simulations- und Echtwelt-Experimenten nachgewiesen. Dabei überzeugt der vorgestellte Ansatz insbesondere in erhöhter Lokalisierungspräzision und -robustheit, kürzeren Navigationswegen gegenüber unvernetzten Ansätzen sowie moderaten Netzwerkauslastungen.
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    Architektur für einen Verzeichnisdienst in der serviceorientierten Produktionstechnik
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Kretschmer, Felix; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)
    In dieser Arbeit wird eine Architektur entworfen, welche den Bedürfnissen einer serviceorientierten Produktionstechnik gerecht wird und einen Verzeichnisdienst bereitstellt, der unter Adaption serviceorientierter Architekturen den Schulterschluss von IT und OT ermöglicht. Hierfür werden zunächst verfügbare Technologien und Lösungen verglichen. Durch die weite Verbreitung von Verzeichnisdiensten in der IT existieren bereits zahlreiche Lösungen, welche sich mit sehr unterschiedlichem Erfolg durchgesetzt haben. In der OT hingegen existieren bisher keine vergleichbaren Lösungen, dennoch stehen standardisierte Technologien zur Verfügung, welche die Funktionalität eines Verzeichnisdienstes erfüllen können. Auf Basis von OPC UA wird ein Verzeichnisdienst entworfen, welcher Fähigkeiten und Schnittstellen von cyber-physischen Systemen im Produktionsumfeld bereitstellt. Dies erfolgt über die Abbildung der Daten in Informationsmodellen, welche auf LDAP-Verzeichnisse in der Office-IT synchronisiert werden können.
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    Online-Bahnplanung für mehrere Flugroboter in veränderlicher Umgebung mithilfe der Kurvenflussmethode
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2022) Huptych, Marcel; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)
    Um für zukünftige Produktionslinien eine möglichst hohe Flexibilität zu ermöglichen, wird für den Kleinteiletransport aktuell der Einsatz unbemannter Flugfahrzeuge (UAVs, engl. unmanned aerial vehicles) untersucht. Gegenüber boden- und liniengebundenen und häufig starren Materialflusseinrichtungen bieten UAVs die Möglichkeit den meist ungenutzten Luftraum innerhalb der Produktionsstätten auszunutzen. Um dem hohen Kollisionspotenzial, welches dabei durch parallele und unabhängige Flugbewegungen entsteht, zu begegnen, wird im Rahmen dieser Arbeit mit der Kurvenflussmethode (KFM) eine neue Bahnplanungsmethode entworfen. Auf Basis eines in Echtzeit aktualisierten Umgebungsmodells werden die Flugbahnen durch Aufprägung virtueller Kräfte zur Laufzeit derart an den aktuellen Umgebungszustand angepasst, dass sie stets um statische (z.B. Gebäudeelemente, Versorgungsleitungen) sowie dynamische (z.B. weitere UAVs) Hindernisse herumführen. Obgleich die in der mobilen Robotik eingesetzte Elastic-Bands-Methode (EBM) ein der KFM ähnelndes Funktionsprinzip besitzt, konnten in einer Voruntersuchung einige Schwächen der EBM identifiziert werden. Diese betreffen vorwiegend die begrenzte numerische Stabilität sowie die abstrakte Parametrierung der EBM und werden durch die KFM behoben. Dazu wird die KFM zunächst als verallgemeinerte Bahnplanungsmethode theoretisch hergeleitet. Eine systemtheoretische Analyse des Bahnverhaltens ermöglicht die Herleitung der Kenngrößen für die Parametrierung der KFM anhand physikalischer Größen. Ein abschließender Vergleich zeigt folgende signifikante Vorteile der KFM gegenüber der EBM: Numerisch stabile Lösbarkeit, analytische Parametrierbarkeit, Skalierungsunabhängigkeit sowie eine etwas höhere Recheneffizienz. Losgelöst von der EBM werden anschließend weitere Steuerungsfunktionen, welche für die Anwendung der KFM auf die Problemstellung (parallele Bewegungsführung mehrerer UAVs) benötigt werden, erläutert. Dazu zählen z.B. Hindernis- und Arbeitsraummodellierung, Initialisierung, Bahninterpolation sowie Start- und Landemanöver. Abschließend werden mehrere parallel ausgeführte Instanzen der KFM auf jeweils eigenen Industriesteuerungen, welche über eine lokale Cloud vernetzt sind, in Betrieb genommen. Die KFM wird dabei als eigene (kollisionsfreie) Punkt-zu-Punkt-Interpolationsart implementiert, sodass mithilfe von Ablaufprogrammen nacheinander verschiedene Punkte angeflogen werden können, ohne das Kollisionspotenzial bei der Programmierung explizit berücksichtigen zu müssen. Verschiedene Validierungsszenarien werden zunächst in Form einer Hardware-in-the Loop-Simulation mit Dynamikmodellen der UAVs und schließlich mit realen UAVs durchgeführt.