Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
5 results
Search Results
Item Open Access Robotermanipulationsfähigkeiten zur Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Friedrich, Christian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In Produktionssystemen spielt die Anlagenverfügbarkeit und Produktqualität, vor allem im Hinblick auf ökonomische Unternehmensziele, eine entscheidende Rolle. Damit dies erreicht werden kann, unterliegen Produktionseinrichtungen regelmäßigen Instandhaltungsarbeiten. Während für Inspektionsaufgaben bereits Verfahren zur Verfügung stehen, welche die automatisierte Fehlerdetektion, -isolation und -identifikation erlauben, bestehen bisher keine Systeme, die eine automatische Wiederherstellung des Sollzustands ermöglichen. Aufgrund dessen untersucht diese Arbeit neuartige Manipulationsfähigkeiten, die es einem autonomen Robotersystem erlauben, Wartungs- und Instandsetzungsaufgaben zu automatisieren, hierdurch den menschlichen Akteur unterstützen und langfristig zu einer Attraktivitätssteigerung der Produktion in Hochlohnländern führen könnten. Damit Robotersysteme derart komplexe Aufgaben unter realitätsnahen Bedingungen autonom lösen können, entwickelt diese Arbeit spezielle Fähigkeiten zur Planung, Steuerung und Regelung von Robotermanipulationen. Ein besonderes Hauptaugenmerk bei der Entwicklung dieser Methoden liegt dabei vor allem auf der zeiteffizienten Planung sowie der Möglichkeit zur Kompensation von Umweltunsicherheiten zwischen a priori und Sensordaten. Für die Aufgabenplanung wird ein Verfahren entwickelt, welches auf Basis von CAD- und visuellen Sensordaten, die notwendigen Manipulationen in Form symbolischer Anweisungen generiert. Durch einen neuartigen stichprobenbasierten Ansatz wird eine zeiteffiziente Berechnung möglicher Demontageräume erlaubt. Damit eine zielgerichtete Akquirierung relevanter Sensordaten ermöglicht werden kann, wird ein Algorithmus vorgestellt, der mittels aufgabenabhängiger Metriken die Kombination von Kartenexploration und Objekterkennung in einer geeigneten Sensorpose zulässt. Zur Planung einer Bewegungsbahn, für die Ausführung der einzelnen Manipulationsaufgaben, werden, dem Stand der Technik gemäß, bekannte globale Bahnplanungsverfahren verwendet. Jedoch wird eine Vorverarbeitungsstrategie vorgeschlagen, die auf Grundlage einer adaptiven Schrittweitensteuerung eine deutliche Reduktion des Planungsraums zulässt, wodurch eine niedrigere Planungszeit bei höherer Erfolgsrate in der Lösungsfindung erzielt wird. Die aus der Planung generierte Beschreibung wird weitergehend in ein Anwenderprogramm umgesetzt. Hierzu wird ausgehend von einer allgemeinen Dekompositionsvorschrift die Generierung elementarer Roboterkontrollanweisungen erlaubt, welche aufgabenabhängig über propriozeptive oder exterozeptive Regler ausgeführt werden. Die entwickelten Manipulationsfähigkeiten werden in eine Steuerungsarchitektur integriert und ganzheitlich an einem Demonstratorsystem, anhand praxisrelevanter Anwendungsfälle, experimentell validiert.Item Open Access Knowledge-based cost-benefit analysis of robotics for SME-like manufacturing(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Dietz, Thomas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Robot systems promise high potential for improvement of production processes in small and medium-sized enterprises (SME). Often, reliable data for the assessment of costs and benefits of robot systems is missing, because they are special machinery and because the required information is distributed among component manufacturer, system integrator and end-user. The problem of cost-benefit assessment of industrial robot systems in the face of uncertain and incomplete information is of high relevance for unlocking the potential of robotics in SME-like production environments. In order to solve this problem, methods from business economics and from knowledge management in robotics are combined in a cost-benefit model for robot systems. This cost-benefit model builds on the established PPR-approach, which separates the concerns of product, process and resources. The PPR-approach is expanded with specific cost-relevant aspects. Domain specific costing models, borrowing from activity-based costing (ABC), for product, process, resources and cost information are proposed. These models and the meta-information required for their usage are collected in a knowledge base. The input for the cost-benefit assessment is a description of the current planning status in AutomationML. This information is matched to the information in the knowledge base through reasoning. This allows to automatically build an overall cost-benefit model for the robot system. Missing or inaccurate information causes uncertainties. These uncertainties are modeled using interval arithmetics. The overall cost-benefit model is able to process interval numbers and hence to compute on the uncertain information. The interval representation offers an intuitive description of uncertainties in costs and benefits. An amortization graph allows to intuitively represent the results of the cost-benefit assessment for the entire life-cycle. A test implementation of the cost-benefit assessment method allows an evaluation of its results for two realistic use cases. The resulting costs, benefits, and project planning are plausible and in agreement with real experience. Concluding, the cost-benefit assessment method has high potential to improve decision making in the development of robot systems.Item Open Access Ein gekoppeltes Materialflussmodell zur durchgängigen Entwicklungsunterstützung von Materialflusssteuerungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Hoher, Simon; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Innerbetriebliche Materialflusssysteme beeinflussen unmittelbar die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. Die Anforderungen an die Materialflusssteuerung haben zugleich ein hohes Ausmaß an Komplexität erreicht. Die Eintrittswahrscheinlichkeit und das Schadensausmaß von Ausfällen der Steuerungstechnik durch Softwarefehler stellen ein dominierendes Problem im innerbetrieblichen Materialfluss dar. Deshalb werden je nach Entwicklungsphase und Zielsetzung neue individuelle und problemspezifische Materialflusssimulationen entworfen, um die Entwicklung des innerbetrieblichen Materialflusssystems abzusichern. Die Kosten, die aufgrund des zusätzlichen Zeitaufwandes für die Erstellung der Simulation entstehen, und diejenigen für die Simulationssoftware amortisieren sich schon nach dem einmaligen Einsatz. Dennoch ist die Erstellung der individuellen und problemspezifischen Simulationen in den Entwicklungsphasen immer noch sehr zeitaufwändig. Für jede Modellerstellung wird speziell ausgebildetes Fachpersonal benötigt. Ferner können die jeweiligen Simulationsergebnisse nicht direkt für die Entwicklungsunterstützung von Materialflusssteuerungen verwendet werden. Die Modellvalidität - also die Richtigkeit der Simulation für den Einsatzzweck - geht zwischen den jeweiligen Simulationsläufen in den Entwicklungsphasen wegen der neu erstellten Modelle verloren und muss jedes Mal erneut nachgewiesen werden. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, die unterschiedlichen Materialflussmodelle in einem Materialflussmodell zu koppeln. Die Entwicklung der Materialflusssteuerung kann dann mit einem einzigen Simulationsmodell und gezielten Simulationsläufen unterstützt werden. Dadurch reduziert sich der Modellerstellungsaufwand erheblich. Außerdem können doppelte Schritte bei der Modellerstellung vermieden werden und die Modellvalidität für bereits erstellte Modelle bleibt erhalten.Item Open Access Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Scheifele, Christian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Im Entwicklungsprozess neuer Produktionsanlagen werden heute im Maschinen- und Anlagenbau abgestimmte Simulationen in verschiedenen Ausprägungen eingesetzt, um die Prozesse zu beschleunigen und die Qualität bei gleichzeitiger Kostensenkung zu erhöhen. Im Entwicklungsprozess kommen Simulationen zur virtuellen Inbetriebnahme von industriellen Steuerungssystemen, im Speziellen im Rahmen der Hardware-in-the-Loop Simulation, zur Anwendung. Für eine umfassende virtuelle Absicherung und Auslegung von Produktionsanlagen müssen die Wechselwirkungen zwischen Prozess, Maschine, Steuerungssystem und Bediener durch die Virtualisierung abgebildet werden. Es besteht eine direkte Korrelation zwischen der Aussagekraft der Virtualisierung und dem möglichen Konkretisierungsgrad im Rahmen einer Hardware-in-the-Loop Simulation. Bestehende Arbeiten zeigen, dass die präzise Abbildung des Prozess- und Maschinenverhaltens in einer Echtzeit-Simulation aufgrund der beschränkten Rechenleistung zunehmend eine große Herausforderung der Hardware-in-the-Loop Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme ist. Um diesem wachsenden Defizit zu begegnen, untersucht diese Arbeit die Steigerung der Aussagekraft virtueller Produktionsanlagen für eine umfassende virtuellen Absicherung und Auslegung im Rahmen einer virtuellen Inbetriebnahme. Ziel der Arbeit ist die Konzeption und die Entwicklung einer Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die Hardware-in-the-Loop Simulation, welche die zur Modellberechnung nutzbare Rechenleistung auf Basis einer parallelisierten Echtzeitberechnung in einer Co-Simulationsarchitektur steigert. Die Arbeit stellt im Rahmen der Untersuchungen zum Stand der Forschung und Technik dar, dass in bestehenden Arbeiten aus dem Bereich der Hardware-in-the-Loop Simulation mit industriellen Steuerungssystemen die Untersuchung von Co-Simulationsarchitekturen und damit die Verteilung der Berechnung auf mehrere Simulationstasks zur Steigerung der Modellkomplexität bislang ausstehend ist. Bestehende Arbeiten zur Co-Simulation aus anderen Simulationsdomänen werden den spezifischen Anforderungen an eine Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation bei der Einbindung industrieller Steuerungssysteme nicht gerecht. Dies macht die Konzeption und die Entwicklung einer Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation unter Berücksichtigung einer Einbindung industrieller Steuerungssysteme für eine virtuelle Inbetriebnahme notwendig. Die Konzeption der Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation im Rahmen der Arbeit ist in die Teilaufgaben der Konzeption der Modellierung und Initialisierung und in den Entwurf eines Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus für die Echtzeitberechnung unterteilt. Die Modellierung der virtuellen Produktionsanlage erfolgt in einer ganzheitlichen Darstellung in einem generierbaren Blockschaltbild auf Basis einer komponentenbasierten Strukturierung. Zur Einbindung leistungsfähiger disziplinspezifischer Simulationslösungen werden unterschiedliche Integrationsmöglichkeiten zur Verfügung gestellt. Zur Parallelisierung der Modellberechnung in einer Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Modellpartitionierung aufgezeigt und ein heuristischer Partitionierungsmechanismus entworfen. Dem hohen Aufwand einer manuellen Modellerstellung für eine virtuelle Inbetriebnahme begegnen heute bereits Ansätze der automatischen Modellgenerierung, welche sich in den Entwicklungsprozess neuer Produktionsanlagen integrieren. Durch die Realisierung einer automatisierten Parametrierung, Initialisierung und Kopplung der Echtzeit-Co-Simulation im Anschluss an eine automatische Modellgenerierung wird der wirtschaftliche Einsatz der entworfenen Plattformlösung im Maschinen- und Anlagenbau sichergestellt. Der Entwurf des Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus berücksichtigt sowohl die Einhaltung der verlustfreien und zeitsynchronen Kommunikation mit dem Steuerungssystem als auch die Gewährleistung der Reproduzierbarkeit von Simulationsläufen im Rahmen einer Hardware-in-the-Loop Simulation. Beim Entwurf des Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus wird eine Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur aus Simulationstasks mit unterschiedlicher Taktung als auch unterschiedlicher Ausführungsplattform berücksichtigt. Die Arbeit schließt mit der Realisierung der entworfenen Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation sowie deren Anwendung in zwei beispielhaften Simulationsszenarien. Es wird dargestellt, wie mit der entworfenen Plattform der Problemstellung dieser Arbeit in den ausgewählten Materialflussszenarien begegnet werden kann. Die Umsetzung der Plattform wird anhand der definierten Anforderungen der Arbeit bewertet.Item Open Access Methode zur Reduktion technischer Nebenzeiten in der spanenden Fertigung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Bosch, Thomas; Klemm, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Kostendruck und Ressourceneffizienz machen es notwendig, Fertigungsprozesse immer weiter zu optimieren. Ein probates Mittel ist dabei die Reduktion der so genannten technischen Nebenzeiten. Diese haben einen nicht unwesentlichen Anteil an der Hauptnutzungszeit von Werkzeugmaschinen und sind im Gegensatz zu den technischen Hauptzeiten nicht wertschöpfend. Viele Fertigungsprozesse weisen einen Anteil technischer Nebenzeiten auf, der knapp unter oder gar über dem der technischen Hauptzeiten liegt. Die Optimierung technischer Nebenzeiten stellt sich aber äußerst komplex dar. Computerized Numerical Controls (CNC) sind in ihrer Anwendung, Sprachsyntax und Parametrierung äußerst vielschichtig. Das notwendige Fachwissen, technische Nebenzeiten optimieren zu können, besitzen nur sehr wenige Personen. Um diesem Umstand entgegen zu treten, wurde die in dieser Arbeit vorgestellte Methode zur Reduktion technischer Nebenzeiten für die spanende Fertigung neu entwickelt. Dazu werden zuerst acht verschiedene Verfahren der Potenzialanalyse technischer Nebenzeiten vorgestellt. Daran anknüpfend wird die eigentliche Methode zur Reduktion technischer Nebenzeiten behandelt. Sie gliedert sich in acht thematisch geordnete Gruppen, wobei der Fokus dieser Arbeit auf den drei wichtigsten Gruppen liegt. Sie beinhalten jeweils verschiedene Optimierungsverfahren. Diese werden dargestellt und miteinander verglichen. Außerdem erfolgt dabei auch eine Beschreibung spezifischer Vor- und Nachteile. Da ein Großteil der Verfahren für eine manuelle Anwendung zu komplex ist, wurden Computerprogramme entwickelt, welche Teile der Anwendung der Methode automatisieren und sie somit einfacher anwendbar machen. Um die Verfahren zur Potenzialanalyse und der Methode zur Reduktion technischer Nebenzeiten bewerten zu können, wurden diese an drei ausgewählten, realen Fertigungsprozessen der Großserienfertigung automobiler Antriebsstrangkomponenten angewendet. Gehobene beziehungsweise zu hebende Potenziale werden ausführlich dargestellt und erklärt. Die Bewertung der Potenzialanalyse- und Optimierungsverfahren erfolgt anhand der ermittelten Potenziale und ergänzender Bewertungskriterien.