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Item Open Access 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, PhilippDas 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.Item Open Access Magneto-hydrodynamische Fokussierung : ein neues Verfahren für die Point of Care Diagnostik(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Reis, Christian; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind die häufigste Todesursache weltweit mit einem Anteil von 12,2 Prozent. Es wird geschätzt, dass 300.000 Menschen in Deutschland jährlich einen Myokardinfarkt erleiden. Mit über 50.000 Sterbefällen pro Jahr zählt der akute Myokardinfarkt (AMI) zur zweithäufigsten Todesursache in Deutschland. Die lebensbedrohliche Situation wird durch einen plötzlichen Verschluss der Koronararterien ausgelöst, sodass Muskelgewebe nicht mehr mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird. Wird das Gefäß nicht innerhalb weniger Stunden durch entsprechende therapeutische Maßnahmen wieder geöffnet, stirbt das Muskelgewebe ab. Der Tod kann durch die verringerte Pumpleistung mit Zusammenbruch des Herz-Kreislauf-Systems (kardiogener Schock) oder durch Herzrhythmusstörungen eintreten. Bei Verdacht auf einen Myokardinfarkt ist daher keine Zeit zu verlieren. In den letzten Jahrzehnten wurde die Versorgung der Patienten von der Detektion eines Myokardinfarkts am Ort des Geschehens (Point of Care) bis zu einer genauen Analyse des Infarkts im Krankenhaus stetig weiterentwickelt. Die Detektion biomedizinisch relevanter Marker im Blut nimmt dabei einen immer höheren Stellenwert ein. Der Goldstandard zur Diagnose ist die Bestimmung von kardialem Troponin T im Blut, welches schon bei geringen Schädigungen des Herzmuskels in das Blut abgegeben wird. Aufgrund der optischen Eigenschaften von Blut birgt die Detektion dieses Biomarkers zahlreiche Problematiken. Bislang sind daher am Point of Care nur qualitative Aussagen zu einem Myokardinfarkt möglich. Genauere Analysen können erst in größeren Versorgungszentren mit entsprechendem apparativen Aufwand durchgeführt werden. Aussagen zur Schwere des Infarkts am Point of Care könnten in Zukunft zu einer schnellen eingeleiteten Therapie und einer besseren Patientenversorgung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein neues Messkonzept auf Basis oszillierender magnetisierbarer Partikel zur quantitativen Detektion von kardialem Troponin T entwickelt und untersucht. Voraussetzung dafür ist eine Nachweismethode, bei der magnetisierbare Partikel ihre mechanischen Eigenschaften durch biologische Komplexbildungen mit nicht magnetisierbaren Partikeln bei Anwesenheit von Troponin T ändern. Die Arbeit beschäftigt sich als Schwerpunkt mit der theoretischen Auslegung des Nachweisverfahrens auf Basis einer Masseänderung und der Bestimmung des dadurch veränderten Oszillationsverhaltens der magnetisierbaren Partikel in Vollblut. Das Oszillationsverhalten lässt sich durch ein optisches Detektionssystem analysieren, wodurch auf die Menge des vorliegenden Troponin T geschlossen werden kann. Dies ist ein erster Schritt von qualitativen zu quantitativen Aussagen am Point of Care. Neben der theoretischen Auslegung des Systems werden erste Messungen von im Blut sichtbaren Partikeln auf Basis des neuen Systems durchgeführt und im Anschluss diskutiert.Item Open Access A method for the assembly of microelectronic packages using microwave curing(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Adamietz, Raphael; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Advanced electronic packaging continues to gain prevalence, driven by the continuous trend for miniaturization with concurrent functional integration. Processes in use today are typically efficient for mass production, but are not suitable for the purposes of low volume and prototype production. Adhesive bonding circumvents the elaborate tooling typical for mass production and provides a higher degree of flexibility. Disadvantages lie in long curing cycle times and high handling effort. To overcome these problems, a novel method for the assembly of electronic packages is proposed, one that improves the performance and efficiency of the assembly processes and reduces the handling effort between the separate process steps by integration of assembly and curing process equipment into a single machine. An analysis of the field of electronic packaging with particular respect to adhesive curing processes is performed. Then the relevant state-of-the-art is reviewed and the need of a novel method is identified. The conception and realization of a microwave curing system, based on an open-ended waveguide resonator are carried out. Different concepts for the control of the curing process are described. A machine integrating the curing system and the assembly process equipment is designed and prototypically realized. This is followed by extensive evaluation and testing of the novel method. In the course of the evaluation a representative flip-chip assembly is realized. In order to assess the influence on reliability, a series of temperature cycling tests is performed. Additionally, stress-measurement dies are packaged and the influence of the proposed method onto residual stresses is studied. The influence of the proposed method on throughput and assembly efficiency is investigated. The proposed method provides reduction of curing cycle times for three different adhesive materials and therewith an increase of the overall throughput. By reduction of handling effort, the overall process efficiency could be improved. Furthermore, by microwave curing with the proposed method, a higher reliability of the resulting electronic packages can be achieved. The experiments with the stress chips reveal lower residual stresses in the microwave-heated chips compared to convection heating.Item Open Access Abschätzung der Kollisionsfolgen von Robotern zur Bewertung des sicheren Einsatzes in der Mensch-Roboter-Kooperation(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Oberer-Treitz, Susanne; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer generischen, systematischen Methode zur Abschätzung der Kollisionsfolgen eines Roboters, mit der eine Bewertungsmetrik basierend auf dem Kollisionspotential des eingesetzten Roboters in der direkten physischen Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) aufgestellt wird. Dem Bedarf an immer flexibleren Automatisierungssystemen, die auch Anforderungen an ergonomische Arbeitsmittel gerecht werden, stehen vermehrt Industrierobotersysteme zur Verfügung, die in direkter Nähe zum Menschen eingesetzt werden können. Dabei lässt sich für diese Robotersysteme ein neues Sicherheitsparadigma ableiten, das vorgibt, dass die Bewertung der Sicherheit der Robotersysteme nur durch ein quantifizierbares Kollisionspotential möglich ist, um ein Robotersystem damit in der MRK auf mögliche physische Kontakte mit einem Bediener auszulegen. Dazu wird in dieser Arbeit die Methode der Kollisionsfolgenabschätzung von Robotersystemen eingeführt und mit simulationsgestützten und experimentellen Werkzeugen zur Crash-Analyse durchgeführt. Das Belastungsspektrum von Kollisionen mit Robotern wird aufgezeigt und die dabei vorliegenden Kollisionsmechanismen werden charakterisiert. Dies erfolgt mit Hilfe experimenteller Kollisionsfolgenabschätzungen mit einem eigens dazu entwickelten Kollisionsprüfstand sowie durch Modellierung der Dynamik des Roboters und einem Stoßmodell zur Abschätzung der Kollisionsfolgen. Die entsprechenden Effekte der Robotercharakteristika in der Kollision werden identifiziert und auf ihren Beitrag zum Kollisionspotential hin analysiert. Daraus werden Belastungsgrößen definiert, die zur Bewertung des Kollisionspotentials eines Robotersystems herangezogen werden müssen und entsprechende Gestaltungsmaßnahmen werden abgeleitet. Eine Bewertungsmethode für die sichere MRK wird entwickelt, die basierend auf einem Verletzungsmodell mit Beziehungen von Kollisionskonfigurationen zu relevanten Toleranzgrenzen eine Sicherheitsmodellierung vornimmt, um Robotersysteme dynamisch und sicher auf potentielle Kollisionen in der MRK einzustellen.Item Open Access Erhöhung der Bandbreite von Vorschubantrieben mit Kugelrollspindeln unter Verwendung der Lagegeschwindigkeit(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Sun, Zheng; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Elektromechanische Vorschubantriebe mit Kugelrollspindeln und PPI-Kaskadenregelung haben sich in vielen Bereichen der Fertigungstechnik als geeignete Antriebslösung durchgesetzt. In Applikationen mit hohen Anforderungen an die Vorschubdynamik erweist sich jedoch die im Antriebsstang liegende Nachgiebigkeit als begrenzender Faktor für die Lageregelbandbreite. In Kapitel 2 werden die aus dem Stand der Forschung bekannten Regelansätze zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens vorgestellt und bewertet. Ungeachtet der erreichbaren hohen Bandbreite, konnten sich keine Ansätze wegen mangelnder Robustheit oder des hohen Hardwareaufwandes in der Industrie durchsetzen. So blieb in den letzten 50 Jahren die Frage offen: wie kann man ohne zusätzlichen Aufwand die Dynamik eines Vorschubantriebs erhöhen, wobei das Verhalten im Einstellaufwand und in der Stabilität bei Lastwechsel dem eines industriellen Kaskadenreglers ähnlich sein sollte. Mit der vorliegenden Arbeit wird der Versuch einer Antwort darauf gegeben. Dazu werden zwei Konzepte zur Dämpfung der mechanischen Eigenschwingungen vorgestellt und darauf aufbauend drei kaskadierte Regelansätze entwickelt. Der Ausgangspunkt des ersten Dämpfungskonzepts ist die Verwendung der Differenz der an- und abtriebsseitigen Geschwindigkeiten. Die Dämpfung der ersten mechanischen Eigenfrequenz erfolgt durch die Veränderung der Stellgröße des Drehzahlreglers. Als hochgradig ähnlich in den Eigenschaften zum derzeitigem Standardregler hat sich das Regelverfahren unter Verwendung der Geschwindigkeitsdifferenz (PPI-R-Verfahren) nach Kapitel 4 gezeigt. Die Aufwendungen zur Einstellung sind nur unwesentlich höher, die Stabilität bei Lastwechsel ist ausreichend gut und der Gewinn an Bandbreite liegt bei nahezu 100%. In Kapitel 5 wird das zweite Dämpfungskonzept beschrieben, welches mit einem schwach eingestellten Drehzahlregler verknüpft ist. Neben der Dämpfung der ersten mechanischen Eigenfrequenz, weist der schwach verstärkte Motor ein PT1-Verhalten auf, dessen Eckfrequenz unterhalb der mechanischen Resonanz liegt. Um diese Nebenwirkung zu kompensieren, wird die Standardregelstruktur durch einen PI-Regler mit der Rückführung der abtriebsseitigen Lagegeschwindigkeit (P-PI-P-Verfahren) erweitert. Die Aufwendungen zur Einrichtung sind nur geringfügig. Die Bandbreite kann über 100% erhöht werden. Neben dem PI-Geschwindigkeitsregler kann das PT1-Verhalten auch durch einen PD-Lageregler (PD-O-P-Verfahren) direkt kompensiert werden. Bei diesem Verfahren wird ein Störbeobachter für das Ausregeln der stationären Abweichung eingeführt. Der Gewinn an Lageregelbandbreite liegt bei über 200%. In Kapitel 6 werden die Funktionsfähigkeiten der entwickelten Verfahren messtechnisch validiert. Das Führungs- und Störverhalten und die Robustheit aller drei Verfahren werden an einem Versuchsstand mit der Kugelrollspindel im Zeit- und Frequenzbereich untersucht. Die Beurteilung der Zielerreichung erfolgt anhand eines Vergleichs der neuen Regelverfahren mit einem typischen industriellen Kaskadenregler für Vorschubantriebe. Die zu bewertenden Kenngrößen stellen dabei die Robustheit des Systems, der Bandbreitengewinn sowie die Komplexität der Reglerparametrierung dar. Durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass die Bandbreite unter realen Bedingungen je nach Verfahren um Faktor 2 bis 3 ansteigt. Darüber hinaus zeigen Simulationen eine geringere Robustheit im Vergleich zu einem PPI-Standardverfahren, allerdings sollte sie für die meisten Anwendungsfällen ausreichen, da alle drei Verfahren bei einem Lastwechsel von ±40% messtechnisch ausreichend stabil sind. Für die Implementierung sind keine zusätzlichen Sensoren erforderlich, sodass der Hardwareaufwand den derzeitig eingesetzten Verfahren entspricht.Item Open Access Entwicklung einer Methodik zur Planung von Arbeitssystemen in Mensch-Roboter-Kooperation(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Schröter, Daniel; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Eine hybride Automatisierung mit einer direkten Kooperation von Mensch und Roboter bietet im Vergleich zu konventionellen Produktionslösungen Verbesserungspotential hinsichtlich Ergonomie, Flexibilität und Kosten. Obwohl technische Lösungen zur Umsetzung von hybriden Arbeitssystemen bestehen, wurden bisher nur wenige Applikationen in der industriellen Serienfertigung umgesetzt. Neben mangelnder praktischer Erfahrung mit dieser neuen Technologie ist ein wesentlicher Grund hierfür, dass in bestehenden Methoden der Montageplanung Mensch-Roboter- Kooperation nur unzureichend berücksichtigt wird. Diese Arbeit stellt eine Methodik zur Planung von Arbeitssystemen in Mensch-Roboter-Kooperation vor. Basierend auf bestehenden Forschungsarbeiten wird ein Konzept zur fähigkeitsorientierten Zuordnung von Montagetätigkeiten entwickelt, das darüber hinaus die Identifikation von Montageschritten mit einer hohen Eignung für eine Kooperation von Mensch und Roboter ermöglicht. Die Umsetzung einer Applikation mit einer direkten Interaktion zwischen Mensch und Roboter erfordert spezielle Sicherheitskonzepte, die unmittelbare Auswirkungen auf die Produktivität des Arbeitssystems haben. Auf Basis aktueller Normen werden formelbasierte Zusammenhänge aufgestellt, um die maximal zulässige Geschwindigkeit von Roboterbewegungen und den Mindestabstand zu Gefahrenstellen zu berechnen. Weiterhin werden Prozessbausteine zur Beschreibung roboterbasierter Montagevorgänge definiert, die eine direkte Berechnung von Sollzeiten ermöglichen. In Kombination mit bestehenden Prozessbausteinsystemen zur Planung manueller Arbeitsvorgänge ist es möglich, Arbeitsabläufe von Mensch und Roboter in einer gemeinsamen Prozesssprache zu beschreiben und aufeinander abzustimmen. Abschließend wird die Methodik in ein softwarebasiertes Planungswerkzeug umgesetzt und anhand von zwei Anwendungsbeispielen aus der Automobilproduktion validiert.