Universität Stuttgart
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Item Open Access Mobile Robotik in der bandsynchronen Montage zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Bix, Johannes; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die sich wandelnden Anforderungen der Märkte sowie der Produktionsfaktoren in der Automobilindustrie zwingen diese ihre Produktionssysteme weiterzuentwickeln und an die zukünftigen Rahmenbedingungen anzupassen. Der Einsatz mobiler Robotik zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion in der bandsynchronen Montage schafft die Voraussetzungen für Antworten auf die Herausforderungen in der Produktion von morgen und legt den Grundstein für zukünftige Produktionskonzepte. Die Realisierung in der bandsynchronen Montage stellt besondere Anforderungen an die mobile Robotik. Diese werden auf Basis von untersuchten Anwendungsfällen aus der Montage der Automobilindustrie in einem Anforderungskatalog zusammengetragen und die spezifischen Herausforderungen abgeleitet. Für Betreiber von starr verketteten Produktionssystemen steht neben der technischen Realisierung dieser Herausforderungen vor allem die Gesamtverlässlichkeit der Produktion im Vordergrund. Wesentliche, u.a. experimentell bestätigte Einflussfaktoren auf die Verlässlichkeit eines mobilen Roboters in der bandsynchronen Montage sind die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Mit diesem Fokus wird für die bandsynchrone Montage in der Automobilindustrie ein katalogbasiertes Reaktionsverfahren entwickelt, das mithilfe der kognitiven Fähigkeiten des Menschen, aus einer integrierten Risikobeurteilung für Sicherheit und Zuverlässigkeit, vorbeugende Reaktionen für den mobilen Roboter ableitet. Diese sollen den Übergang des Roboters in einen sicheren Zustand - mit möglichst geringen Anforderungen an die mobile Rechenleistung - vorbeugend vermeiden und die geforderte Verfügbarkeit des verketteten Produktionssystems ermöglichen. Hierbei greift das Reaktionsverfahren nicht in die aus der Sicherheitsbeurteilung festgelegten technischen Schutzmaßnahmen ein. Die vorläufige Identifikation von Reaktionen ist aufgrund der bekannten Arbeitsabläufe und der für den industriellen Einsatz ohnehin durchzuführenden Sicherheitsbeurteilung in der Montage möglich. Die Verbesserung der Verfügbarkeit wird im Anschluss unter Laborbedingungen und in der bandsynchronen Montage experimentell nachgewiesen.Item Open Access Automatisierte Messablauferzeugung und 3D-Datenauswertung in der Multisensor-Koordinatenmesstechnik(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Effenberger, Ira; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In der industriellen Fertigung gewinnt die vollständige Erfassung und Prüfung der Geometrie von komplexen Bauteilen oder Baugruppen zunehmend an Bedeutung. Die gewonnenen Daten bilden im Rahmen der Entwicklung die Grundlage für komplexe Simulationen auf Basis der realen Werkstückgeometrie, im Bereich der Qualitätssicherung sind sie die Grundlage für die Optimierung der Herstellungsprozesse und Sicherstellung der Produktqualität. Seit einigen Jahren sind dafür Multisensor-Koordinatenmessgeräte etabliert, die durch den flexiblen Einsatz unterschiedlichster Sensoren die Möglichkeit bieten, verschiedene Bereiche am Werkstück jeweils anforderungsgerecht und effizient zu erfassen. Die effiziente Anwendung solcher Multisensor-Systeme setzt aufgrund ihrer Komplexität allerdings ausgeprägtes Vorwissen und Erfahrung des Anwenders voraus. In dieser Arbeit werden Verfahren zur automatisierten, geometriebasierten Messablauferzeugung und 3D-Datenauswertung für Multisensor-Koordinatenmessgeräte vorgestellt, die eine intelligente Unterstützung des Anwenders ermöglichen. Zunächst werden, ausgehend von den ermittelten Defiziten der aktuell verfügbaren Systeme, Anforderungen an die zu entwickelnden Verfahren formuliert und ein geeignetes, modulares Softwarekonzept abgeleitet. Neben Algorithmen zur Aufbereitung von CAD-Modellen liegt der Fokus der Arbeiten auf automatisierten Verfahren zur Berechnung von Sollpunkten auf CAD-Modellen, die eine Datenerfassung mit unterschiedlichen Sensoren erlauben. Hierbei muss auch die Sensorpositionierung berücksichtigt werden, mögliche Kollisionen erkannt sowie Strategien zur automatischen Umfahrung bereitgestellt werden. Darüber hinaus werden intelligente Verfahren zur Auswertung der Messpunkte vorgestellt, wobei ein besonderes Augenmerk auf große Messpunktwolken, die beispielsweise bei Anwendung der Computertomographie entstehen, gelegt wird. Abschließend wird die Funktionalität der umgesetzten Verfahren in Anwendungstests zur kombinierten Messung mit mehreren Sensoren und zur automatisierten Ausrichtung von CAD-Modell und Messpunktwolke gezeigt und die erzielten Ergebnisse ausgeführt.Item Open Access Wandelbare, echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur für Cyber-Physische Produktionssysteme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2021) Prinz, Frederick; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Heutzutage agieren Unternehmen in einem immer volatileren Umfeld mit einem unmittelbaren Einfluss auf die Produktionssysteme. Um die Wandelbarkeit von zukünftigen Produktionssystemen zu verbessern wird daher eine Automation basierend auf Cyber-Physischen Systemen (CPS) angestrebt. Diese CPS-basierte Automation zeichnet sich durch eine einheitliche, wandelbare und echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur aus. Stand heute existieren verschiedene Lösungsansätze mit unterschiedlichen Technologien zur Etablierung einer echtzeitfähigen Kommunikationsinfrastruktur. Diese Lösungen erfüllen allerdings die Anforderungen an eine zukünftige Kommunikationsinfrastruktur nur teilweise und stellen daher keine ganzheitliche Lösung dar. Insbesondere der Aspekt der Wandelbarkeit mit einer dynamischen Konfiguration von Echtzeitverbindungen zur Laufzeit wird heutzutage nur bedingt unterstützt. Dadurch wird die Vision einer CPS-basierten Automation und die Wandelbarkeit von zukünftigen Produktionssystemen allgemein eingeschränkt. Als Grundlage für eine CPS-basierte Automation wird in dieser Arbeit eine wandelbare, echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur für zukünftige Produktionssysteme vorgestellt. Diese Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht eine deterministische Kommunikation mit geringer Latenz und erfüllt die harten Echtzeitanforderungen in Produktionssystemen. Gleichzeitig wird die dynamische Konfiguration von Echtzeitverbindungen zur Laufzeit ermöglicht. Mit dem Fokus auf einer ganzheitlichen Lösung basiert die vorgestellte Kommunikationsinfrastruktur auf den drei wesentlichen Aspekten: Echtzeitkommunikation, Parametrierung und Netzwerkkonfiguration. Die Echtzeitkommunikation basiert auf der neuen IEEE Technologie Time-Sensitive Networking (TSN, IEEE 802.1). TSN ermöglicht eine einheitliche, herstellerunabhängige Kommunikationsbasis für den echtzeitkritischen und bestmöglichen Datenverkehr im Netzwerk. Dazu werden die erforderlichen TSN Mechanismen in die echtzeitfähigen Assets integriert und in einem TSN SDK (Software Development Kit) zusammengefasst. Zur einheitlichen Parametrierung der Echtzeitkommunikation wird das Konzept der echtzeitfähigen I4.0 Komponente vorgestellt. Das neue Konzept beschreibt ein echtzeitfähiges Asset mit einer sogenannten Verwaltungsschale, d.h. einer virtuellen digitalen Repräsentanz des Assets. Diese Verwaltungsschale spezifiziert die individuellen Fähigkeiten des Assets und beinhaltet zusätzliche Konfigurationsparameter für die Echtzeitkommunikation. Zur automatischen Konfiguration der Echtzeitverbindungen im Netzwerk wird ein zentraler SDN (Software-defined Networking) Controller erweitert. Dieser Controller etabliert dynamische, redundante und komplexe TSN Verbindungen zwischen verschiedenen echtzeitfähigen Assets zur Laufzeit. Dabei werden sowohl die TSN Switches in der Netzwerkinfrastruktur als auch die echtzeitfähigen Assets konfiguriert. Schließlich wird die Machbarkeit der neuen wandelbaren, echtzeitfähigen Kommunikationsinfrastruktur durch eine prototypische Implementierung gezeigt. Darauf aufbauend wird die Performance des neuen TSN SDKs evaluiert und die Integration ins Engineering beschrieben.Item Open Access A process-planning framework for sustainable manufacturing(2021) Reiff, Colin; Buser, Matthias; Betten, Thomas; Onuseit, Volkher; Hoßfeld, Max; Wehner, Daniel; Riedel, OliverProcess planning in manufacturing today focuses on optimizing the conflicting targets of cost, quality, and time. Due to increasing social awareness and subsequent governmental regulation, environmental impact becomes a fourth major aspect. Eventually, sustainability in manufacturing ensures future competitiveness. In this paper, a framework for the planning of sustainable manufacturing is proposed. It is based on the abstraction and generalization of manufacturing resources and part descriptions, which are matched and ranked using a multi-criteria decision analysis method. Manufacturing resources provide values for cost, quality, time and environmental impacts, which multiply with their usage within a manufacturing task for a specific part. The framework is validated with a detailed modeling of a laser machine as a resource revealing benefits and optimization potential of the underlying data model. Finally, the framework is applied to a use case of a flange part with two different manufacturing strategies, i.e., laser metal-wire deposition and conventional milling. The most influential parameters regarding the environmental impacts are the raw material input, the manufacturing energy consumption and the machine production itself. In general, the framework enabled the identification of non-predetermined manufacturing possibilities and the comprehensive comparison of production resources.Item Open Access OPC UA Tests im Kontext einer Dateninfrastruktur : Aussagekraft von OPC UA Testfällen für die innerbetriebliche Dateninfrastruktur(2023) Heinemann, Tonja; Ajdinović, Samed; Lechler, Armin; Riedel, OliverItem Open Access Entwicklung eines modularen und stückzahlflexiblen Qualitätskonzepts für schwere Nfz-Hybridgetriebe(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Butov, Alexej; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Elektrifizierung der Fahrzeuge nimmt sowohl im Pkw als auch im Bereich der Nfz stetig zu und damit auch der Druck auf die Hersteller und Zulieferer eigene Fertigungsstraßen weiter zu optimieren. Potentiale sind für Nfz andere als die für Pkw, da zum einen die Anzahl der Neuzulassungen und die Lebensdauer der Komponenten unterschiedlich sind. Die Fertigungsstraßen im Nfz-Bereich sind daher effizient, und flexibel zu gestalten. Potentiale dafür bietet der Bereich der Elektromotorenfertigung, speziell für Permanenterregte Synchronmotoren (PMSM). Die Notwendigkeit flexible und modulare Fertigungsstraßen auf Grund ungewisser Stückzahlen zu entwerfen, ist in öffentlich, geförderten Projekten wie bspw. Erforschung eines prozessmodularen Fertigungskonzepts für die E-Motorenfertigung (Epromo) thematisiert worden. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, unter welchen Voraussetzungen eine passive und damit rein generatorische End of Line (EoL) Funktionsprüfung für einen PMSM, der für den Einsatz in einem schweren Nutzfahrzeuggetriebe ausgelegt ist, durchgeführt werden kann. Neben den bereits genannten Gründen sind die hohen Investitions- und Wartungskosten für eine aktiven, dynamischen EoL-Funktionsprüfstand insbesondere für den OEM wichtig zu betrachten und abzuwägen. Dazu wird zunächst der Stand der Technik zu bekannten Fehlererkennungsmethoden ermittelt und mit vorhandenen Normenvorgaben abgeglichen. Weiter werden Fehlervarianten identifiziert, historische Messwerte unterschiedlicher EoL-Serienprüfstände betrachtet und signifikante Fehler an Hand von Versuchsmotoren an unterschiedlichen Prüfständen untersucht. Der erarbeitete Vergleich soll bspw. einem Fertigungsplaner dabei helfen eine bessere Entscheidung zu treffen, welche Prüfphilosophie an der EoL-Prüfstation auch bei geringen oder unsicheren Stückzahlen eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die Entscheidung der Prüfphilosophie systematisch und anhand der Analyse vorhandener Kriterien getroffen werden kann.Item Open Access Mechatronic control system for a compliant and precise pneumatic rotary drive unit(2019) Stoll, Johannes T.; Schanz, Kevin; Pott, AndreasItem Open Access Parameter identification for fault analysis of permanent magnet synchronous motors based on transient processes(2024) Wu, Chaoqiang; Verl, AlexanderAs 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.Item Open Access Unstetige Bahnerzeugung an Vorschubantrieben mittels trägheitsbasiertem Impulsaktor(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Zahn, Peter; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Verschiedene maschinelle Fertigungsprozesse erfordern, dass die Vorschubachsen einer Werkzeugmaschine einer programmierten Werkstückkontur mit minimaler geometrischer Abweichung und möglichst konstanter Bahngeschwindigkeit folgen. Dies ist jedoch im Bereich von Unstetigkeiten der Bahn (wie beispielsweise Ecken) aufgrund physikalischer Begrenzungen nicht möglich, da hier eine sprungförmige Änderung der Geschwindigkeiten der beteiligten Achsen notwendig wäre. Mit üblichen Vorschubantrieben lassen sich jedoch nur stetige Änderungen der BewegungsgrößenWeg und Geschwindigkeit erreichen. Die reale Bahn entspricht somit nicht exakt der geforderten Kontur oder aber die Bahngeschwindigkeit muss bis zum Stillstand reduziert werden. Eine möglichst gute Annäherung an entsprechende Konturen bei hinreichender Bahngeschwindigkeit führt weiter durch hohe Beschleunigungskräfte aus den Motoren zu starker Anregung der Maschinenstruktur, was ein unerwünschtes Verhalten darstellt. Heute bekannte Verfahren nutzen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens beispielsweise redundante Kinematiken, spezielle Regelungsverfahren oder optimieren die Maschinenkonstruktion hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfung. Auch sind Methoden zur Erzeugung von anwendungsorientiert optimierten Bahnen bekannt, so dass sich ein für den jeweiligen Prozess geeigneter Kompromiss aus Konturtreue und konstanter Bahngeschwindigkeit wählen lässt. Diesen Ansätzen gemein ist jedoch, dass sie im speziellen Fall von Unstetigkeiten das dynamische Verhalten verbessern aber keine systematische Lösung darstellen. Nicht betrachtet wurde hier bisher der Ansatz, an Stelle einer Anpassung der Bahn an die dynamischen Verhältnisse, tatsächliche Geschwindigkeitsbeziehungsweise Beschleunigungssprünge aktuatorisch einzubringen. Hierzu wird in dieser Arbeit ein Antriebskonzept vorgeschlagen, welches Geschwindigkeitssprünge zwischen Werkzeug und Werkstück in guter Näherung ermöglicht sowie hohe Beschleunigungen ohne Rückwirkung auf die Maschinenstruktur aufbringen kann. Der Ansatz basiert auf der Nutzung eines trägheitsbasierten Zusatzaktors, welcher mittels Stoßes eine Impulsübertragung und dadurch eine sprunghafte Geschwindigkeitsänderung hervorzurufen vermag. Die Arbeit gliedert sich in eine Darstellung der zugrundeliegenden Problemstellung sowie einem Überblick über bereits bestehende Lösungsansätze. Das vorgeschlagene Konzept eines Impulsaktors sowie seiner Wirkungsweise wird erläutert. Zur Auslegung des Systems werden simulative Voruntersuchungen durchgeführt, gefolgt von einer experimentellen Verifikation anhand einer prototypischen Umsetzung. Basierend auf dem Experiment können unsichere Modellparameter identifiziert werden, so dass sich mit dem erstellten Mehrkörpermodell weitere Parameterstudien durchführen lassen. Es wird aufgezeigt, dass eine entsprechende Zusatzaktorik signifikantes Potential zur Optimierung von Bearbeitungsprozessen aufweist beziehungsweise neue Anwendungen erschließt, welche von einer verbesserten Bahnführung an Unstetigkeiten bei gleichzeitig reduzierter Schwingungsanregung der mechanischen Maschinenstruktur profitieren. Da Ansätze mit vergleichbarem Umsetzungsaufwand bereits etabliert sind und sich der Aktor abgesehen von Umwandlungsverlusten energetisch neutral verhält, stellt das Konzept einen vielversprechenden neuen Freiheitsgrad bei der Auslegung von Vorschubantrieben dar.Item Open Access Practical aspects of cross-vendor TSN time synchronization using IEEE 802.1AS(2025) Brunner, Kilian; Frick, Florian; Ostertag, Martin; Lechler, ArminMulti-vendor interoperability is essential for the stable operation, scalability, and successful market adoption of Time-Sensitive Networking (TSN). Conformance tests address protocol conformance. Informal interoperability testing and plugfests help to improve the quality and interoperability of specific implementations, and of the underlying international standard documents. This paper presents three findings related to time synchronization in a multi-vendor TSN system. Differing interpretations of released standards and inconsistent setting of relevant system parameters resulted in undesirable behavior impacting the performance of the complete TSN system. The findings relevant to the standards themselves have been submitted to IEEE as maintenance items or are already being considered in work in progress at IEEE. In addition to interoperability testing, the importance of consistent system engineering and industry-specific TSN profiles are identified as important ingredients for successful implementation of TSN-based systems.