Universität Stuttgart
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Item Open Access Kompensation von Magnetisierungsabweichungen in Permanentmagnet-Synchronmotoren durch selektive Rotormontage(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Coupek, Daniel; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Herstellung elektrischer Antriebe für Elektro- und Hybridfahrzeuge entwickelt sich von der heutigen Kleinserienproduktion hin zur Massenproduktion. Optimierte Ansätze der Qualitätssicherung in der Produktion von Verbrennungsmotoren können aufgrund technologischer Unterschiede nicht direkt auf die Produktion von Elektromotoren übertragen werden. Um die heutigen hohen Ausschussraten zu reduzieren, müssen neue Strategien entwickelt werden. Permanentmagnet-Synchronmotoren sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise und hohen Leistungsdichte die am häufigsten eingesetzten Antriebe hybrider und elektrischer Fahrzeuge und müssen hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen genügen. Die Magnetisierung der Permanentmagnete unterliegt natürlichen Schwankungen, die durch Prozessregelung nicht verhindert werden können, da der Magnetisierungsprozess bereits im Sättigungsbereich durchgeführt wird. Magnetisierungsabweichungen in den Einzelteilen führen direkt zu Streuungen im montierten Rotor. Diese verringern im Betrieb die Leistung des Elektromotors und verursachen Vibrationen, die wiederum Geräuschemissionen und Verschleiß erhöhen. Eine Reparatur der Rotoren sowie der montierten Motoren am Ende der Produktionslinie ist aufgrund der Aufbauart technisch nicht möglich. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine Strategie der selektiven Rotormontage entwickelt, die es erlaubt, unvermeidbare Abweichungen der Magnetisierung zu erkennen und in nachfolgenden Prozessschritten zu kompensieren. Durch Ändern der Reihenfolge und Verdrehen der fehlerhaften Einzelteile soll der zusammengebaute Rotor wieder innerhalb der Toleranz liegen und ein möglichst gleichmäßiges Magnetfeld aufweisen. Eine Herausforderung ist hierbei die Entwicklung geeigneter Methoden zur Vorbehandlung der Magnetisierungs- Messwerte mittels Datenreduktion, Merkmalsselektion und –extraktion. Anschließend erfolgt eine Klassifikation der Merkmalsvektoren durch künstliche neuronale Netzwerke, welche die Grundlage der selektiven Optimierung bildet. Ein Fuzzy Inferenz System wird zur Auswahl der idealen Kombination der Einzelteile eingesetzt. Dabei wird Expertenwissen über den Prozess und die geplante Kompensation mittels Fuzzy Regeln in einer Regelbasis gespeichert. Die Methoden zur Datenanalyse, Klassifikation und Optimierung werden in MATLAB implementiert und anhand von experimentellen und simulativen Daten validiert.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 Mechatronic control system for a compliant and precise pneumatic rotary drive unit(2019) Stoll, Johannes T.; Schanz, Kevin; Pott, AndreasItem Open Access Dynamics of cable-driven parallel robots with elastic and flexible, time-varying length cables(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Tempel, Philipp; Pott, Andreas (PD Dr.-Ing.)Cable-driven parallel robots are a special class of parallel manipulators with prismatic rigid-link actuators replaced by flexible and elastic fiber cables. However, this in nature simple replacement of motion and force transmitting components, results in drastic implications on the kinematics and dynamics of such robots. Not only are cables noticeably lighter than their rigid-link counterparts, but they are also more elastic and flexible which becomes very apparent when spanning a cable between two points: cable sag is induced by the cable’s own weight, a behavior that cannot be compensated for completely. Incommodiously, these two properties - elasticity and flexibility - of fiber cables makes operating cable-driven parallel robots more involved than anticipated from their rigidlink counterparts and is still an active research field. In this thesis, particular focus is placed on the dynamics of cable-driven parallel robots under explicit consideration of cables and their spatial and axial dynamics. For the purpose of designing and controlling cable robots, we derive a full multibody model of cable robots describing spatial cable motion by means of Cosserat rod theory. Borrowed from classical mechanics, Cosserat rods capture large elastic deformations such as strain and bending allowing for describing motion of cables in space. The equations of motion are discretized using Rayleigh-Ritz’s approach to turn the continuum “cable” into a finite-dimensional model. Reference for evaluation of the cable and robot model are classical beam theory much like well-established methods of cable robot kinetostatics and of cable force distribution calculations. Numerical results of the robot dynamics are obtained with an energy and momentum conserving mechanical integrator for constrained multibody systems. Axial stress-strain dynamics of fiber cables show hysteretic and nonlinear behavior which cannot be represented by a purely linear spring. We propose theoretically and investigate experimentally an analogous model based on multiple springs and dampers, that captures hysteretic behavior and stress relaxation well. Its elastic and viscous material parameters are estimated using transfer function identification. Both contributions provide valid models for further considerations in modeling, simulation, and control of cable-driven parallel robots.Item Open Access Predictive and cooperative online motion planning : a contribution to networked mobile robot navigation in industrial applications(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Garcia Lopez, Felipe; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Current trends in intra-logistics and industrial manufacturing demand for fleets of mobile robots, or automated guided vehicles (AGVs), respectively, with high degrees of navigation autonomy to realize flexible and adaptive material transportation systems. Thereby, instead of operating in separated cells, the mobile robots are supposed to navigate autonomously in open workspaces, perform reactive obstacle avoidance and interact with pedestrian workers, human-controlled vehicles and other mobile robots. In the context of digitization, industrial environments are becoming more and more networked, raising the question how fleets of mobile robots in these environments can benefit from networked architectures to enhance their navigation capabilities regarding cooperative solutions. For that matter, this work particularly focuses on the aspect of online motion planning, a key component for autonomous mobile robot navigation. The main objective of this work is to develop and implement an online motion planning approach that enables cooperative trajectory optimization when multiple mobile robots are operating in close proximity to each other. In path-crossing scenarios, using a networked navigation architecture, the robots’ local motion planners should be able to cooperatively resolve predicted collisions and obtain smooth transitions with respect to path and velocity profiles for each involved mobile robot. In contrast, current AGV systems usually handle such path-crossing scenarios by implementing static right of way regulations where one or several mobile robots need to stop to let another robot pass. First of all, this thesis proposes a general concept of a networked system architecture for cooperative multi-robot navigation in industrial applications. Based on this concept, a concrete motion planning architecture is derived that enables cooperative optimization in multi-robot path-crossing scenarios by sharing predicted trajectories at runtime between the involved mobile robots. For this purpose, this work introduces a novel online motion planning approach for mobile robots to perform predictive trajectory planning in dynamic environments. In terms of reactive obstacle avoidance, the approach is able to incorporate predicted trajectories of dynamic obstacles. Vice versa, the planning approach considers the individual kinematic and kinodynamic constraints of the mobile robot in order to reliably predict its movement over time. Using the networked architecture, trajectories predicting the robot’s current motion are shared at runtime with other mobile robots to enable cooperative collision avoidance in path-crossing scenarios. The concepts and algorithms presented in this work have been successfully implemented in corresponding software components and have been demonstrated using a set of industrial mobile service robots. Based on this implementation, practical feasibility and performance of the proposed approach are validated and evaluated in a series of single- and multi-robot experiments.Item Open Access Untersuchung des posenabhängigen dynamischen Strukturverhaltens großer Werkzeugmaschinen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Apprich, Stefanie; Pott, Andreas (PD Dr.-Ing.)Große serielle Werkzeugmaschinenstrukturen mit werkzeugseitiger Bewegung, wie Maschinen mit Fahrständer- und Gantrybauweise, zeigen in der Regel ein posenabhängiges dynamisches Verhalten. Ist dieses zuverlässig über den gesamten Arbeitsraum bekannt und mathematisch beschrieben, so können die Antriebsregelung sowie Algorithmen zur Schwingungsreduktion darauf ausgelegt werden. Dies wirkt sich in einer möglichen Steigerung der Dynamik von Verfahrbewegungen und somit in einer erhöhten Produktivität aus. Für die Modellierung des posenabhängigen dynamischen Strukturverhaltens sind in der Literatur sowohl theoretische als auch experimentelle Ansätze bekannt. Die theoretische Modellierung nutzt meist die Substrukturtechnik mit unterschiedlichen Kopplungsmethoden. Allgemein haben die Methoden den Nachteil, dass sie entweder gar nicht oder nur teilweise am realen dynamischen Verhalten der Werkzeugmaschinenstruktur innerhalb des Arbeitsraums verifiziert werden. Damit ist in der Regel eine Reglerauslegung oder Schwingungsreduktion nicht zuverlässig möglich. Die vorliegende Arbeit behandelt daher die Bereitstellung eines parametrischen Modells, welches das reale, posenabhängige dynamische Verhalten einer seriellen Werkzeugmaschinenstruktur mit werkzeugseitiger Bewegung über den gesamten Arbeitsraum abbildet. Dafür werden die Modellparameter einer Fahrständerwerkzeugmaschinenstruktur während des Betriebs auf Basis maschineninterner Signale als auch zusätzlich an die Struktur angebrachter Beschleunigungssensoren an das aktuelle, reale Maschinenverhalten angepasst. Das parametrische Modell der Fahrständerwerkzeugmaschinenstruktur wird als Finite-Segmente-Ansatz mit Hilfe der Beschreibung starrer Mehrkörpersysteme erstellt. Es werden die ersten zwei dominante Biegemoden und eine Torsionsmode des Fahrständers modelliert. Die dynamischen Eigenschaften der Fahrständerstruktur sind dabei über die Feder- und Dämpferparameter sowie über die Massen des Fahrständers und der Pinole definiert. Das reale posenabhängige dynamische Verhalten wird nachgebildet, indem die Feder- und Dämpferparameter in Abhängigkeit der Pose und des aktuellen Zustands der realen Maschine online parametriert werden. Auf Basis der linearisierten Bewegungsgleichung werden die Schätzgleichungen für die Online-Identifikation der Feder- und Dämpferparameter für das entkoppelte System für jeden flexiblen Freiheitsgrad hergeleitet. Die Schätzgleichungen beruhen auf der Methode der Rekursive Least Squares. Mit ihnen findet die Parameteridentifikation online im Betrieb der Maschine, jedoch nicht während des Bearbeitungsprozesses, statt. Die Verifikation der online Parameteridentifikation wird am Laborprototyp einer Leichtbaufahrständermaschine durchgeführt, indem die Struktur mit Impulsen, Sprüngen und definierten Verfahrbewegungen beaufschlagt wird und dabei die Modellparameter bei stehender und fahrender Pinole geschätzt werden.