Digitale Leitsysteme (EN)

Flexibilisierte Massenproduktion ist ein Grundpfeiler der Produktion der Zukunft: Digitale Leitsysteme der Zukunft reduzieren Fertigungszeiten, indem sie autonom die Produktion konfigurieren und Arbeitsschritte steuern.
Intelligentes Prozessleitsystem
Ontologie-Artefakte
Integrated Positioning System
Virtueller
Leitstand
Kollisionsfreie Bahnplanung für kooperierende Roboter
Offlineprogrammiersystem für biegeschlaffe Halbzeuge

Untersuchung zur zukünftigen Kopplung von Roboterzellen an eine digitale Plattform für die Industrie 4.0

Die Idee dahinter

Langfristig sollen über eine digitale Plattform für die Produktentwicklung schon im Entwurf Informationen zur späteren Fertigung, sowohl in technischer als auch betriebswirtschaftlicher Hinsicht, verfügbar werden.

Das konkrete Ziel ist, die Kopplung dieser digitalen Plattform mit Fertigungsanlagen, speziell Roboterarbeitszellen, zu untersuchen. So soll es in Zukunft z.B. möglich sein, dass die Ingenieure während des Entwurfs von Produkten informiert werden, inwieweit die verfügbaren Produktionsmittel das Produkt fertigen können. Um dieses langfristige Ziel zu erreichen muss die Schnittstelle zwischen Entwurf und Fertigung besser verstanden und im nächsten Schritt maschineninterpretierbar modelliert werden. Dazu sollen die Fähigkeiten von Robotersystemen, sogenannte Skills und weiteres Wissen über die Produktion in einer Ontologie abgebildet und mit Entwurfs-Werkzeugen (in erster Linie CAD-Tools) verknüpft werden.
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Der Aufbau des Systems

Bisher wurde an der Erstellung einer Ontologie zur Beschreibung eines Robotermontageszenarios gearbeitet. Diese enthält erste Konzepte zur Beschreibung des Montagevorgangs, welche allerdings weiter ausgebaut werden sollen. Zudem existieren eine Datenbank und Schnittstellen, die auf der Ontologie basieren. Einer der nächsten Schritte ist die (prototypische) Anbindung eines oder mehrerer CAD-Tools an einen Montageplaner.

Anwendungen

Aktuell sind in der Ontologie Montageaufgaben für die Montage von individuellen Produkten auf Basis eines Baukastensystems für Aluminiumprofile beschrieben (allerdings noch im Aufbau).

Der Fokus liegt momentan auf der Repräsentation der Bauteile und ihren Beziehungen. Mit der späteren Beschreibung von kompletten Robotersystemen und all ihren Fähigkeiten soll es möglich sein mit Hilfe eines Assistenzsystems automatisch Vorschläge für die Umsetzung von neuen Montageaufgaben zu generieren. Der manuelle Aufwand für den Menschen und die Komplexität
der Planungsaufgabe kann dadurch reduziert werden.
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Ansprechpartner:

Philipp M. Schäfer,
Diana Peters

Intelligentes Prozessleitsystem

Die Idee dahinter

In der Fabrik der Zukunft werden Produkte in kleinen Losgrößen aus kundenspezifizierten Bauplänen hergestellt. Im Vergleich zu einer Fertigungsstraße, die ein und dasselbe Produkt in Serie produziert, ist hier eine flexible Steuerung nötig, die mit verschiedenen Bauplänen umgehen kann und Aufgaben auf die einzelnen Maschinen dynamisch verteilen kann.

Der Aufbau des Systems

Das am ZLP in Augsburg entwickelte System ist in der Lage, einen Bauplan eines CFK-Bauteils aus einem CAD-System einzulesen und zu verarbeiten. Für jeden einzelnen Zuschnitt gibt es Produktionsschritte, die der Reihe nach abzuarbeiten sind, wie Erstellung des Zuschnitts an einer Cutteranlage, Transport des Zuschnitts in die Produktionszelle, roboterbasiertes Legen des Zuschnitts in eine Form und anschließende Qualitätssicherung. Der gesamte geplante Ablauf sowie der aktuelle Stand werden dem Nutzer visuell dargestellt.

Anwendungen

Das System wurde bereits in der Herstellung von CFK-Demonstratorbauteilen eingesetzt, unter anderem auch beim Bauweisenkolloquium zum zehnjährigen Bestehen des ZLP in Augsburg. Dabei erledigte es alle oben beschriebenen Funktionalitäten bei der Herstellung einer Druckkalotte aus CFK. Darüber hinaus wurde es auch bei internen Forschungsprojekten eingesetzt und wird stetig weiterentwickelt. Hierbei sind zum Beispiel eine weitergehende Ablaufoptimierung und die Behandlung von Fehlerfällen wichtige Themen. Auch das Management von anfallenden Prozessdaten wird in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Screenshot des Prozessleitsystems während der Herstellung einer Druckkalotte aus Kohlenstofffaserzuschnitten

Ansprechpartner:

Florian Krebs

Offlineprogrammiersystem für biegeschlaffe Halbzeuge

Die Idee dahinter

Bei der Produktion von Kohlefaserverbundstoffen ist ein wichtiger Schritt die Aufnahme eines zweidimensionalen Zuschnitts aus Kohlefasern und dessen Ablage in einer dreidimensionalen Form.

Im Zuge der automatisierten und digitalisierten Fertigung wird dies von Robotern mit geeigneten Greifern durchgeführt. Herkömmliche Offlineprogrammiersysteme stoßen dabei schnell an ihre Grenzen, weshalb der Wunsch nach einem eigenen System entstand.
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Der Aufbau des Systems

Das System liest aus einem speziell aufbereiteten Exportfile aus einem CAD-Programm sowohl die 2D- als auch die 3D-Kontur der zu legenden Zuschnitte aus.

Daneben enthält dieses File noch eine Reihe von korrespondierenden Punktepaaren in 2D und 3D, die zur Umrechnung von 2D- in 3D-Positionen genutzt werden. Aus anderen Files können Informationen über die verwendeten Greifer ausgelesen werden, die der Nutzer dann auf den zweidimensionalen Zuschnitten platzieren kann, während das System die Umrechnung in die zugehörige dreidimensionale Position übernimmt. Im Kontext von Industrie 4.0 wurde auch eine auf OPC-UA basierende Schnittstelle geschaffen.
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Anwendungen

Ursprünglich geplant für das Handling von einfachen kleinen Zuschnitten mit einem Greifer wurde das System weiter entwickelt und kann nun auch mit größeren Zuschnitten umgehen, die von mehreren, auch unterschiedlichen Greifern gegriffen werden müssen. Daneben zeigte es seine Flexibilität, als es auch für die Prozessplanung für das Legen von großen Aluminiumblechen Verwendung fand.

Screenshot des Offlineprogrammiersystems bei der Aufnahem eines Zuschnitts mit zwei gekrümmten Greifern

… und der Ablageposition

Ansprechpartner:

Roland Glück

Kollisionsfreie Bahnplanung für kooperierende Roboter

Die Idee dahinter

Bereits jetzt gibt es automatisierte Fertigungsschritte, in denen zwei oder mehr Roboter zusammenarbeiten, um gemeinsam eine Aufgabe zu erledigen.

Ein klassisches Beispiel ist ein Roboterduo, in dem ein Roboter eine Autotür fixiert hält, während ein anderer Roboter Schweißarbeiten an der Tür vornimmt. In diesem Szenario sind die Bewegungen für jeden Durchlauf genau die gleichen und können in einem langwierigen iterativen Prozess vorab geplant werden. In einer flexiblen intelligenten Fabrik, in der zusätzlich noch komplexere Transportaufgaben hinzukommen, muss die Planung schneller und dynamischer ablaufen.
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Der Aufbau des Systems

Das am ZLP in Augsburg entwickelte System kann in einem virtuellen Abbild der Fertigungsumgebung kollisionsfreie Transportpfade finden.

Dabei gilt es nicht nur Kollisionen der Roboter untereinander, sondern auch mit der Umgebung und dem transportierten Material zu vermeiden. Die Planung der Pfade läuft intern über einen genetischen Algorithmus; die so gefundenen Pfade müssen im Allgemeinen noch geglättet werden, um einen ruckfreien Ablauf gewährleisten zu können.
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Anwendungen

Das System wird hauptsächlich bei pick-and-place-Anwendungen eingesetzt, bei denen zwei Roboter einen Kohlenstofffaserzuschnitt von einem ebenen Aufnahmetisch in eine dreidimensional gekrümmte Form transportieren müssen. Es ist aber auch in der Lage, kollisionsfreie Bahnen für einen Roboter zu finden und kann daneben für die Handhabung von anderen Materialien wie zum Beispiel Aluminiumblechen verwendet werden.

Screenshot des Bahnplanungstools für kooperierende Roboter beim Transport eines Zuschnitts von einem ebenen Tisch in eine zylindrische Halbschale

Ansprechpartner:

Lars Larsen

Der Virtuelle Leitstand

Die Idee dahinter

Produktionsanlagen verfügen traditionell über einen Leitstand mit vielen Monitoren und noch mehr Knöpfen, einem zentralen Leitrechner, in dem alle Informationen zusammenlaufen und einer Software zur Visualisierung der Daten.

In Zeiten des „Internet of Things“ (IoT) geht der Trend weg von einer zentralen Gesamtanlagensteuerung hin zu dezentralen Einzelsteuerungen, die untereinander und mit dem Produkt kommunizieren. Entsprechend dezentral lassen sich diese Komponenten auch überwachen, etwa durch mobile Endgeräte, wie Tablets oder Wearables. Aber was ist mit dem Gesamtüberblick? Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) eröffnen die Möglichkeit, Daten so wahrzunehmen, als wären sie physisch vorhanden. Gerade für die Kommunikation mit Außenstehenden, seien es Kunden, Projektpartner oder Zulieferer und Service Provider, ist das sehr hilfreich. Die Diskussion und Beurteilung von Anlagenparametern fällt leichter, wenn die Anlage selber ebenfalls dargestellt wird und die Daten im richtigen Kontext visualisiert werden.
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Der Aufbau des Systems

Grundlage für den digitalen Zwilling ist ein 3D Modell der Anlage, das als Transportmittel für den digitalen Schatten, also die Visualisierung von Echtzeit-Maschinendaten dient. CAD-Modelle werden oft für Simulationen oder Offline-programmierung verwendet, um bestimmte Funktionen zu testen.

Für den virtuellen Leitstand hat das DLR-Team bewusst einen anderen Ansatz gewählt. Man soll das Gefühl haben, sich in vertrauter Umgebung zu bewegen und nicht erst im Kopf die Verbindung zwischen physischer und virtueller Anlage knüpfen zu müssen. Bspw. sollen Druck- und Temperaturverläufe einer Konsolidierpresse oder eines Autoklaven physisch wie virtuell an der gleichen Stelle angezeigt werden. Dazu werden die aktuellen Daten aus den jeweiligen Maschinensteuerungen (SPS) abgegriffen und an dezentralen Server (OPC-UA) übergeben. Über eine Ontologie werden die richtigen Datenpakete mit dem individuellen Bauteil verknüpft, bei dessen Produktion sie entstanden sind. Digitale Zwillinge von Bauteil und Anlage bedienen sich also derselben Informationen, aber aus unterschiedlichen Perspektiven.
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Anwendungen

Mit den Forschungsplattformen am ZLP Stade stehen Multiroboter-Faserlegetechnologien, der größte Forschungsautoklav der Welt und Serienproduktionsline für Strukturbauteile als Pilotanlagen bereit. Sie können sowohl die Rolle eines fiktiven Zulieferers als auch die einer hauseigenen Produktion einnehmen. Lösungen bzgl. End-to-End Kommunikation, Fernüberwachung und Cybersecurity können direkt an vorhandener Hardware getestet werden, ohne den Produktionsbetrieb zu stören.

Digitalisierung von Forschungsanlagen: Als Verwaltungsschale für Prozessinformationen wird ein fotorealistisches 3D-Modell der Anlage erzeugt

Vision: (Fern-)Bedienung der Forschungsanlage über ihren digitalen Zwilling durch Virtual und Augmented Reality

Verknüpfung der realen mit der virtuellen Welt: Strömungslinien und Temperaturprofil am CFK-Flügelwerkzeug im Autoklav

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing.(FH) Sven Torstrick-von der Lieth

Integrated Positioning System

Die Idee dahinter

In der Industrie 4.0 modernisieren mobile Roboter maßgeblich Produktionsabläufe. Sie gestatten nicht nur einen hohen Autonomiegrad bei höherer Effizienz in routinierten Aufgaben, wie dem Transport von Bauteilen in Lagerhallen und dem Verbauen in Fertigungsstätten, sondern gewährleisten auch die notwendige Flexibilität, um Prozesse umzugestalten.

Optische Technologien werden dabei eine Schlüsselrolle spielen. Beispielsweise ist die Fähigkeit, selbstständig zu navigieren eine Kernvoraussetzung für den Einsatz dieser modernen Maschinen. Die hohen Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit in hochdynamischen Anlagen können nicht durch konventionelle Navigationslösungen erfüllt werden. Auch Abläufe ohne Navigation benötigen permanente intelligente Überwachung, um Prozesse zu optimieren und Fehler zu vermeiden – insbesondere, da der Mensch die Maschinen nicht mehr aktiv steuert.
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Der Aufbau des Systems

Das IPS ist speziell für die räumlich-zeitliche Echtzeit-Eigenverortung und 3D-Kartierung in “Indoor”– und “Outdoor”-Umgebungen geschaffen. Im Vordergrund stehen dabei Flexibilität und Autonomie: Für diese Aufgaben werden weder a-priori Wissen über die Umgebung (z.B. Karten), noch externe Referenzierungssysteme (z.B. GNSS) benötigt.

Das Herzstück bildet die Kombination einer Stereokamera mit einer inertialen Messeinheit – mit ihr wird der menschliche Orientierungssinn sensorisch nachempfunden. Die sich ideal gegenseitig ergänzenden physikalischen Eigenschaften der Sensoren führen durch Verarbeitung in einem erweiterten Kalman-Filter zu störungsrobusten Informationen. Das modulare Multisensorkonzept erlaubt darüber hinaus die Integration weiterer Ortungs- oder Prüfsensorik, wie zum Beispiel einem Thermal-Sensor, um die Umgebung in weiteren Spektralbereichen auszuwerten.
Zur Validierung bestehender Algorithmen und der Entwicklung neuer Ansätze kann das IPS vollständig in der dazugehörigen Simulation synthetisiert werden (Digital Twin). Industrielle Prozesse lassen sich so realitätsnah bewerten und damit verbundene hohe technische, logistische oder ökonomische Aufwendungen vermeiden.
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Anwendungen

Die besondere Datenerfassung des IPS‘ erlaubt komplexe optische Analysen industrieller Prozesse. Zum einen können Maschinen auf diese Weise auf Abweichungen vom Normverhalten überwacht, durch Verortung identifiziert und so Unfälle frühzeitig verhindert werden.

Neben dieser stetigen Kontrolle wird das IPS derzeit auch für visuelle Inspektions- und Wartungsaufgaben von industriellen Anlagen eingesetzt. Zum anderen findet die Echtzeit-3D-Kartierung als präzise und unabhängige Informationsquelle Anwendung bei der Navigation von autonomen Einheiten.
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Auf Fahrzeug montiertes IPS

Handgetragenes IPS mit Thermal-Sensor

Ansprechpartner:

Maik Wischow (FoF Ansprechpartner für Technologie)
Dr.-Ing. Anko Börner (Ansprechpartner Institut für Optische Sensorsysteme)