Aktuelle Projekte und News im Lehrgebiet finden Sie unter:
Informationen zum Forschungsprojekt MMRp finden Sie unter:
Informationen zum e-Learning im Lehrgebiet finden Sie unter:
Forschung
Entsprechend dem Selbstverständis einer Hochschule für angewandte Wissenschaften beschäftigt sich das Lehrgebiet Automatisierungstechnik & Systemtechnik mit aktuellen Themen der angewandten Forschung im Bereich der Automatisierungstechnik.
Die Themen der Forschungsprojekte sind:
- Messtechnik
- Machine Learning 1
- Maschine Learning 2
- Industrie 4.0
- 3D Drucken
- Motion-Control
- mobile Robotik
- Industrierobotik.
Im Folgenden werden einige Forschungsergebnisse auszugsweise dargestellt. Detailliertere Informationen finden Sie im Abschnitt Publikationen von Prof. Dr.-Ing. E. Engels.
Ausgewählte Themen:
Generative Fertigungsverfahren
Die folgenden Bilder zeigen die Stadienfolge generativ gefertigter Werkstücke und Momentaufnahmen verschiedener thermografischer Analysen während der Fertigung eines Delta Roboters mit einem 3D-Drucker. Der Delta-Roboter als auch der 3D-Drucker wurden im Rahmen der lehrgebietsinternen Forschungsaktivitäten konstruiert, gefertigt, aufgebaut und in Betrieb genommen.
Teile der Arbeitsergebnisse wurden und werden in den folgenden Publikationen erläutert:
[1] Engels, E., Köhler, A.-N.: Development of an aerody-namic control system for the evaluation of the Open Core Engineering technology. ICCMA 2015, Barcelona, 21.12.-22.12.2015
[2] Engels, E.: A versatile MATLAB toolbox for Rapid-Robot-Prototyping of custom made Industrial Robots. 11th France-Japan & 9th Europe-Asia Congress on and Research and Education in Mechatronics (REM), 8 pages, Compiègne, France, 15-17 Jun. 2016, IEEE Xplore
Entwicklung einer generativ gefertigten Delta-Kinematik für den Betrieb mit einem industriellen Motion-Controller
Die Konstruktion, Entwicklung und Inbetriebnahme von industriellen Robotersystemen erfordert einen personellen und finanziellen Aufwand, der sich üblicherweise erst über höhere Produktionsstückzahlen amortisiert. Im Prototypenbau als auch im akademischen Umfeld sind diese Stückzahlen jedoch nicht vorhanden. Das Entwicklungsbudget muss meist auf Unikate umgelegt werden, so dass die Stückkosten unverhältnismäßig hoch ausfallen. Abgeleitet aus diesem Sachverhalt stellt sich die Frage, ob für die Evaluation eines Roboterantriebssystems mit realer Kinematik nicht generative Fertigungsmethoden vorteilhaft eingesetzt werden können.
Im Rahmen von Forschungsaktivitäten im Lehrgebiet Automatisierungstechnik und Systemtechnik wurde daher angestrebt, ein möglichst kleines und kostengünstiges Robotersystem für die Fertigung mit der Fused-Layer-Modelling (FLM) Technologie aufzubauen. Ziel war neben der Fertigung über FLM die ausschließliche Verwendung von industriellen Komponenten. Der Einsatz der industriellen Soft- und Hardwarekomponenten stellt die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf größere Anlagen mit minimalen Anpassungen sicher. Als Untersuchungsobjekt wurde eine in der Verpackungsindustrie übliche Kinematik eines Delta-Roboters (Tripode) untersucht. Abb. 1 zeigt die Konstruktion der Baugruppe des Roboterkopfes und die fertigen Einzelteile.
Abb. 2 zeigt thermografische Momentaufnahmen während der Fertigung des Roboterkopfes mittels 3D-Drucker.
Für die Ansteuerung der Achsen wurde ein Antriebssystem verwendet, das aufgrund seines CNC-Steuerungskernels nicht nur die Algorithmen zur Berechnung der Robotertransformationen besitzt, sondern über die direkte Programmierung mit G-Code auch eine schnelle und einfache Anwendungsentwicklung ermöglicht. Die Skalierbarkeit der Achsen von der im Projekt verwendeten Schrittmotorbaugröße NEMA 17 bis hin zu größeren Servoantrieben gewährleistet zudem die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Anwendungen.
Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme des Antriebssystems am Roboterkopf, sowie der Entwicklung und Inbetriebnahme einer Steuerungsapplikation für die fertige Roboterzelle wurde erstmalig ein 3D-gedruckter Roboter mit Powerlink Antrieben im Kleinformat in Betrieb genommen und die Fertigung über das FLM-Verfahren als kostengünstige Alternative nachgewiesen.
Entwicklung einer generativ gefertigten Delta-Kinematik für den Betrieb mit einem industriellen Motion-Controller
Die Konstruktion, Entwicklung und Inbetriebnahme von industriellen Robotersystemen erfordert einen personellen und finanziellen Aufwand, der sich üblicherweise erst über höhere Produktionsstückzahlen amortisiert. Im Prototypenbau als auch im akademischen Umfeld sind diese Stückzahlen jedoch nicht vorhanden. Das Entwicklungsbudget muss meist auf Unikate umgelegt werden, so dass die Stückkosten unverhältnismäßig hoch ausfallen. Abgeleitet aus diesem Sachverhalt stellt sich die Frage, ob für die Evaluation eines Roboterantriebssystems mit realer Kinematik nicht generative Fertigungsmethoden vorteilhaft eingesetzt werden können.
Im Rahmen von Forschungsaktivitäten im Lehrgebiet Automatisierungstechnik und Systemtechnik wurde daher angestrebt ein möglichst kleines und kostengünstiges Robotersystem für die Fertigung mit der Fused-Layer-Modelling (FLM) Technologie aufzubauen. Ziel war neben der Fertigung über FLM die ausschließliche Verwendung von industriellen Komponenten. Der Einsatz der industriellen Soft- und Hardwarekomponenten stellt die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf größere Anlagen mit minimalen Anpassungen sicher. Als Untersuchungsobjekt wurde eine in der Handhabungstechnik übliche Kinematik eines Delta-Roboters mit 3 Freiheitsgraden (DoF) untersucht. Abb. 1 zeigt die Konstruktionen aller Einzelteile für die Fertigung eines Roboterkopfes.
Für die Ansteuerung der Achsen wurden industrielle Schrittmotorantriebe verwendet, die über einen industriellen Motion-Controller angesteuert werden. Der Motion-Controller besitzt neben einem Kernel für die Bewegungssteuerung von Einzel- und Mehrfachachsen auch einen Roboter-Kernel für koordinierte Achsbewegungen. Zudem können neben der klassischen Programmierung nach IEC-61131-3 auch Hochsprachen wie beispielsweise Lua, Java oder C++ für die Roboterkommandierung eingesetzt werden. Im Rahmen der akademischen Ausbildung und Forschung im Lehrgebiet werden zudem Softwarewerkzeuge für den schnellen Softwareentwurf eingesetzt, die es ermöglichen effizient und mit geringerem Programmieraufwand Robotikanwendungen zu entwickeln.
Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme des Antriebssystems am Roboterkopf, sowie der Entwicklung und Inbetriebnahme einer Steuerungsapplikation für die fertige Roboterzelle wurde erstmalig ein 3D-gedruckter Delta-Roboter mit Sercos III Antrieben im Kleinformat in Betrieb genommen und die Fertigung über das FLM-Verfahren als kostengünstige Alternative nachgewiesen.
Forschungsschwerpunkt Motion Control
Die Automatisierungstechnik lässt sich in zahlreiche Branchensegmente untergliedern. Diese sind beispielsweise die Gebäudeautomation, die Verkehrsleittechnik, die Industrie- oder die Prozessautomation. Der Schwerpunkt der Lehre und Forschung des Lehrgebietes Automatisierungstechnik und Systemtechnik liegt im Bereich der Industrieautomation, die wiederum verschiedene Bereiche umfasst. So umfasst die Industrieautomation die Produktions- oder Fertigungsautomation, die Montagetechnik, Werkzeugmaschinen und die Industrierobotik. Gemein ist den Bereichen der Industrieautomation, dass fast immer industrielle Steuerungen, sogenannte Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), für die Überwachung, Regelung und Steuerung von Abläufen eingesetzt werden. Weiterhin werden in der Industrieautomation sehr häufig Bewegungsaufgaben von Maschinen oder Werkstücken unter Einsatz industrieller Antriebssysteme realisiert.
Aufgrund der Ausrichtung des Lehrgebietes auf die Bereiche industrielle Steuerungstechnik und Antriebstechnik, ist es zielführend, die praktische akademische Ausbildung der Studierenden mit Hilfe moderner industrieller Geräte- und Softwaretechnik durchzuführen.
Ein Slogan, der sich seit dem Jahr 2011 mit steigender Aufmerksamkeit durch die komplette Industrieautomatisierungsbranche zieht, ist Industrie 4.0. Außerhalb der Industrieautomation werden häufig auch Begriffe wie Digitalisierung, Vernetzung oder spezielle Anglizismen wie SmartEnergy, SmartHome oder SmartCity verwendet. Diese sollen allesamt zum Ausdruck bringen, dass die Methoden und Werkzeuge der Informationstechnologiebranche verstärkt in alle Wirtschaftsbereiche oder vielmehr Lebensbereiche vordringen.
Um diesen Trend der wachsenden Bedeutung von IT-Technologien im Bereich der Automatisierungstechnik auch in der akademischen Ausbildung aufzugreifen, wurden auf Basis ausgezeichneter1 Steuerungstechnik, die in Teilen von Prof. Engels mit entwickelt wurde, neue Didaktiksysteme entwickelt und in verschiedene Lehrmodule integriert. Die Didaktiksysteme, die im Lehrgebiet entwickelt wurden, zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht nur mit klassischen SPS Softwarewerkzeugen, sondern auch mit modernen Hochsprachen programmiert werden können. Die Systeme können daher nicht nur mit einfachen Mitteln an sogenannte Smart-Devices, wie Smartphones oder Tablet-PC angebunden werden, sondern können darüber hinaus auch mit Cloud-Diensten kommunizieren. Einige dieser Funktionalitäten wurden im Lehrgebiet mit entwickelt und sind in verschiedenen Publikationen detaillierter ausgeführt.
1 Auszeichnung mit dem Hermes Award 2013 mit Laudatio der Bundesministerin für Bildung und Forschung, Frau Prof. Dr. Johanna Wanka
Lehre
Das Lehrgebiet Automatisierungstechnik und Systemtechnik beinhaltet eine große Bandbreite von Themenfeldern. Einen kurzen Überblick über die Lehrinhalte und die Art der Durchführung finden Sie auf dieser Webseite weiter unten.
Die administrativen Informationen, wie ECTS Punkte, Termine und Uhrzeiten, zu den Lehrveranstaltungen des Lehrgebietes werden zentral im ET-Kompass gepflegt und sind in der Modulübersicht des jeweiligen Studiengangs enthalten.
Der Zugang zu den detaillierten Modulinformationen ist nur eingeschriebenen Studierenden möglich. Im ET-Kompass finden Sie Begleitmaterial zu den Lehrveranstaltungen.
Über die Zugangsdaten für die jeweiligen Lehrveranstaltungen, den konkreten Ablaufplan eines Moduls sowie Informationen zu den Prüfungsleistungen werden die Studierenden zusätzlich jeweils in der ersten Modulveranstaltung des Semesters informiert.
Überblick über aktuelle Lehrveranstaltungen
Allgemeine Informationen
Semester: nur im Sommersemester
Vorlesung: 2 SWS
Übung: 2 SWS
Kurzbeschreibung
Das Modul Roboter- und Manipulatortechnik ist ein Pflichtfach im Bachelorstudiengang Automatisierungstechnik und Robotik und im Bachelorstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen mit Vertiefung Automatisierungstechnik und Robotik. Das Modul gliedert sich hälftig in Vorlesungen und Übungen.
Durch die Inhalte des Moduls werden die Grundlagen der Industrierobotik vermittelt. Diese starten beim Blick auf die Systemarchitektur, wodurch klar wird, welche Subsysteme in einem Industrieroboter üblicherweise verbaut sind. Startend bei den mechanischen Bewegungsaufgaben und der Betrachtung typischer Applikationen werden diese Teilsysteme in Kinematik, Antriebssysteme, Robotersteuerung und Bediengeräte gegliedert und schrittweise das Zusammenwirken analysiert. Die Betrachtung unterschiedlicher Use-Cases, die sich für Roboterhersteller, Anwendungsentwickler und Roboterbediener ergeben und die damit verbundenen Softwareentwicklungsszenarien sowie einige mathematische Berechnungsmethoden runden das Modul mit Blick auf das grundsätzliche Verständnis der Industrierobotik ab.
Allgemeine Informationen
Semester: nur im Wintersemester
Vorlesung: 2 SWS
Übung: 2 SWS
Kurzbeschreibung
Im Modul wird das dynamische Verhalten unterschiedlicher Prozesse behandelt. Vorzugsweise sind dies Prozesse, deren physikalisches Verhalten mit analytischen mathematischen Methoden und Modellen als sogenannte LTI-Systeme (linear und zeitinvariant) beschrieben und berechnet werden können. Dabei spielen neben thermischen Prozessen auch Bewegungsprozesse eine wesentliche Rolle.
Da in der Automatisierungstechnik dynamische Bewegungsvorgänge häufig durch drehzahlveränderliche Antriebe oder Servoantriebe realisiert werden und diese einen ganz erheblichen Einfluss auf die energieeffiziente Auslegung von Produktionsanlagen haben, werden diese hinsichtlich Auslegung, Einsatz und Optimierung mit Hilfe ihrer Kennlinien analysiert und berechnet.
Die Analogie zwischen thermischen, elektrischen, hydraulischen und mechanischen Modellen sowie Methoden zur Identifikation von Modellparametern runden das Modul mit Blick auf die Übertragbarkeit von Methoden und Verfahren ab.
Allgemeine Informationen
Semester: nur im Sommersemester
Seminar: 4 SWS
Kurzbeschreibung
Bussysteme gibt es in unterschiedlichsten Ausprägungen. Man findet Bussysteme in elektronischen Geräten, in mobilen Anwendungen und natürlich in stationären Applikationen. Die Bussysteme manifestieren sich beispielsweise in Form von USB (Universal Serial Bus), SPI (Serial Peripheral Interface), CAN-Bus (Controller Area Network) oder einem der Ethernet-basierten Feldbusse. Aufgrund unterschiedlichster Anforderungen, die sich aus den Einsatzgebieten ergeben, nutzen sie zwar fast alle Teile des sogenannten ISO/OSI Modells, aber sowohl die Physik als auch die Protokolle unterscheiden sich erheblich.
Das Modul wird als Wahlpflichtmodul angeboten und steht den unterschiedlichen Vertiefungsrichtungen zur Verfügung. Um auf dieser Basis ein didaktisch sinnvolles Angebot zu gestalten, wird das Modul seminaristisch durchgeführt, wobei die Studierenden sich auf die Bussysteme konzentrieren können, die ihrem Ausbildungsziel entsprechen.
Allgemeine Informationen
Semester: im Sommersemester oder Wintersemester
Praktikum: je 4 SWS
Kurzbeschreibung
Masterprojekte sind individuelle Projektarbeiten, die als Einzelperson oder in einer Projektgruppe mit 2 Personen durchgeführt werden können. In Masterprojekten werden wissenschaftliche Arbeitsmethoden gefordert und gelehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass Recherchen zur Abgrenzung des Projektthemas gegen den Stand der Technik durchgeführt werden, die angestrebten Projektziele einen ausreichenden Neuheitswert aufweisen und die inhaltliche Bearbeitung auf Kenntnissen aufsetzen, die in einem einschlägigen Bachelorstudiengang vermittelt wurden. Wissenschaftliche Arbeitsergebnisse werden oftmals in einem Konferenzbeitrag zusammengefasst, so dass auch in diesen Projekten eine Publikation in Anlehnung an die Vorgaben von Fachkonferenzen zu erstellen ist.
Die Projektarbeiten werden individuell vom Betreuer definiert und begleitet. Im Lehrgebiet Automatisierungstechnik und Systemtechnik werden Masterprojekte betreut, die in aller Regel einen Bezug zu den Forschungsthemen des Lehrgebietes haben, um so den wissenschaftlichen Bezug herzustellen. Die inhaltliche Ausrichtung ist vielfältig und reicht von rein theoretischen bis hin zu experimentellen Aufgabenstellungen; dies gilt sowohl für Soft- oder Hardwarethemen und der Automatisierungstechnik entsprechend auch für Mechanik oder Prozesstechnik.
Labore in Lehrgebiet
Die Automatisierungstechnik ist naturgemäß eine sehr praktisch orientierte Disziplin, die dennoch einer breiten theoretische Basis bedarf. Das Lehrgebiet nutzt für die praktischen Aufgabenstellungen und die anwendungsorientierte Vermittlung der theoretischen Grundlagen im Wesentlichen das
Impressionen
Auf dieser Seite zeigen wir Ihnen eine Auswahl an Arbeitsergebnissen, die im Lehrgebiet Automatisierungstechnik und Systemtechnik von Prof. Dr.-Ing. Elmar Engels in den letzten Semestern im Automatisierungstechnik-Labor und Robotik-Labor entstanden sind.
In der Prozessautomation gibt es zahlreiche unterschiedliche Prozesse. Fluidische Prozesse, also verfahrenstechnische Abläufe bei denen Flüssigkeiten als Primär- oder Sekundärmedien eingesetzt werden, sind dabei sehr häufig vertreten. In der Praxis sind derartige Anlagen im Vergleich zu den Laboren in einer Hochschule relativ groß. Für den Einsatz in der akademischen Ausbildung werden daher Didaktiksysteme angeboten, die ein oder mehrere Teilprozesse in kompakten Aufbauten kombinieren. In den Lehrgebieten Regelungstechnik sowie Automatisierungstechnik und Systemtechnik wird ein solches kompaktes Didaktiksystem für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt.
Das Video zeigt ein Beispiel, bei dem die wesentlichen Regelungsprozesse (Temperatur-, Durchfluss-, Füllstandsregelung) im Rahmen eines Praktikums im Bachelorstudiengang Elektrotechnik und Informationstechnik in der Vertiefung Automation und Robotik auf einem Motion-Controller implementiert wurden. Der Motion-Controller besitzt eine integrierte Steuerungssoftware mit Sprachen nach IEC-61131-3, mit der die Applikation realisiert wurde. Bewegungssteuerungen sind in diesem Fall selbstverständlich nicht erforderlich.
Industrieroboter werden in der Produktion oftmals mit Bildverarbeitungssystemen (engl.: Vision System) kombiniert, um produktabhängige Bewegungsaufgaben durchzuführen. Im Video werden Arbeitsergebnisse eines Projektes im Masterstudiengang MPA vorgestellt.
Das Projekt wurde im Labor für Automatisierungstechnik durchgeführt und zeigt die dort verfügbare Industriekamera und einen der 6-Achs-Roboter. Derartige Bewegungsvorgänge werden als Pick-and-Place bezeichnet und sind häufig in Anlagen der Verpackungstechnik zu finden.
Gelenkarmroboter werden in großer Zahl im Karosserierohbau in Kombination mit Schweißwerkzeugen eingesetzt. Werkstücke werden dabei beispielsweise mit Punktschweiß- oder Bahnschweißverfahren gefügt. Im Rahmen einer Fallstudie im Bachelorstudiengang Elektrotechnik mit Vertiefung Automation & Robotik wurde ein 3D-gedrucktes Zeichenwerkzeug entwickelt und eine Applikation für einen 6-Achs-Gelenkarmroboter implementiert, welche die grundsätzlichen Bewegungen beim Punktschweißen nachvollzieht.
Im Video werden mit Hilfe dieses Werkzeugs mehrfarbige Punkt zu einer Matrix zusammengefügt, so dass ein Bild entsteht. Die Berechnung der Bewegungskoordinaten für den Roboter werden hier dynamisch anhand eines Rasterbildes in einer Rapid-Control-Prototyping Software berechnet und über ein Netzwerk an die Robotersteuerung gesendet. Sehr schön zu erkennen ist das Umorientieren des Werkzeugs beim Farbwechsel. Dies entspricht im Wesentlichen den Orientierungsbewegungen einer Punktschweißzange, bei der die Schweißkappen ebenfalls zur Werkstückoberfläche ausgerichtet werden müssen.
Die überwiegende Mehrheit handelsüblicher 3D-Drucker besitzt eine kartesische Kinematik. Das bedeutet, dass drei Positionierachsen senkrecht zu einander angeordnet sind und die Steuerung des 3D-Druckers mit vergleichsweise einfachen Berechnungen den Druckkopf positionieren kann. Für additive Fertigungsverfahren sehr typisch ist das Aufbringen von Material in ebenen, horizontalen Flächen. Ebene Bewegungen lassen sich mit zwei orthogonalen Achsen leicht realisieren. Den vertikalen Aufbau übernimmt dann eine dritte nur schrittweise verfahrende dazu orthogonale Achse.
Im Video wird beispielhaft gezeigt, dass auch mit einem 6-Achs-Gelenkarmroboter 3D-Druck-Werkstücke nach dem Fused-Layer-Modelling Verfahren hergestellt werden können. Dazu wurden im Rahmen einer Abschlussarbeit im Masterstudiengang Produktionsautomatisierung verschiedene Soft- und Hardwarekomponenten entwickelt, die das handelsübliche Robotersystem erheblich erweitern.
Ein Teil der akademischen Ausbildung im Studiengang Bachelor Elektrotechnik mit der Vertiefungsrichtung Automation & Robotik ist die Durchführung einer Fallstudie. Für Studierende, die sich im Besonderen für die Industrierobotik interessieren, stehen mehrere Roboter zur Verfügung.
Das Video zeigt das sehr gute Ergebnis einer Fallstudie in der zwei Studierende in Anlehnung an das bekannte Gesellschaftsspiel Mühle (engl: Nine Men’s Morris) die Mechanik, Elektronik und Software für eine Roboterapplikation realisiert haben. Im Projekt wurde eine Anlagenarchitektur entworfen, die auf Basis einer SPS-Applikation und entsprechender Sensoren die Spielsituation erfasst und in Abhängigkeit dieser die Bewegung des Roboters dynamisch zu steuern.
Der Roboter RAPHAEL ist eine Konstruktion von Prof. Dr.-Ing. E. Engels mit Delta-Kinematik und 3 Degree of Freedom (DoF). Sein Antriebskonzept basiert auf Industriekomponenten und ist der weltweit erste Delta-Roboter mit Sercos Schrittmotorantrieben, der mit 3D Druck-Verfahren hergestellt und in Betrieb genommen wurde. Zudem ist er der weltweit erste Roboter, der mit der Software roco4MATLAB programmiert wurde.
Die Roboterzelle wurde bereits auf mehreren Messen und Veranstaltungen öffentlich vorgestellt. Beispielsweise hat er auf der Hannover Messe 2018 seine Fähigkeiten live demonstriert und alleine im dortigen Messezeitraum eine Bewegung des Tool-Center-Points von mehr als 10km zurückgelegt.
Im Video zu sehen ist die Konfiguration des Roboters mit industriellen Schrittmotorantrieben. Die Konstruktion ist als Multi-Vendor-Konzept gestaltet, sodass sich auch andere Ethernet-basierte Antriebssysteme verbauen lassen.
Der Aufbau von RAPHAEL wurde durch den Förderverein des Fachbereichs ET (FET) finanziell.
Quellen:
Video: Prof. Dr.-Ing. Engels
Foto: Hochschule Fulda, Robert Gross
