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,
  • Industrie 4.0,
  • 3D Drucken,
  • Motion-Control und
  • Robotik.

Im Folgenden werden einige Forschungsergebnisse auszugsweise dargestellt. Detailliertere Informationen finden Sie im Abschnitt Publikationen von Prof. Dr.-Ing. E. Engels.

Ausgewählte Themen:

Forschungsschwerpunkt Generative Fertigungsverfahren


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, IEEExplorer

Entwicklung einer generativ gefertigten Delta-Kinematik für den Betrieb mit einem B&R Motion Controller


Entwicklung einer generativ gefertigten Delta-Kinematik für den Betrieb mit einem B&R 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 von der Firma Bernecker & Rainer Industrie-Elektronik GmbH (B&R) ein Antriebssystem zur Verfügung gestellt, 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 Servoantrieben der ACOPOS Produktlinie 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 Sercos III Motion Controller


Entwicklung einer generativ gefertigten Delta-Kinematik für den Betrieb mit einem Sercos III 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 Sercos III Schrittmotorantriebe der Firma Automata GmbH & Co.KG verwendet, die über einen Motion-Controller vom Typ IndraMotion MLC der Firma Bosch Rexroth AG angesteuert werden. Der Motion-Controller besitzt neben einem Kernel für die Bewegungssteuerung von Einzel- und Mehrfachachsen auch einen Roboterkernel 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


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 Professor 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

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