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

  • Labor für Automatisierungstechnik und das
  • Labor für Robotertechnik.

Labor für Automatisierungstechnik

Das Labor für Automatisierungstechnik – kurz AT-Labor – wird aufgrund der fachlichen Nähe vom Lehrgebiet Regelungstechnik und vom Lehrgebiet Automatisierungstechnik genutzt und von Frau Dipl.-Ing. Heistermann als zuständige Laboringenieurin verantwortet. Das Labor ist sehr umfangreich und mit modernsten Hard- und Softwarekomponenten ausgestattet. Ein großer Teil der Laborausstattung wurde in der Zeit seit Oktober 2013 auf die Anforderungen, die sich aus dem Kontext von Industrie 4.0 ergeben, umgerüstet oder neu entwickelt. Dabei wurde seitens Professor Engels sehr viel Wert darauf gelegt, dass das komplette Labor einen modularen Systemarchitekturentwurf implementiert. Dies gilt sowohl für die Antriebs- und Steuerungskomponenten, für die Didaktiksysteme und natürlich auch die Software-Entwicklungswerkzeuge. Folgerichtig wurden zahlreiche Didaktiksysteme für die Automatisierungstechnik und für die Robotertechnik von Professor Engels entwickelt, weil dies garantiert, dass Weiterentwicklungen in folgenden Jahren den gesetzten Architekturanforderungen genügen, ohne dabei auf externe Systemanbieter angewiesen zu sein.

Diese unter dem Begriff Digitalisierung der Hochschuldidaktik laufenden Arbeiten hatten bereits zahlreiche nennenswerte Arbeitsergebnisse, bei denen sich auch die wissenschaftlichen Hilfskräfte und Studierenden im Lehrgebiet hervorragend eingebracht haben.

Auszugsweise seien an dieser Stelle folgende Didaktiksysteme genannt:

  • Modellfabrik der Firma Festo umgebaut auf PROFINET Kommunikation für eine dezentrale Topologie,
  • Mid-Size 3D Drucker entwickelt für die speziellen Anforderungen im Bereich der Forschung und Lehre,
  • Large-Size 3D Drucker entwickelt für die speziellen Anforderungen im Bereich der Forschung,
  • Steuerungsracks mit Standardperipherie entwickelt für zentrale Topologien,
  • Peripherieracks für Ethernet-basierte Kommunikation in dezentralen Topologien,
  • Dispenser-Systeme entwickelt als Prozessbeispiel
  • Festo-Compact-Workstation für die Prozessregelung,
  • Industriekamera für die industrielle Bildverarbeitung,
  • Human-Machine-Interface Didaktiksysteme entwickelt für die Prozessvisualisierung,
  • IO-Link Didaktiksysteme entwickelt für digitale Kommunikation bis in die Sensor-/Aktor-Ebene und
  • diverse Multi-Ethernet-fähige Servoantriebe.

Für diese Didaktiksysteme werden fast ausschließlich Industriekomponenten eingesetzt, so wie sie die Absolventen später auch in Produktionsanlagen verwenden werden. Dazu zählen beispielsweise Komponenten der Firmen Cognex, Sick, Balluff, Siemens, Bernecker&Rainer, Beckhoff, Phoenix-Contact, Danfoss, ABB, ifm, National-Instruments, Hottinger Baldwin Messtechnik, isel, Vector, Festo, JUMO, Bosch Rexroth und vielen mehr.

Als zentrale Komponente werden Programmiersysteme nach IEC 61131-3 eingesetzt, allerdings sind im Kontext von Industrie 4.0 viele andere Programmiersprachen, -paradigmen, Softwarewerkzeuge und Protokolle erforderlich und werden im AT-Labor entsprechend eingesetzt.

Weitere Didaktiksysteme für die Automatisierungstechnik befinden sich in der Entwicklung und sollen nach Abschluss der Projekte ebenfalls in der Lehre und Forschung eingesetzt werden.

Einige Details zur Ausstattung im AT-Labor finden Sie im Folgenden.

IO-Link Test Bench


In der Automatisierungstechnik gibt es zahlreiche Kommunikationssysteme, die von der Anbindung an das World-Wide-Web bis hinunter zu Peripheriekomponenten reichen. Im Rahmen von Industrie 4.0 wird vielfach gewünscht, dass selbst zu einfachen Sensoren oder Aktoren eine protokollbasierte Kommunikation möglich ist. Ein einfaches Beispiel dafür ist ein digitaler Positionssensor, bei dem die Schaltschwelle für die Positionserkennung von einer übergeordneten Steuerung konfigurierbar sein soll und diese Konfiguration nicht nur geschrieben, sondern auch rückgelesen werden kann. Ein Kommunikationssystem, das in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat, ist das in der IEC 61131-9 normierte SDCI (Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators). Dieses Kommunikationssystem ist vor allem unter der Bezeichnung IO-Link bekannt geworden.

Technologien der Industrie 4.0 müssen heutzutage Bestandteil moderner Lehrveranstaltungen sein. Speziell für das Wahlpflichtmodul Bussysteme wurde daher von Professor Engels ein Didaktiksystem entwickelt, dass es ermöglicht die Funktionalitäten, das Projektieren, das Programmieren und das Diagnostizieren von IO-Link Topologien anhand unterschiedlicher digitaler und analoger Sensoren und Aktoren zu lehren. Zudem kann es als Basis für die Eigenentwicklungen von IO-Link Devices genutzt werden.


Modelfabrik


Die Lehre im Bereich der Automatisierungstechnik muss sich stark an praktischen Inhalten orientieren, da Absolvent*innen dieser Vertiefungsrichtung in ihrem späteren Beruf mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit mit realer Anlagentechnik konfrontiert werden. Daher ist es sinnvoll neben den theoretischen Inhalten auch den Umgang mit einer realen Anlage zu erlernen. Dafür stehen an der Hochschule Fulda unterschiedliche Anlagen zur Verfügung. Das Lehrgebiet Automatisierungstechnik nutzt eine auf den ersten Blick überschaubare Anlagengröße. Auf den zweiten Blick bietet die Modellfabrik jedoch zahlreiche Komponenten und Herausforderungen, die die Studierenden mehr als nur ein Semester beschäftigen können.

Die Anlage basiert auf mechanischen Komponenten der Firma Festo, wurde aber bezüglich Vernetzung und Steuerungstechnik in den letzten Jahren vollständig umgebaut und bietet nun Technologien der Industrie 4.0, die eine breite Nutzung für Lehrinhalte von der Anbindung an Smartphones oder Tablets bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme mit unterschiedlichen Steuerungskomponenten ermöglicht. Studierende arbeiten aktuell daran, einen Digital-Twin zu erstellen, um so die Basis für Aufgabenstellungen rund um virtual Reality oder augmented Reality zu legen.

Compakt Workstation


Die Compact Workstation der Firma Festo beinhaltet zahlreiche Sensoren und Aktoren, die den Aufbau diverser Prozessregelstrecken ermöglicht. Dazu zählen beispielsweise Füllstandsregler, Temperaturregler, Druckregler, Durchflussregler mit diversen Störgrößen. Diese Regelstrecken lassen sich darüber hinaus zu komplexen Mehrgrößensystemen kombinieren.

Die Compact Workstation wird regulär im Lehrgebiet Regelungstechnik genutzt. Das Originalsystem wurde jedoch so umgebaut, dass es nun eine offene Schnittstelle für alle analogen und digitalen Sensoren und Aktoren besitzt und damit unabhängig vom übergeordneten Steuerungssystem ist.

Einerseits werden im Lehrgebiet Regelungstechnik Rapid-Control-Prototyping Systeme der Firma dSpace genutzt, andererseits besitzen die im Lehrgebiet Automatisierungstechnik entwickelten Didaktiksysteme aber ebenfalls eine passende Peripherie, so dass die Compact Workstation auch für Aufgabenstellungen der Prozessautomation genutzt werden. Dafür stehen wiederum andere Rapid-Control-Prototyping Werkzeuge zur Verfügung stehen.

Rund um die Compact Workstation lassen sich so Lehrinhalte diverser Software-Entwicklungswerkzeuge gruppieren und die Theorie praktisch erproben.

Labor für Robotertechnik

Das Labor für Robotertechnik – kurz Robotik-Labor – wird fast ausschließlich vom Lehrgebiet Automatisierungstechnik genutzt, da sich die Ausstattung in erster Linie um die Industrierobotik gruppiert. Das Labor verfügt einerseits über modernste kommerziell erhältliche Industrieroboter, allerdings werden hier auch eigene Roboter entwickelt, die für das von Professor Engels entwickelte Didaktikkonzept am Markt in der gewünschten Form nicht erhältlich sind. Beispielhaft seien an dieser Stelle einige Roboterkinematiken genannt:

  • 6-Achs-Gelenkarmroboter der Firma Stäubli
  • zwei 6-Achs-Gelenkarmroboter der Firma Universal Robots
  • 3-Achs-Delta-Roboter mit Antriebs- und Steuerungssystem der Firma B&R (Michelangelo)
  • 3-Achs-Delta-Roboter mit Antriebs- und Steuerungssystem der Firma Bosch Rexroth (Raphael)
  • 4-Achs-Delta-Roboter mit Antriebs- und Steuerungssystem der Firma Bosch Rexroth (Leonardo)
  • 2-Achs-Gantry-Kinematik
  • 4-Achs-Kartesischer-Roboter mit Antriebs- und Steuerungssystem der Firma Bosch Rexroth
  • Hexapod-Kinematik

Die Delta-Roboter und der Hexapod wurden von Professor Engels speziell für die Digitalisierung der Hochschuldidaktik entwickelt. Aufgrund der Eigenentwicklung der Mechaniken und der Nutzung von industriellen Motion-Control Lösungen lassen sich Projekte mit hoher fachlicher Tiefe realisieren. Bei gekauften Robotersystemen sind schnell die Grenzen erreicht, wenn es darum geht Details über kinematische Berechnungen oder Konstruktionsdetails von den Herstellern zu bekommen, da dies üblicherweise vertrauliche Informationen sind. Durch die Eigenentwicklung liegen diese Informationen alle vor und können nach eigenen Vorstellungen variiert werden.

Auch beim Aufbau und der Inbetriebnahme der Eigenentwicklungen haben bereits viele Studierende ihre Fachexpertise im Bereich der Robotik in Form von Projekt- und Abschlussarbeiten sehr praxisnah erweitern und ausbauen können.

Weitere Robotersysteme mit anderen Antriebs- und Steuerungssystemen, beispielsweise von den Firmen Siemens und Beckhoff, befinden sich in der Entwicklung und sollen nach Abschluss der Projekte ebenfalls in der Lehre und Forschung eingesetzt werden.

Einige Details zu diesen Robotersystemen finden Sie im Folgenden:

Delta-Roboter MICHELANGELO


Der Roboter MICHELANGELO – kurz MICO – ist eine Konstruktion mit Delta-Kinematik und besitzt 3 Degree-of-Freedom (DoF = mech. Freiheitsgrade). Sein Antriebskonzept basiert auf Industriekomponenten und ist der weltweit erste Delta-Roboter mit Powerlink Antrieben, dessen Hauptkomponenten mit 3D Druck-Verfahren hergestellt und in Betrieb genommen wurden. Der Aufbau des Roboters wurde mit Spenden der Firma B&R Industrie-Elektronik GmbH unterstützt.

Der Roboter wurden von Prof. Dr. Engels entwickelt und beinhaltet verschiedene Industrie 4.0 Technologien. Er ist somit ideal für die nächsten Jahre in Forschung & Lehre vorbereitet. Dadurch, dass es sich um vollständige Eigenentwicklungen des Lehrgebietes handelt, kann er zudem individuell für zukünftige Aufgaben erweitert werden.

Die folgenden Studierenden haben beim Aufbau der Anlagen mitgewirkt:
S. Weber, B.Eng.; A. Wiegand, M.Eng.

Delta-Roboter RAPHAEL


Der Roboter RAPHAEL – kurz RAPHA – ist ebenfalls eine Konstruktion mit Delta-Kinematik und 3 DoF. Auch 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. Der Roboter wurde so entwickelt, dass er sich nahtlos in das Ausbildungskonzept des Lehrgebiets integriert. Der Aufbau wurde durch den Förderverein des Fachbereichs ET (FET) finanziell und fachlich intensiv durch die Bosch Rexroth AG unterstützt.

Der Roboter wurden von Prof. Dr. Engels entwickelt und beinhaltet verschiedene Industrie 4.0 Technologien. Er ist somit ideal für die nächsten Jahre in Forschung & Lehre vorbereitet. Dadurch, dass es sich um vollständige Eigenentwicklungen des Lehrgebietes handelt, kann er zudem individuell für zukünftige Aufgaben erweitert werden.
Die folgenden Studierenden haben beim Aufbau der Anlagen mitgewirkt: S. Weber, B.Eng.; A. Wiegand, M.Eng.

Delta-Roboter LEONARDO


Der Roboter LEONARDO – kurz LEO – ist das Flaggschiff der Delta-Roboter Entwicklungen im Lehrgebiet. Seine 4 DoF Delta-Kinematik wird hauptsächlich von NEMA 23 Schrittmotoren angetrieben und besitzt eine flexible Stewart-Plattform, die mit unterschiedlichen Werkzeugen bestückt werden kann. Dazu gehört neben verschiedenen Zeichenwerkzeugen auch ein Pneumatik-Sauger, der es mit der vorhandenen Orientierungsachse ermöglicht, typische Pick&Place Anwendungen durchzuführen. Der Roboterkopf ist so gestaltet, dass er modular auf bis zu 6 DoF erweitert werden kann und damit auch Transportbänder oder Rundtakttische unterstützt.

Der Roboter wurden von Prof. Dr. Engels entwickelt und beinhaltet verschiedene Industrie 4.0 Technologien. Er ist somit ideal für die nächsten Jahre in Forschung & Lehre vorbereitet. Dadurch, dass es sich um vollständige Eigenentwicklungen des Lehrgebietes handelt, kann er zudem individuell für zukünftige Aufgaben erweitert werden.

Die folgenden Studierenden haben beim Aufbau der Anlagen mitgewirkt:
S. Weber, B.Eng.; A. Wiegand, M.Eng.

Gelenkarmroboter UR3


In der Vertiefungsrichtung Automatisierungstechnik und Robotik werden drei Gelenkarmroboter für die Forschung und Lehre genutzt. Dazu gehören zwei Roboter vom Typ UR3 der Firma Universal Robots. Die Roboter sind vor allem aufgrund ihrer Größe und des offenen, Linux-basierten Steuerungssystems interessant. Die beiden Roboter sind grundsätzlich für die Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) geeignet, können aber auch sehr leicht in eine Zelle integriert bzw. mit einer Sicherheitsperipherie überwacht werden, wenn die Werkzeuge ein Gefahrenpotential darstellen. Das vergleichsweise geringe Gewicht der Leichtbaukinematik und des zugehörigen Steuerschranks ermöglicht darüber hinaus den Einsatz in verschiedenen Räumen der Hochschule. Insbesondere kann das System dadurch auch im Vorlesungsbetrieb demonstriert werden.

Im Bereich der Forschung zum Thema 3D-Drucken können mit der im Lehrgebiet entwickelten zusätzlichen Hard- und Software die Roboter als 3D-Drucker eingesetzt werden. Die Roboter werden demnach nicht nur für Handlingsaufgaben, sondern auch als komplexe Werkzeugmaschinen eingesetzt.

Gelenkarmroboter Stäubli


In der Vertiefungsrichtung Automatisierungstechnik und Robotik werden drei Gelenkarmroboter für die Forschung und Lehre genutzt. Dazu gehört ein Roboter vom Typ RX60 der Firma Stäubli.

Dieser Gelenkarmroboter ist stationär in einer geschlossenen Zelle montiert. Er zeichnet sich insbesondere durch seine hohe Dynamik und Genauigkeit aus. Ausgestattet mit diversen Schnittstellen lässt sich der Roboter einerseits über das Teach-Pendant steuern und programmieren. Allerdings sind weitere Softwareschnittstellen verfügbar, so dass der Roboter sowohl über die im Lehrgebiet entwickelten Didaktiksysteme als Slave als auch aus Rapid-Control-Prototyping Softwaresystemen, wie beispielsweise MATLAB(R), kommandiert werden kann.

Grundsätzlich ist der Roboter mit einem pneumatischen Greifer ausgestattet. In verschiedenen Projektarbeiten wurden jedoch auch anwendungsspezifische Greifersysteme entwickelt. Zwei Beispiele sind in den Abbildungen dargestellt. Für das Zeichnen von komplexen Darstellungen wurden Algorithmen entwickelt, die auf Basis einer Bildanalyse mehrere tausend Koordinaten berechnen und den Roboter anschließend automatisiert die Darstellung mit eigens entwickelten Werkzeugen zu Papier bringen.

Die Roboterzelle besitzt darüber hinaus ein modernes, industrielles Bildverarbeitungssystem der Firma Cognex, so dass neben fest vorgegebenen Bewegungsanläufen auch objektabhängige Applikationen umgesetzt wurden.

Ansprechpartner

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Prodekan

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Donnerstag, 14.00 – 15.00 Uhr | In der vorlesungsfreien Zeit nach Vereinbarung