Mechatronics
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Medizinische Verpackungen werden in der Industrie häufig mittels thermischen Siegelns verschlossen. Um eine kontinuierliche Qualitätsprüfung zu ermöglichen, soll in dieser Arbeit untersucht werden, ob es möglich ist, mittels Infrarotkamera, anhand der sich ausbildenden Wärmesignatur, fehlerhafte Teile zu erkennen. Dabei teilt sich die Forschungsfrage in zwei Teile. Im ersten Teil wird analysiert was zu beachten ist, um eine ideale Auswertung zu ermöglichen. Der zweite Teil der Forschungsfrage untersucht, welche Wärmesignatur sich bei fehlerhaften Teilen ausbildet. Im ersten Teil der Forschungsfrage wird mittels Modellierung des Siegelprozesses und der nachfolgenden Abkühlung, sowie eines späteren Versuchs analysiert, wie die Kamera am besten positioniert werden muss, um das beste Eingangssignal zu erhalten. Im zweiten Teil werden in verschiedenen Versuchsreihen Fehler provoziert und anschließend die Unter-schiede der Wärmesignatur ausgewertet. Anhand der Modellierung und der Durchführung von Versuchen zeigt sich, dass eine Siegelung am besten 1-2s nach dem Siegelende ausgewertet werden kann. Die weitere Untersuchung zeigt, dass große Fehler zwar gut erkannt, kleinere aber eher nicht mehr zuverlässig erkannt werden können.
IEC 61499 ist ein Standard für die verteilte Automatisierung. Damit lassen sich Systeme designen, die eine Vielzahl von Knoten vernetzen können. Dadurch lassen sich komplexe Aufgaben in der Industrie leichter bewältigen. Um dies zu ermöglichen, müssen alle Systembestandteile miteinander kommunizieren können. Ein solches Kommunikationsnetzwerk kann dann schnell sehr komplex werden und damit schwer zu verwalten sein. Wenn es darum geht, an viele Teilnehmer Daten zu verteilen, hat sich das Publish-Subscribe Kommunikationsmuster bewährt.
ZeroMQ ist eine Bibliothek, mit der über Sockets unter anderem solche Publish-Subscribe Kommunikationsnetzwerke realisiert werden können. Sie baut auf dem ZeroMQ Message Transport Protocol (ZMTP) auf. Dabei ist die Verwendung unwesentlich komplexer als mit Berkeley Sockets.
4DIAC/Forte bietet ein Framework um Applikationen nach IEC 61499 zu erstellen. In dieser Thesis wird 4DIAC/Forte und ZeroMQ vorgestellt. Es wird die Struktur einer Kopplungsschicht zwischen Forte und ZeroMQ präsentiert und implementiert. Anschließend werden Messungen von Latenz und Throughput durchgeführt, um die Performance zu evaluieren.
In Forte sind traditionelle Sockets für die Kommunikation bereits implementiert. Sie unterstützen das Client-Server Muster und Publish-Subscribe mittels UDP Multicast. Mit diesen Lösungen werden die Messungen ebenfalls durchgeführt um einen Vergleich mit ZeroMQ aufzustellen. Es werden auch vorhandene Daten für DDS herangezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich ZeroMQ für die Kommunikation in Forte eignet und dabei hilft, die Komplexität zu reduzieren und die Handhabung zu vereinfachen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Positionsbestimmung in Innenräumen mittels der Ultra Breitband Technologie, deren Genauigkeit sowie der Positionierung solcher Systeme in relevanten Beleuchtungsmodulen. Im ersten Teil der Arbeit wird die Ultrabreitband Technologie beschrieben, die sich für Ortbarkeit in Innenräumen durch die große Bandbreite, relativ gut eignet. Hierbei wird auf das UWB-Signal, die Regulierung bezüglich Frequenznutzung für Europa und USA sowie auf die UWB-Standards eingegangen. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die gegenwärtigen Positionsbestimmungs Verfahren beschrieben. Beispiele hierfür sind das Time of Flight (ToF), das Time of Arrival sowie nicht funkbasierte Methoden wie z. B. die Inertial Measurement Unit (IMU). Die Positionsbestimmung in der UWB-Technologie wird häufig mittels ToF und ToA bewerkstelligt. Im darauffolgenden Kapitel werden die gegenwärtigen Lokalisierungssysteme erklärt. Real Time Locating Systems (RTLS) kommen in vielen Lebensbereichen zum Einsatz, von Krankenhäusern bis zum Sport. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus der Ausarbeitung von verschiedenen Konzepten zur Realisierung eines Demonstrators sowie der Ausarbeitung eines Simulationsmodells für die Positionsbestimmung, mit dem eine Ortungsgenauigkeit von 30 bis 50 cm erreicht werden kann.
Die Mensch-Roboter-Kollaboration verspricht, die Leistungsfähigkeit eines Roboters und die Stärken eines Menschen zu kombinieren. Das junge Thema bringt nicht nur Vorteile, sondern auch neue Sicherheitsbestimmungen und aufwändige Validierungsverfahren mit sich, was den Zeitbedarf für die Entwicklung neuer MRK-Applikationen erhöht. Oft ergibt sich erst bei der Validierung, dass die Sicherheitsbestimmungen (meist die biomechanischen Grenzwerte) nicht eingehalten werden können und dadurch Änderungen an der Applikation durchgeführt werden müssen. So bildet sich ein Kreislauf aus „Validieren“ und „Änderungen vornehmen“, der erst nach mehreren Zyklen beendet werden kann. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, Empfehlungen zu konzipieren, mit welchen dieser Kreislauf frühzeitig durchbrochen werden kann. Die Arbeit beschränkt sich dabei auf das Leistungs- und Kraftbegrenzungsschutzprinzip. Um den Einfluss unterschiedlicher Parameter, wie beispielsweise die maximale TCP-Geschwindigkeit oder die Greifergeometrie, auf die Kollisionskräfte und Drücke zu erforschen, wurde ein biofideles Messsystem und ein Roboter vom Typ ABB GoFa™ verwendet. Diese Untersuchungen dienen zusammen mit den Sicherheitsbestimmungen als Grundlage der Gestaltungsempfehlungen. Um eine Anwendung der Empfehlungen vorzuzeigen, wird in der vorliegenden Arbeit exemplarisch eine MRK-Applikation gestaltet und validiert
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Analyse von Unterstützungsverfahren, um mithilfe eines Roboters einen Fügeprozess kombiniert mit einer Fügeachse durchführen zu können. Durch das Führen der Bauteile durch den Roboter während des Fügevorgangs entsteht eine Überbestimmung zwischen Fügeachse und Roboter. Die auftretenden Kräfte und Momente, die dadurch auf den Roboter wirken, sind zu untersuchen. Mithilfe der Analysen soll ermittelt werden, ob der Roboter während der Fügeprozesse innerhalb seiner Leistungsgrenzen betrieben wird und ob eine ausreichend genaue Kompensation der Kräfte möglich ist. Ein dazu erstellter Versuchsaufbau soll diese Analysen ermöglichen. Nach dem Erarbeiten von Grundlagen der Roboterregelung wird speziell auf die, bei diesem Versuchsaufbau zu Verfügung stehenden, Unterstützungsverfahren des Roboters eingegangen. Die Eigenschaften und Anwendung des jeweiligen Verfahrens werden beleuchtet und dargestellt. Dem folgt eine Übersicht der geplanten Fügeversuche, um das Verhalten des Roboters während der Fügeprozesse zu analysieren. Die Auswertung einer durchgeführten Messsystemanalyse und der Fügeversuche stellt die Verwendbarkeit und die erreichbaren Toleranzen sowie die Stärken und Schwächen der Unterstützungsverfahren dar.
Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Open-Source Plugins für die 3D-Modellierungssoftware FreeCAD, mit welchem es möglich ist, Roboterpfade anhand von 3D-Modellen zu erstellen. Die Pfade sind in einem geeigneten Format exportierbar und können beispielsweise zur Steuerung eines Roboters durch eine speicherprogrammierbare Steuerung verwendet werden. Im ersten Teil der Arbeit wird der geplante Arbeitsablauf der Pfadgenerierung beschrieben und genauer erläutert, welche Vorteile und Pflichten die Erstellung von Open-Source-Software nach sich zieht. Anschließend wird anhand der Systeme „Robot Studio“ von ABB und „MotoSim EG VRC“ von Yaskawa analysiert, wie proprietäre Systeme die Programmierung von Roboterpfaden realisieren. Nach einem Überblick über den aktuellen Stand der Technik in der Roboterprogrammierung, wird die Implementierung des Plugins für FreeCAD beschrieben. Dazu wird anhand des Sourcecodes erläutert, wie neue Arbeitsbereiche erstellt werden können. Es werden verschiedene Funktionen implementiert, welche essenziell für die Erstellung von Roboterpfaden sind. Dazu zählen die Möglichkeit zur Definition von Koordinatensystemen, Roboterposen und das Beschreiben des Roboterpfades durch Pfadsegmente mit verschiedenen Parametern, wie Bewegungsart, Geschwindigkeit und Wegpunkte. Das Plugin wurde getestet indem eine einfache Pick & Place Anwendung erstellt wurde. Anschließend sind mögliche Erweiterungen des Plugins, wie zum Beispiel die Möglichkeit des Duplizierens von Pfadsegmenten am Ende der Arbeit beschrieben.
SysML Modellierung komplexer Systeme und automatische Erzeugung domänenspezifischer Ressourcen
(2021)
Moderne Technische Systeme und ihre Entwicklung werden zunehmend komplexer. Durch eine Vielzahl bei der Entwicklung beteiligter Modelle/Dokumente wird eine konsistente und rückverfolgbare Modellierung erschwert. Model-Based Systems Engineering (MBSE) ist ein Ansatz, welcher diese Problemstellung adressiert und bei der Systementwicklung formale Modelle anstelle von Dokumenten einsetzt/verwendet. Im Gegensatz zu Dokumenten sind Modelle formal definiert, können automatisiert überprüft werden und ermöglichen eine leichte maschinelle Verarbeitung der Informationen. Im Zentrum der Entwicklung steht ein Systemmodell, welches mit einer formalen Modellierungssprache erstellt wurde. Während der Entwicklung entstehende Informationen werden in das Systemmodell integriert, sodass eine konsistente Single Source of Truth entsteht. Aus dem Systemmodell können über automatisierte Modelltransformationen domänenspezifische Ressourcen, wie beispielsweise Digital Twins, generiert werden. Digital Twins und die damit verbundenen Simulationen können einen deutlichen Mehrwert in Bereichen, wie Optimierung, Wartung und Anomalieerkennung liefern. Allerdings ist die manuelle Erzeugung Aufwändig und Fehleranfällig sein, weshalb eine automatische Erzeugung aus den Informationen des Systemmodells eine Erleichterung darstellt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dieser Problemstellung und der Modellierung komplexer Systeme. Es wird ein Systemmodell mit der Modellierungssprache Systems Modeling Language (SysML) erstellt, welches durch domänenspezifische Profile erweitert wird um Modellierung/Integration der Domänen zu ermöglichen. Mittels einer Modelltransformation in Acceleo werden Informationen aus dem Systemmodell in ein Simulationsmodell der Simulationssoftware twin, welche zur Simulation von Digital Twins geeignet ist, transformiert. Der in der Arbeit präsentierte Ansatz wird anhand er Modellfabrik des Forschungszentrums Digital Factory Vorarlberg veranschaulicht.
Im Rahmen dieser Masterthesis wurde beispielhaft gezeigt, mit welchen Maßnahmen die Handhabung (Gewicht, Größe) von Nasskühlern verbessert werden kann. Dabei wurde berücksichtigt, dass Kühlleistung und Durchsatz dem aktuellen Stand der Technik entsprechen.
Die zu Beginn durchgeführten Messungen an einem, in der Praxis eingesetzten, Referenzgerät und die darauffolgenden Berechnungen lieferten die thermodynamischen Größen (Temperatur, Druck). Diese physikalischen Größen lieferten die Randbedingungen der darauffolgenden Computational Fluid Dynamics (kurz CFD) Simulationen. Aus technischen Gründen wurde der Druck nicht direkt über Sensoren gemessen, sondern mit Hilfe der gemessenen Temperaturen berechnet. Da die Druckmessung einen zu starken Eingriff ins System dargestellt hätte. Um die Korrektheit der berechneten Drücke sicherzustellen, wurden in weiterer Folge die Temperaturen nachgerechnet und mit den Messwerten verglichen.
Um die Messwerte beziehungsweise die Berechnungen weiter zu bestätigen, ist zuerst ein CAD-Modell des vorhanden Referenzgerätes erstellt worden. Dieses CAD-Modell wurde dann hergenommen, um die ersten CFD Simulationen durchzuführen. Die Schwierigkeit hierbei lag bei der realistischen Abbildung der physikalischen Vorgänge, wie beispielsweise bei dem Verdampfen und Kondensieren des Kältemittels (Arbeitsmedium). Es wurden die einzelnen Komponenten des Kältekreislaufes simuliert (Wärmetauscher des Nutzmediums, Verdampfer und Kondensator des Arbeitsmediums).
Abschließend wurde ein Entwurf zur Optimierung von Schankanlagen erarbeitet. Von diesen wurden (teilweise) CAD Modelle erstellt. Die Modelle der optimierten Komponenten wurden dann, bezogen auf ihr Volumen und Gewicht, mit denen des Referenzgerätes, gegenübergestellt.
Den Abschluss der Arbeit bildet ein Fazit über die durchgeführten Berechnungen, Messungen und Simulationen. Des Weiteren wurden hier Aspekte, die nicht in der Arbeit berücksichtigt wurden, kurz aufgegriffen und erläutert.
Die cloud-basierte Verarbeitung von Datenströmen von IoT-Geräten ist aufgrund hoher Latenzzeiten für zeitkritische Anwendungen nur beschränkt möglich. Fog Computing soll durch Nutzung der Rechen- und Speicherkapazitäten von lokal vorhandenen Geräten eine zeitnahe Datenverarbeitung und somit eine Verringerung der Latenzzeit ermöglichen. In dieser Arbeit werden Anforderungen an ein Fog Computing-Framework erhoben, das die dynamische Zuweisung und Ausführung von Services auf ressourcen-beschränkten Geräten in einem lokalen Netzwerk zur dezentralen Datenverarbeitung ermöglicht. Zudem wird dieses Framework prototypisch für mehrere Transportkanäle, unterschiedliche Betriebssysteme und Plattformen realisiert. Dazu werden die Möglichkeiten der Skriptsprache Lua und des Kommunikationsmechanismus Remote Procedure Call genutzt. Das Resultat ist ein positiver Machbarkeitsnachweis für Fog Computing-Funktionalitäten auf ressourcenbeschränkten Systemen. Zudem werden eine geringere Latenz und eine Reduktion der Netzwerklast ermöglicht.
Pump-Probe-Elastographie
(2020)
Krebs ist die zweit häufigste Todesursache in Deutschland. Seine frühzeitige Detektion ist wichtig für eine erfolgreiche Behandlung. Die Detektion und Charakterisierung der Tumore kann unter anderem anhand ihrer mechanischen Eigenschaften erfolgen.
Die Pump-Probe-Elastographie (PPE) ist eine neue und vielversprechende Methode um die mechanischen Eigenschaften von Gewebe durch optische Anregung und Detektion der dadurch entstehenden akustischen Wellen zu charakterisieren.
In dieser Arbeit wurde ein PPE-Mikroskop aufgebaut und anschließend untersucht, wie die Wellenfronten möglichst deutlich sichtbar werden und welchen Einfluss die Pulsenergie auf die erzeugten Wellen hat. Dies geschah anhand zweier Proben – Wasser und Glas. Beide sind transparent und bieten daher auch die Möglichkeit der Messung im Volumen. Wasser unterscheidet sich zudem von Glas, da es kompressibel ist und somit die Entstehung von Stoßwellen erlaubt. In Glas wiederum können nicht nur Longitudinalwellen, sondern auch Transversalwellen und Rayleigh-Wellen entstehen.
Als Ergebnis dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Messergebnisse in Wasser abhängig von der Pulsenergie sind, denn die entstehenden Stoßwellen breiten sich mit Überschallgeschwindigkeit aus, was bei zukünftigen Messungen mit Zellgewebe zu beachten ist. In Glas hat die Pulsenergie zwar keinen Einfluss auf die Wellengeschwindigkeit, jedoch werden die Messungen mit zunehmender Energie deutlicher. Auch ist bei Messungen im Volumen nur die Longitudinalwelle zu sehen. Misst man jedoch auf der Glasoberfläche, so entsteht auch eine Druckwelle in der Luft, welche wiederum abhängig von der Pulsenergie ist. Zusätzlich ist in einigen Messungen eine weitere Welle zu erkennen, welche unabhängig von der Pulsenergie ist und sich im Glas, oder auf dessen Oberfläche ausbreitet.