Analysis of potential errors in technical products by combining knowledge graphs with MBSE approach. - In: Engineering for a changing world, (2023), 4.2.032, S. 1-15
Technical products are developed to meet the demands of stakeholders. Therefore, the product's functions and associated properties are important. Various influencing factors e.g., external disturbances can have an impact on the input flows of the products or its characteristics and thus on the functions. If this leads to deviations between the required and as-is functions, these deviations are called errors. It is therefore important to analyze errors in product development and implement measures to increase the robustness of the product. Model-Based Systems Engineering (MBSE) supports the development of complex systems. However, MBSE alone has limited ability to identify in-depth errors. This requires knowledge of possible errors from previous products in specific contexts. For this purpose, the method proposed in this paper facilitates identifying errors in the concept phase by combining MBSE approaches with reusable knowledge (i.e., knowledge graph). The approach is presented using an application example for a mobile robot.
https://doi.org/10.22032/dbt.58898
Systematic use of model-based solution patterns using the example of a load cell. - In: Engineering for a changing world, (2023), 4.2.029, S. 1-17
Complex mechatronic products are usually decomposed into several sub-systems for their development. These sub-systems are developed in parallel or even independently based on their specifications and use cases. The application of model-based solution patterns is an effective way to comprehensively and efficiently describe the available knowledge about the sub-systems. This contribution proposes an approach to support the selection and application of model-based solution patterns. The approach, based on a metamodel for solution patterns using SysML, describes the process for selecting solution patterns and aligning requirements and constraints with the as-is properties of the sub-systems. Additionally, the approach supports the design of solution patterns taking into account special knowledge from the development of the sub-systems as well as the usage of the solution patterns in different systems and contexts. As an example, an application scenario of a specific load cell within a measurement system is explained.
https://doi.org/10.22032/dbt.58904
Error classification as a basis for automating the conformity of production process in the automotive industry. - In: Engineering for a changing world, (2023), 2.1.011, S. 1-16
In the automotive industry, the complexity of ensuring production conformity has increased significantly. Reasons for this are a growing number of vehicle variants in combination with increasing regulatory requirements in import markets. Violations of the "Conformity of Production" (CoP) can result in drastic penalties. This is contrasted by a partially random and manual inspection process that is currently not sufficiently automated and digitalized. According to the BMW Group CoP expert workshop there is not enough error analysis and classification in the current situation to comprehensively perform automated inspections. To gain more insight into this manual inspection process, a comprehensive error analysis and classification must first take place to derive measures. Based on the requirements for the CoP process and the findings from the state of the art, the objective of this contribution is to analyze the status quo regarding error frequencies and to derive possible measures from the findings.
https://doi.org/10.22032/dbt.58850
Entwicklung eines Ausgabespeichers zur Aufnahme von Kleinteilen an Spritzgussmaschinen. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
In dieser Bachelorarbeit wird ein Ausgabespeicher zur Aufnahme von Kunststoff-Kleinteilen verschiedener Größen aus Spritzgussmaschinen entwickelt, um das manuelle Bereitstellen von Kisten zu automatisieren sowie den Personalaufwand und ungeplante Störungen des Betriebsprozesses zu reduzieren. Die Arbeit beginnt mit der Abstimmung der Anforderungen mit dem Kunden und berücksichtigt dabei den begrenzten Bauraum in dessen Produktionshallen sowie die Einhaltung sicherheitsrelevanter Richtlinien beim Betrieb der Anlage. Die vorliegende Arbeit bietet einen detaillierten Einblick in den Entwicklungsprozess und die technischen Herausforderungen bei der Konstruktion eines solchen Ausgabespeichers. Es werden zwei verschiedene Lösungskonzepte mit vertikaler Bauweise erarbeitet, die sich in ihrer technischen Umsetzungsmöglichkeit unterscheiden. Der wesentliche konstruktive Unterschied besteht darin, dass die Kisten selbst transportiert werden oder fest an einer Stelle verbleiben. Beide Konzepte werden durch das Erstellen Technischer Prinzipe weiter untersetzt. Anhand unterschiedlich gewichteter Bewertungskriterien (technisch und ökonomisch) wird eine Vorzugsvariante mit feststehenden Kisten herausgearbeitet, welche mittels einer verfahrbaren Transporteinheit mit Kippmechanismus befüllt werden. Das Konkretisierte Technische Prinzip bildet die Basis für die Konstruktion und die Dimensionierung der benötigten Aktoren der Anlage, unter Berücksichtigung der Zykluszeit der Spritzgussmaschine. Das Ergebnis ist ein rein elektrisch betriebener Ausgabespeicher, der durch nur zwei Aktoren angetrieben wird. Dieser ist so konzipiert, dass er flexibel, ohne das Umrüsten von Baugruppen an verschiedene Spritzgussmaschinen-Typen anpassbar ist und unterschiedliche Kistengrößen aufnehmen kann. Der entwickelte Ausgabespeicher erfüllt alle Kundenanforderungen und aufgrund seiner Flexibilität kann er auch für den breiten Markt von Interesse sein.
Going one step further: towards cognitively enhanced problem-solving teaming agents. - In: Engineering for a changing world, (2023), 5.1.137, S. 1-12
Operating current advanced production systems, including Cyber-Physical Systems, often requires profound programming skills and configuration knowledge, creating a disconnect between human cognition and system operations. To address this, we suggest developing cognitive algorithms that can simulate and anticipate teaming partners' cognitive processes, enhancing and smoothing collaboration in problem-solving processes. Our proposed solution entails creating a cognitive system that minimizes human cognitive load and stress by developing models reflecting humans individual problem-solving capabilities and potential cognitive states. Further, we aim to devise algorithms that simulate individual decision processes and virtual bargaining procedures that anticipate actions, adjusting the system’s behavior towards efficient goal-oriented outcomes. Future steps include the development of benchmark sets tailored for specific use cases and human-system interactions. We plan to refine and test algorithms for detecting and inferring cognitive states of human partners. This process requires incorporating theoretical approaches and adapting existing algorithms to simulate and predict human cognitive processes of problem-solving with regards to cognitive states. The objective is to develop cognitive and computational models that enable production systems to become equal team members alongside humans in diverse scenarios, paving the way for more efficient, effective goal-oriented solutions.
https://doi.org/10.22032/dbt.58925
Entwurf von Brems-/Festhaltungskonzepten für Heckklappenantriebe an Personenkraftwagen. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Die zunehmende Verbreitung von Fahrzeugen mit automatisch öffnenden Heckklappen eröffnet neue Herausforderungen im Bereich der Brems- und Festhaltungskonzepte. Das Ziel dieser Arbeit ist es, effiziente Lösungen zu entwickeln, die in verschiedenen Öffnungsstellungen Brems- und Haltemomente gewährleisten können. Diese Lösungen müssen unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten wie Einklemmung und Witterungseinflüssen funktionieren. Darüber hinaus sollten die Heckklappen individuell steuerbar sein, um personalisierte Öffnungswinkel zu ermöglichen. Die bevorzugten Konzepte sollten in den begrenzten Bauraum der Heckklappenantriebe integrierbar sein und die Möglichkeit bieten, den Antriebsmotor in der Halteposition abzuschalten. Die vorliegende Arbeit umfasst eine Bestandsaufnahme bestehender Brems- und Haltekonzepte, die Analyse der Anforderungen und Randbedingungen, die Entwicklung neuer Lösungen und die Erstellung eines Grobgestaltung für die bevorzugte Lösung.
Entwicklung einer harmonisierten Gesamtarchitektur für parallel existierende mobile Robotersysteme unter Nutzung von MBSE. - Ilmenau. - 166 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Wir befinden uns in einer Zeit sich rasant entwickelnder Technologien. Auch die unaufhaltsam wachsende Robotik-Branche ist hiervon betroffen. In dieser Ära der Technik werden robotische Systeme stetig mehr in den menschlichen Alltag integriert, was eine immer stärker werdende Mensch-Roboter-Kollaboration mit sich bringt. Auch in der Industrie 4.0 ist eine kontinuierlich weiter reichende Integration robotischer Systeme, beispielsweise durch intelligente Serviceleistungen, zu beobachten. Die vielfältigen Einsatzgebiete und Aufgabenfelder für Robotersysteme bringen ein breites Spektrum an Anforderungen mit sich. Es ergibt sich die Notwendigkeit unterschiedlichster Varianten robotischer Systeme, welche insbesondere von Unternehmen wie MetraLabs entwickelt werden. Sie bieten unzählige Möglichkeiten, den Horizont sowohl von Einzelpersonen als auch von Unternehmen zu erweitern. Angesichts dieser Entwicklungen steht die Industrie vor dem dringenden Bedarf, die Struktur und Architektur solcher Syste me zu optimieren und zu harmonisieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine universelle Robotersystem-Architektur zu schaffen, die sowohl aktuelle als auch zukünftige Anforderungen berücksichtigt. Im Mittelpunkt dieser Masterarbeit steht die Entwicklung einer harmonisierten Gesamtarchitektur für die Robotersysteme von MetraLabs, einschließlich der Modelle „TORY RFID“, „TORY SHELF“ und „STERYBOT“ auf Grundlage der Code-Basis jener Roboter. Mit dem methodischen Ansatz des Model-Based Systems Engineering (MBSE) werden SysML-Modelle dieser Roboter entwickelt. Das SysML-Modellierungswerkzeug Papyrus wurde aufgrund seiner Eclipse Public License ausgewählt, um Zustandsautomaten und Aktivitätsdiagramme zur Darstellung der entwickelten Architektur zu nutzen. Basierend auf einer eingehenden Analyse bestehender Robotersysteme wurde ein Top-Down-Ansatz angewendet, um eine zukunftssichere und harmonisierte Architektur zu schaffen. Kernpunkte dieser Arbeit umfassen die Identifizierung von Optimierungspotentialen, die Vereinheitlichung von Prozessen, und die Einführung neuer Zustände für eine verbesserte Zustandsmaschine. Das Ergebnis ist eine optimierte, kundenzentrierte Architektur, die den Entwicklungsprozess verbessert und die Heterogenität und Komplexität der Robotersysteme von MetraLabs harmonisiert.
Anpassung einer Rückwand-Anlage von Papp-Elementen auf Blech. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Neue Brandschutzverordnungen für den Markt Australien/Neuseeland erfordern den Aus-tausch der bisherigen Papp-Rückwand bei Kühl- und Gefriergeräten durch eine Blech-Rückwand. Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Konzeptionierung und Ausarbeitung notwendiger Umbaumaßnahmen an der Rückwand-Montageanlage, damit diese in Zukunft in Gemischtfahrweise betrieben werden kann. Nach einer ausführlichen Einführung in den Ist-Stand des Prozesses und der Beschreibung der einzelnen Baugruppen wird eine Fehleranalyse des Prozesses durchgeführt. Der Schwerpunkt ist dabei auf die Verarbeitung des Rückwandblechs gelegt. Die zu überarbeitenden Komponenten und Funktionen werden aus der Fehleranalyse abgeleitet. Als Grundlage für die Bearbeitung wird eine Übersicht der auf der betroffenen Linie gefertigten Kühlgeräte-Typen erstellt, aus der die eingesetzten Gebinde abgeleitet werden. Zudem werden weitere notwendige Rahmenbedingungen und Anforderungen definiert. Für die Lösung der Aufgaben werden systematisch geeignete Konzepte entwickelt und ihre Vor- und Nachteile gesammelt. Geeignete Varianten werden gegenübergestellt und nach unterschiedlichen Gesichtspunkten bewertet und gewichtet, sodass die optimale Lösung ermittelt werden kann. Die gewählten Konzepte werden anschließend in einer 3D-CAD Umgebung konstruktiv umgesetzt und die dazugehörige Konstruktion wird beschrieben. Nachfolgend werden die Umbaumaßnahmen im Rahmen der Risikobeurteilung hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Sicherheit der Anlage untersucht, bevor die Arbeit mit einem Fazit und Ausblick abgeschlossen wird.
Entwicklung eines automatischen Be- und Entladungssystems für Modellzüge. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Um die Forderungen von Kunden und den Druck der Konkurrenz zu erfüllen, müssen Modellbahnen stetig weiterentwickelt werden. Dies ist oft mit steigenden Anforderungen an Funktion und Optik verbunden. Immer öfter werden daher digital steuerbare Sonderfunktionen in Wagen verbaut, um diese interessanter zu gestalten. Die Sonderfunktionen sind aufgrund der geringen Größe der Modelle und den hohen Ansprüchen an Vorbildgetreue oft anspruchsvoll zu entwickeln. Eine solche Sonderfunktion stellt auch das Be- und Entladen von Modellzügen dar. Dieses kann für mehrere Anwendungszwecke, wie Beladung von Gepäck, Tieren und Transportgut verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Be- und Entladen eines Themenwagens zur „schwäb’schen Eisenbahn“ konzipiert und ausgestaltet, wobei eine Ziege auf einen Plattformwagen der Nenngröße H0 (1:87) geladen und abgesetzt wird. Um das Modell zu entwickeln, werden die Anforderungen an das fertige Produkt analysiert. Anschließend werden verschiedene Konzepte für die Bewegungsmechanik und den Antrieb erarbeitet, verglichen und bewertet, um die Beste Umsetzungsart zu finden. Die benötigten Bauteile werden konstruiert, gefertigt und zum Abschluss der Arbeit, zu einem funktionsfähigen Prototypen montiert.
Systematic optimisation process for an eBike drive unit in a highly variable environment. - In: Proceedings of the Design Society, ISSN 2732-527X, Bd. 3 (2023), S. 3305-3314
Drive units of eBikes are used in every type of bicycle and for different riding scenarios and riders. Due to the different riders and bike types, an enormous variety of influencing parameters and load spectra must be considered during the design process. Therefore, in this paper, a systematic approach for the optimization of the drive unit is presented, which adopts and combines several approaches from design theory. The focus is on efficient modeling and simulation of the relevant parameters and load spectra to minimize uncertainties in the design process. Based on a system analysis, dimension-reduced parameter spaces are formed for the simulation of the system, meta-models are integrated into the simulation model and the results of the simulation are transferred into a data-based surrogate model to cover the parameter space in an efficient way with a minimum number of time consuming FE simulations. Furthermore, a coordinate-based evaluation method is presented for the FE model in order to form the input for the surrogate model, reduces the amount of data, and to allows a geometry- and mesh-independent evaluation to compare different models.
https://doi.org/10.1017/pds.2023.331