Mechatronische Entwurfssysteme Forschungsprojekte: „Föderal“ „Aquimo“ Was ist überhaupt Mechatronik? Oft wird das gemeinsame Auftreten der Disziplinen Mechanik, Elektronik und Informatik schon als Mechatronik bezeichnet. Wir der Hochschule Esslingen sehen das ein bisschen anders  Mechatronik ist keine neue Ingenieurdisziplin, sondern ist die funktionale und ............. Somit erfordert sie sowohl eine neue Denkweise bei der Entwicklung und dem Umgang mit Systemen als auch ein Gesamtverständnis für alle Disziplinen der Mechatronik. Und es wird eine neue Vorgehensweise bei der Entwicklung gefordert. Hochschule Esslingen

Definition Mechatronik Informatik Mechanik Elektronik Was ist überhaupt Mechatronik? Oft wird das gemeinsame Auftreten der Disziplinen Mechanik, Elektronik und Informatik schon als Mechatronik bezeichnet. Wir der Hochschule Esslingen sehen das ein bisschen anders  Mechatronik ist keine neue Ingenieurdisziplin, sondern ist die funktionale und ............. Somit erfordert sie sowohl eine neue Denkweise bei der Entwicklung und dem Umgang mit Systemen als auch ein Gesamtverständnis für alle Disziplinen der Mechatronik. Und es wird eine neue Vorgehensweise bei der Entwicklung gefordert. “Mechatronik ist die funktionale und räumliche Integration von Systemen” Hochschule Esslingen 2

Ist-Situation: Entwicklungsprozesse 2006102009 Ist-Situation: Entwicklungsprozesse Auftrag Konstruktions- zeichnungen Sequenzieller Entwicklungsprozess: Mechanik- konstruktion Sensor/Aktor-Liste Hohe Durchlaufzeiten, Unzureichende Abstimmung Stromlaufplan Elektro- konstruktion Projektbezogene Arbeitsorganisation: E/A-Belegung Betrachtet man die in vielen Unternehmen etablierte konventionelle Auftrags-/ Projektbearbeitung, in der die einzelnen Disziplinen diskret ihre Projektierungsaufgaben abarbeiten, wird der sequenzielle Ablauf deutlich. Die jeweils nach gelagerte Disziplin setzt mit Ihrer Planung auf den Ergebnissen der vorgelagerten Konstruktion auf. D.h. man ist immer auf die Arbeitsergebnisse der vorgelagerten Disziplin angewiesen. Die Übergabe der Projektdaten findet i.d.R. in einfacher Listenform statt oder allgemein gesprochen in einem Format, das in der anschließenden Projektierungsphase nicht optimal genutzt werden kann. Generell ist die eingeschränkte Kommunikation zwischen den Disziplinen durch die reine 'Übergabe' solcher Projektlisten oftmals die Ursache für Qualitätsprobleme und zeitaufwändige Nachbesserungen. Im Falle von Änderungen oder aber Fehlern, die erst in einer nachgelagerten Projektierungsphase auffallen, entstehen entsprechend große Aufwände zur Korrektur. Der sequenzielle Engineeringprozess ist in der Arbeitsorganisation stark projekt- und auftragsbezogen, d.h. die meisten Ingenieure (=Konstrukteure) arbeiten auf konkreten Kundenprojekten. Ein projekt- bzw. auftragsneutraler Aufbau von Lösungen (= Firmenwerten, zentrale Abbildung von Wissen etc.) findet nur bedingt statt. SPS-Software ORGANIZATION_BLOCK ... TITLE = Hauptprogramm // 06.09.2004 User: X VERSION : 1.0 VAR_TEMP OB1_SCAN_1 : BYTE; ... Software- entwicklung Hohe projektspezifische Kostenanteile Hochschule Esslingen 3

Ist-Situation: Wiederverwendung 2006102010 Ist-Situation: Wiederverwendung alte Projekte neues Projekt Kopieren manuelles Anpassen Häufig versucht man durch Wiederverwendung vorhandener Projektdaten den Engineering Prozess zu beschleunigen. Dabei werden neue Projekte aus bestehenden Projektdokumentationen zusammenkopiert. Anschließend müssen die kopierten Unterlagen manuell an die Anforderungen des aktuellen Projektes angepasst werden. Im Kopiervorgang liegt bereits der erste Nachteil. Fehler aus Altprojekten werden mitkopiert und verursachen dort erneut Probleme. Die Mitarbeiter greifen aus ihrer persönlichen Erfahrung heraus jeweils auf unterschiedliche Altprojekte zu. Eine standardisierte und qualitativ hochwertige Datenbasis kann so nur schwer definiert werden. Bei der manuellen Überarbeitung der aktuellen Projekte können Fehler passieren. So können in zusammenkopierten Stromlaufplänen durchaus doppelte Betriebsmittelkennzeichen oder Klemmennummern existieren. Um einen fehlerfreien Plan zu erhalten, muss dieser komplett überarbeitet werden. Häufig führt das Kopieren in der Engineeringphase sogar noch zu schnellen Ergebnissen. Die negativen Auswirkungen werden oft erst in späteren Phasen deutlich. Fehler werden erst spät bei der Inbetriebnahme erkannt und verursachen hohe Folgekosten und Zeitverluste. Änderungen, die sich in späten Phasen ergeben müssen mühsam in zusammenkopierte Unterlagen eingepflegt werden. Situation heute Fehler werden mitkopiert, Langweilige manuelle Tätigkeiten sind fehleranfällig Zeitaufwändiges Engineering, Testen etc. Mehrfachentwicklung, Folgekosten auf der Baustelle Hochschule Esslingen 4

Generierung von Unterlagen Komponentenbasierter Prozess auftrags- neutral generierte Daten Entwicklung (Mechanik, Elektrik, Software) Konstruktions- zeichnungen Mechatronische Komponenten Achse Drehtisch Stromlaufplan auftrags-spezifisch Projektierung (Mechanik, Elektrik, Software) Aus einem so entastandenen Komponentenbasierten Prozess werden nun aus dem auftragsspezifischen Projekt die Enddaten für die Dokumentation und Fertigung generiert. Im Einsatz bei den Firmen Nagel, Heller, Homag in verschiedenen Teilbereichen  Föderal SPS-Software ORGANIZATION_BLOCK ... TITLE = Hauptprogramm // 06.09.2004 User: X Maschine / Anlage X-Achse Y-Achse Hochschule Esslingen

Forschungsprojekt Föderal 2006102024 Forschungsprojekt Föderal Zielsetzung Realisierung disziplinübergreifender, baukastenbasierter Entwicklungsprozesse auf der Basis vorhandener Entwicklungssysteme … Die Verbesserung der Kriterien Zeit, Kosten, Qualität durch interdisziplinäre, baukastenbasierte Engineeringprozesse war die Zielsetzung des durch die Firmen Homag, Nagel und Schuler getriebenen Forschungsprojektes Föderal. Für die Umsetzung baukastenbasierter Engineeringprozesse sind in Föderal folgende Ergebnisse entstanden: 1.) Konzept des funktionalen, baukastenbasierten Engineerings, das auf der Weiterverwendung existierender Systeme (Simatic-Manager, Word, …) basiert 2.) Anforderungen an ein Engineeringsystem 3.) Spezifikation der Architektur eines Engineeringsystems 4.) Neutrale Schnittstellen innerhalb des Engineeringsystems sowie zu existierenden Systemen 5.) Dokumentation der Ergebnisse im Föderal-Leitfaden (VDMA-Verlag) 6.) Realisierung eines Engineeringsystems (Mind8, Eplan) Laufzeit: 01.02.2001 – 31.01.2004 www.foederal.org Hochschule Esslingen 6 6

Die AQUIMO-Methode Ist-Situation: Sequentieller Entwicklungsprozess Software- entwicklung Mechanik- konstruktion Elektro- konstruktion Kick- off Ist-Situation: Sequentieller Entwicklungsprozess Zeit Zeit einsparen Kosten einsparen Bessere Produkte Mechanik- konstruktion Elektro- konstruktion Software- entwicklung Abstim- mung. Mechatron- ischer Entwurf Zielsetzung: Mechatronischer Entwicklungsprozess Zeit Wie laufen Entwicklungen heute im Wesentlichen ab? Im Maschinen- und Anlagenbaus sind sie meistens sequentiell organisiert. Zu Beginn eines Projektes findet ein „Kick-Off-Gespräch“ mit allen beteiligten Disziplinen statt. Dann beginnt in der Regel die Mechanikkonstruktion gefolgt von der Elektrokonstruktion und der Softwareentwicklung. Parallel zur Elektrokonstruktion wird häufig schon mit der Fertigung begonnen. Wenn dann bei den nachfolgenden Entwicklungsschritten durch die Fachdisziplinen Änderungen erforderlich werden, hat dies oft Auswirkungen auf die vorgelagerten Disziplinen. Die Folgen sind iterativen Schleifen im Entwicklungsprozess, wodurch sich hohe Durchlaufzeiten, hohe Entwicklungskosten und oft mangelnde Qualität ergeben. Deshalb ist die neue Zielsetzung ein mechatronischer Entwicklungsprozess: Alle Disziplinen entwerfen und entwickeln von Anfang an gemeinsam und stimmen sich regelmäßig ab. Dies erfordert natürlich ein Entwicklungswerkzeug, das eine durchgängige, disziplinübergreifende Unterstützung von mechatronischen Entwurfsprozessen ermöglicht. D.h. es muss von allen verstanden werden. Wenn dieser mechatronische Entwicklungsansatz gelingt, werden Zeit und Kosten eingespart und in der Regel sind auch die entstehenden Produkte ausgereifter. Modellierungswerkzeug (AQUIMO) Hochschule Esslingen 7

Ergebnis Ergebnis ist ein geprüfter Entwurf in den das Wissen aller Disziplinen einfloss Eigenschaftsabsicherung Hochschule Esslingen 8

Konsortium und Partner 01.10.2006 – 31.03.2010 Adaptierbares Modellierungswerkzeug und Qualifizierungsprogramm für den Aufbau firmenspezifischer mechatronischer Engineeringprozesse The Hochschule Esslingen participates in a research project called AQUIMO from October 2006 to March 2010. AQUIMO is an adaptable … Here you can see the other participants of the project. in the project are the three companies Homag, Heller and Nagel involved; they are all working in machine and plant manufacture the company Mind8 is a software-house and responsible for the software in AQUIMO The Hochschule Esslingen specified the mechatronic Method, adept the tool and develop a qualification program. the FernUniversität in Hagen was in charge of the evaluation of the AQUIMO- Tool and the qualification and the competence network mechatronic is in charge of the publicity of AQUIMO the project was supported by the Bundesministerium für Bildung und Forschung, that is the German Federal Ministry of Education and Research and supervised by the Forschungszentrum Karlsruhe, that is the research center Karlsruhe Hochschule Esslingen 9

Föderal - AQUIMO Entwicklung Durchgängiger Baukasten Auftrags- Option X Maschinentyp A Maschinentyp B Auftrags- durchlauf Diese Folie zeigt die Trennung der beiden Projekte Föderal und AQUIMO und verdeutlicht warum AQUIMO ins Leben gerufen wurde. Grund für AQUIMO AQUIMO beschäftigt sich mit dem Entwicklungsprozess im Maschinen und Anlagenbau Auftrag Maschine 1 Option X Hochschule Esslingen

Verbundprojekt Föderal (Variantenmanagement im Maschinen und Anlagenbau) Mind8 Engineering Center (EPLAN Engineering Center)

Mechatronischer Entwicklung Beispiel: Pfuderer Golfballmaschine

Verbundprojekt AQUIMO (durchgängige, mechtronische Entwicklungsprozesse)

Entwicklung Durchgängiger Baukasten Auftrags- durchlauf Auftrag Option X Maschinentyp A Maschinentyp B Auftrags- durchlauf Auftrag Maschine 1 Option X Hochschule Esslingen

Zielsetzung: Mechatronischer Entwicklungsprozess Ansatz von AQUIMO Software- entwicklung Mechanik- konstruktion Elektro- konstruktion Kick- off Ist-Situation: Sequentieller Entwicklungsprozess Zeit Zeit einsparen Kosten einsparen Bessere Produkte Mechanik- konstruktion Elektro- konstruktion Software- entwicklung Abstim- mung. Mechatron- ischer Entwurf Zielsetzung: Mechatronischer Entwicklungsprozess Zeit Ansatz: Im Maschinen- und Anlagenbau sind die Entwicklungsprozesse meistens noch sequentiell organisiert. Zu Beginn eines Projektes findet ein „Kick-Off-Gespräch“ mit allen beteiligten Disziplinen statt. Dann beginnt in der Regel die Mechanikkonstruktion gefolgt von der Elektrokonstruktion und der Softwareentwicklung. Parallel zur Elektrokonstruktion wird häufig schon mit der Fertigung begonnen. Wenn dann bei den nachfolgenden Entwicklungsschritten durch die Fachdisziplinen Änderungen erforderlich werden, hat dies oft Auswirkungen auf die vorgelagerten Disziplinen. Die Folgen sind iterativen Schleifen im Entwicklungsprozess, wodurch sich hohe Durchlaufzeiten, hohe Entwicklungskosten und oft mangelnde Qualität ergeben. Deshalb ist die neue Zielsetzung ein mechatronischer Entwicklungsprozess: Alle Disziplinen entwerfen und entwickeln von Anfang an gemeinsam und stimmen sich regelmäßig ab. Dies erfordert natürlich ein Entwicklungswerkzeug, das eine durchgängige, disziplinübergreifende Unterstützung von mechatronischen Entwurfsprozessen ermöglicht. D.h. es muss von allen verstanden werden. Wenn dieser mechatronische Entwicklungsansatz gelingt, werden Zeit und Kosten eingespart und in der Regel sind auch die entstehenden Produkte ausgereifter. Hochschule Esslingen

Derzeitige Probleme: Interdisziplinäres Engineering Keine gemeinsame Sprache der Fachdisziplinen Notwendige Diagramme und Unterlagen werden nicht von allen verstanden Fehlendes mechatronisches Gesamtverständnis Differenzen zwischen den einzelnen Disziplinen Hochschule Esslingen

Steuerungs- programmier- system Die AQUIMO-Methode AQUIMO-Werkzeug Interdisziplinäre Entwicklung: formale Abbildung aller interdisziplinär relevanten Informationen jeweils durch alle Disziplinen lesbar Wirkprinzip Zustandsgraph Funktionsdiagramm durchgängiges Informationsmodell Mechanik- CAD- system Elektro- CAD- system Steuerungs- programmier- system TITLE = Hauptprogramm ORGANIZATION_BLOCK ... VERSION : 1.0 // 06.09.2004 User: X OB1_SCAN_1 : BYTE; VAR_TEMP ... Disziplinspezifische Entwicklung: spezialisiert für die Detailentwicklung für andere Disziplinen nur bedingt verständlich Geometrie, Ablauf und Verhalten werden durch das Werkzeug generiert. Die Geometrie wird aus dem Baukasten zusammengestellt, das Verhalten ergibt sich entweder automatisch oder muss angegeben werden, der Ablauf ergibt sich entweder automatisch oder muss angegeben werden. Im durchgängigen Informationsmodell befinden sich die Übergabedaten, die an die einzelnen Disziplinen weitergegeben werden. Hochschule Esslingen

Vorteile der mechatronischen Entwurfsmethode Gemeinsame Entwicklung Gesamtverständnis für das Produkt Synergien der Disziplinen werden berücksichtigt Kritische Schnittstellen werden frühzeitig erkannt Paralleles Arbeiten und regelmäßige Abstimmungen Probleme werden schneller erkannt und können unkomplizierter behoben werden Ein gemeinsames Werkzeug wird verwendet Was sind nun die Vorteile der vorgestellten mechatronischen Entwurfsmethode? Alle Disziplinen werden in Entwicklungsprozess eingebunden; dies führt dazu, dass  alle ein Gesamtverständnis für das Produkt entwickeln, dass  Synergien entstehen und dass  kritische Schnittstellen frühzeitig erkannt werden Durch paralleles Arbeiten und regelmäßige Abstimmungen werden Probleme schneller erkannt und Änderungen sind unkomplizierter umsetzbar. Durch die Verwendung eines gemeinsamen, von allen Disziplinen verstandenen Werkzeuges können Missverständnisse vermieden werden und dadurch unnötige Korrekturschritte vermieden werden. Abschließend möchte ich noch kurz die Anwendungsbeispiele zeigen, die unsere Industriepartner und wir verwenden, um die Alltagstauglichkeit der verwendeten Methode und des Werkzeugs zu optimieren und zu verifizieren. Hochschule Esslingen

Mechatronische Entwurfsmethode Ergebnisse von AQUIMO Mechatronische Entwurfsmethode AQUIMO-Werkzeug Einführungsstrategie, Qualifizierung Hochschule Esslingen

Einfluss des mechatronischen Entwurfs auf Kosten, Zeit und Qualität Mechanik- konstruktion Elektro- konstruktion Software- Entwicklung Abstim- mung. Mechatron- ischer Entwurf Beeinfluss- barkeit von Kosten, Zeit und Qualität Mechatronische Entwicklung: Fokus auf Entwurf, da größter Einfluss auf anschließende Entwicklung Zeit Hochschule Esslingen

Idee für das Tool Bisher werden bei gemeinsamen Sitzungen oft Skizzen verwendet oder „Kaffeetassen“ verschoben um unter den Gewerken Probleme aufzuzeigen. Einfacher Skizzen-Editor Grundkomponenten 3D animiert (Ablaufdiagramme ableitbar) Hochschule Esslingen

Funktions- oder Gantt-Diagramm Funktionale Struktur 3D-Skizze Funktions- oder Gantt-Diagramm Zylinder WZW - T ü r Ventil Verschiebe- einrichtung NC Hub offen geschlossen Y2.1 Y2.2 WZ am BSP WZ im WZM Y1.1 Y1.2 ccw cw Mittelstellung 2s Start WZW B1 B3 B2 Benennung Zustand Zeitachse Schwenk Motor aus Interdisziplinäre Engineeringphase Digitales mechatronisches Pflichtenheft Disziplinspezifische Engineeringphase Hochschule Esslingen

AQUIMO-Werkzeug Modell Beschreibungsmittel Simulation Entwurfsbaukasten 3D-Editor Schwenkachse Virtuelle Maschine Generator Motor Wunschaufbau des Tools aus Baukasten wird in einem 3D editor die Skizze und das Verhalten erstellt . VirtuosM  Verhaltensmodell VirtuosV  Visualisierung Planetengetriebe Riemengetriebe Ablauf Projekt Steuerung Generator Hochschule Esslingen

AQUIMO-Werkzeug Hochschule Esslingen

Generierte Animation Hochschule Esslingen

AQUIMO-Werkzeug Parametrisierung Erweiterung des Modells durch Servo-Ansteuerung Verknüpfung im 2D- Editor mit Motor Parametrisierung der Ansteuerung ( Wunschangaben) Hochschule Esslingen

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Ergebnisse des Entwurfs Sensor/ Aktor –Liste Funktions oder Gantt –Diagramm animierte 3D-Skizze Motorauslegungen Übergabedaten für die weitere Entwicklung Hochschule Esslingen