Die Effizienz von Verarbeitungs- und Verpackungsmaschinen hängt ganz wesentlich vom Erfahrungs- und Prozesswissen der Bediener ab. Unerfahrenen Bedienern ist nur selten möglich, Störungen im Prozess mit einer fundierten Ursachenanalyse nachhaltig zu beseitigen. Die Folge sind sich häufig wiederholende Mikrostörungen und eine geringe Anlageneffizienz. Um den Bediener bei der Ursachenfindung zu unterstützten setzt das Fraunhofer IVV Dresden auf ein selbstlernendes Bedienerassistenzsystem. Dieses erfasst die aktuelle Situation aus vorhandener Sensorik, anhand kooperativer Dialoge mit dem Bediener und über Kamerasysteme. In Verbindung mit einer wachsenden Datenbank zu möglichen Störungen und Ursachen wird dem Bediener ein virtueller Kollege zur Seite gestellt, welcher mit Erfahrungswissen aller Mitarbeiter in der richtigen Situation unterstützen kann.

Die automatische Reinigung von Verarbeitungsmaschinen erfolgt industriell auf Basis von Erfahrungswissen oder empirisch ermittelter Daten. Ein grundsätzliches Verständnis komplexer Reinigungsprozesse würde diese momentane Praxis, die sowohl fehleranfällig ist als auch ein hohes Einsparpotential an wichtigen Ressourcen bietet, deutlich verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, durch die Untersuchung von Reinigungsvorgängen im immergierten System einen Beitrag zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und der Prozesssicherheit automatischer Reinigungsvorgänge in Verarbeitungsmaschinen zu leisten. Ausgehend davon werden in einem ersten Schritt sowohl Kenntnisstand als auch offene Fragen im Verständnis von Reinigungsvorgängen im immergierten System identifiziert. Darauf aufbauend erfolgt die Betrachtung vorhandener industrieller sowie labortechnischer Messmethoden zur Analyse von Reinigungsvorgängen. Auf Basis dieser rechercheorientierten Arbeit wird die Arbeitshypothese aufgestellt, dass die Untersuchung der Wirkmechanismen der Reinigung im immergierten System auf der Betrachtung komplexer Strömungsgeometrien mit einem geeigneten Messsystem beruht. Die Konzeption eines solchen Messsystems sowie die Durchführung der Versuche stellen den ingenieurtechnischen Kern der vorliegenden Arbeit dar. Die Auswertung der gesammelten Erkenntnisse sowie die kritische Prüfung und Einordnung in den Stand der Forschung bilden den wissenschaftlichen Schwerpunkt. Im Ergebnis werden aus den somit gewonnenen Erkenntnissen zu den Wirkmechanismen der Reinigung Rückschlüsse auf die wissenschaftliche Weiterführung dieser Untersuchungen sowie auf die Anwendung in der industriellen Praxis gezogen.

Die Effizienz von Verarbeitungs- und Verpackungsmaschinen hängt ganz wesentlich vom Erfahrungs- und Prozesswissen der Bediener ab. Unerfahrenen Bedienern ist nur selten möglich, Störungen im Prozess mit einer fundierten Ursachenanalyse nachhaltig zu beseitigen. Die Folge sind sich häufig wiederholende Mikrostörungen und eine geringe Anlageneffizienz. Um den Bediener bei der Ursachenfindung zu unterstützten setzt das Fraunhofer IVV Dresden auf ein selbstlernendes Bedienerassistenzsystem. Dieses erfasst die aktuelle Situation aus vorhandener Sensorik, anhand kooperativer Dialoge mit dem Bediener und über Kamerasysteme. In Verbindung mit einer wachsenden Datenbank zu möglichen Störungen und Ursachen wird dem Bediener ein virtueller Kollege zur Seite gestellt, welcher mit Erfahrungswissen aller Mitarbeiter in der richtigen Situation unterstützen kann.

Um die Prozessstabilität in Verarbeitungsmaschinen auch bei hohen Ausbringungen bewerten und darauf aufbauend sicherstellen zu können ist eine geometrisch-kinematische Analyse des realen Verarbeitungsprozesses notwendig. Dazu wird im Beitrag ein optisches Hochgeschwindigkeits-Mehrkamera-Messsystem vorgestellt, mit dem auch schnelle Prozesse berührungslos analysiert werden können. Es wird gezeigt, wie durch die Zusammenführung von Bewegungsanalyse und Daten aus der Maschinensteuerung der Informationsgehalt und damit auch die Aussagefähigkeit von Messungen deutlich erhöht werden kann. Als Beispielprozess wird der intermittierende Transport kleinformatiger Stückgüter (z.B. Schokoladenriegel) gewählt.

Die geometrischen Abmessungen von Lebensmitteln werden auf eine für den Verzehr geeignete Größe reduziert. Für diesen Vorgang wird oft das Zerschneiden der Lebensmittel zur Anwendung gebracht. Neben der manuellen Ausführung des Schneidens durch den Endkonsumenten oder den Betrieb des Lebensmittelhandwerks wird in der industriellen Konsumgüterproduktion das Schneiden mit hohen Geschwindigkeiten und relativ hoher Ausbringung von Maschinen umgesetzt. Mit den hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten gehen Herausforderungen einher, die vor allem auf das visko-elastische Verhalten der Lebensmittel und das geschwindigkeitsabhängige Verhalten der Wirkpaarung aus Messer und Schneidgut zurückzuführen sind. Auftretende Probleme sind Oberflächenschäden an der Schnittfläche in Form von Ausbrüchen, Deformationen und im Extremfall Denaturierungen. Für die Deformation und die Denaturierung ist das Reibungsverhalten der Wirkpaarung entscheidend, weshalb in dieser Arbeit eine Methode zur besseren Charakterisierung des Reibungsverhaltens beim Schneiden entwickelt und in Experimenten zur Anwendung gebracht wird. Als Basis wird ein Modell zur Abbildung der relevanten Größen entworfen, welches auf Modellen aus dem Schneiden von Lebensmitteln und Metallen aufbaut. Zur Anwendung des Modells wird ein Ablauf zur Auswertung von Schneidkraftverläufen entwickelt. Zur Prüfung der Methode werden Schneidversuche mit verschiedenen Geschwindigkeiten, Messerbeschichtungen und Schneidgütern durchgeführt. Aus Permutationen dieser Versuchsparameter gehen verschiedene Wirkpaarungen hervor, für deren Schneidkraftverläufe die entwickelte Methode zur Anwendung gebracht wird. Im Ergebnis stehen Kennwerte jedes durchgeführten Schnitts, welche das Schneidverhalten charakterisieren, zur Verfügung. In genormten Experimenten werden mechanische Kennwerte der Schneidgüter und Reibungskennwerte der Messeroberflächen bestimmt und mit den Kennwerten der Methode statistisch abgeglichen. Abschließend wird die entwickelte Methode in Bezug zu den genormten Kenngrößen diskutiert und die Bedeutung für die Verarbeitungstechnik eingeordnet. / The geometric dimensions of foods need to be reduced to a size suitable for consumption. Cutting of food is often brought to application for this purpose. In addition to the manual execution of cutting by the consumer, cutting is implemented in industrial consumer goods production at high speeds and relatively high output rates of the machines. The high processing speeds are accompanied by challenges, which are mainly due to the visco-elastic behavior of the food and the speed-dependent behavior of the active pairing consisting of knife and material to be cut. Emerging problems are surface damage on the cut surface in the form of chipping, distortion and denaturation. The frictional behavior of the active pairing is decisive for the deformation and denaturation. Therefore a method for better characterization of the frictional behavior during cutting is developed in this work and applied in experiments. A model representing the relevant variables builds the basis, which is derived from models for cutting of foodstuffs and metals. A procedure for evaluating cutting force curves is developed in order to apply the model. Cutting tests with different speeds, knife coatings and cutting materials are carried out to test the newly developed method. The permutations of these test parameters give rise to various active pairings. For cutting force curves of these generated pairings the developed method is applied. In the results characteristic values of each performed cut are presented. They characterize the cutting behavior of the active pairing. Mechanical parameters of the cutting materials and friction parameters of the knife surfaces are determined in accompanying standardized experiments and statistically compared with the parameters of the method. Finally, the developed method and the significance for processing technology are discussed in relation to the standardized parameters.

Die automatische Reinigung von Verarbeitungsmaschinen erfolgt industriell auf Basis von Erfahrungswissen oder empirisch ermittelter Daten. Ein grundsätzliches Verständnis komplexer Reinigungsprozesse würde diese momentane Praxis, die sowohl fehleranfällig ist als auch ein hohes Einsparpotential an wichtigen Ressourcen bietet, deutlich verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, durch die Untersuchung von Reinigungsvorgängen im immergierten System einen Beitrag zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und der Prozesssicherheit automatischer Reinigungsvorgänge in Verarbeitungsmaschinen zu leisten. Ausgehend davon werden in einem ersten Schritt sowohl Kenntnisstand als auch offene Fragen im Verständnis von Reinigungsvorgängen im immergierten System identifiziert. Darauf aufbauend erfolgt die Betrachtung vorhandener industrieller sowie labortechnischer Messmethoden zur Analyse von Reinigungsvorgängen. Auf Basis dieser rechercheorientierten Arbeit wird die Arbeitshypothese aufgestellt, dass die Untersuchung der Wirkmechanismen der Reinigung im immergierten System auf der Betrachtung komplexer Strömungsgeometrien mit einem geeigneten Messsystem beruht. Die Konzeption eines solchen Messsystems sowie die Durchführung der Versuche stellen den ingenieurtechnischen Kern der vorliegenden Arbeit dar. Die Auswertung der gesammelten Erkenntnisse sowie die kritische Prüfung und Einordnung in den Stand der Forschung bilden den wissenschaftlichen Schwerpunkt. Im Ergebnis werden aus den somit gewonnenen Erkenntnissen zu den Wirkmechanismen der Reinigung Rückschlüsse auf die wissenschaftliche Weiterführung dieser Untersuchungen sowie auf die Anwendung in der industriellen Praxis gezogen.

Um die Prozessstabilität in Verarbeitungsmaschinen auch bei hohen Ausbringungen bewerten und darauf aufbauend sicherstellen zu können ist eine geometrisch-kinematische Analyse des realen Verarbeitungsprozesses notwendig. Dazu wird im Beitrag ein optisches Hochgeschwindigkeits-Mehrkamera-Messsystem vorgestellt, mit dem auch schnelle Prozesse berührungslos analysiert werden können. Es wird gezeigt, wie durch die Zusammenführung von Bewegungsanalyse und Daten aus der Maschinensteuerung der Informationsgehalt und damit auch die Aussagefähigkeit von Messungen deutlich erhöht werden kann. Als Beispielprozess wird der intermittierende Transport kleinformatiger Stückgüter (z.B. Schokoladenriegel) gewählt.

Dieser Beitrag stellt einen Ansatz zur Steigerung der Ausbringung von Verarbeitungsmaschinen vor, der besonders bei der Umsetzung von Handhabungsaufgaben mittels dezentraler Antriebe wirkungsvoll angewandt werden kann. Ausgehend von einer Analyse bisheriger Ausbringungsbegrenzungen wird ein Konzept vorgestellt, welches Prozessmodelle, deren Nutzung in Bewegungsoptimierungen und die Abarbeitung mit Motion-Control-Systemen beinhaltet. Experimentelle Nachweise an Beispielprozessen, die den Erfolg des beschriebenen Ansatzes zeigen sowie weiterführende Gedanken bilden den Abschluss des Beitrages.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden zur Synthese und Umsetzung optimaler Bewegungen in Verarbeitungsmaschinen. Bewegungen werden zur Steuerung von Arbeitsorganen eingesetzt und müssen im Rahmen einer Maschinenentwicklung synthetisiert werden. Sowohl die Qualität der Bewegung als auch deren Umsetzung hat wesentlichen Einfluss auf den Erfolg des Verarbeitungsprozesses sowie auf die tatsächliche Maschinenausbringung. Besondere Beachtung wird bei der Methodenentwicklung auf den Aspekt der einstellbaren Drehzahl einer Verarbeitungsmaschine gelegt. Aufbauend auf einer Darstellung sowie Abgrenzung des wissenschaftlichen Fachgebietes werden die spezifischen Anforderungen an Bewegungen in modernen Verarbeitungsmaschinen diskutiert. In diesem Zusammenhang werden die in Wissenschaft und Technik bekannten Methoden und Vorgehensweisen demonstriert, ihre Vor- und Nachteile diskutiert sowie deren Anwendungsgrenzen ermittelt. Diese Grenzen betreffen im Wesentlichen die bisher vernachlässigte Drehzahlabhängigkeit optimaler Bewegungen, welche den effektiven Drehzahlbereich limitiert und mithin auch die Maschinenausbringung. Hieraus ergibt sich die technisch-wissenschaftliche Problemstellung, zu deren Lösung diese Arbeit beitragen soll. Zur Lösung der Problemstellung werden Beispiele von Verarbeitungsaufgaben diskutiert, bei denen drehzahlabhängiges Verhalten festzustellen ist und welches Einfluss auf die Ausbringung der Verarbeitungsmaschine hat. Aus dieser Analyse resultiert die Auswahl der Verarbeitungsaufgabe Fluidtransport als repräsentatives Beispiel, das auf Grund seiner Eigenschaften zur Demonstration aller Überlegungen und Methoden geeignet ist. Grundlage für die Bewegungsoptimierung, die die Lösung der Bewegungsaufgabe für verschiedene eingestellte Drehzahlen liefert, ist ein valides Prozessmodell, das zur Beantwortung prozessspezifischer Fragestellungen befähigt. Auf Grundlage von in Experimenten gewonnenen Informationen werden Prozessmodelle unter Berücksichtigung der variablen Drehzahl sowie des Formates abgeleitet und die dazugehörigen Modellgrenzen ermittelt. Mit Hilfe dieser Modelle werden unter Nutzung der Methode der optimalen Steuerung optimale Bewegungen ermittelt, wobei auch deren Robustheit gegenüber Veränderungen der Modellparameter betrachtet wird. In einem letzten Schritt wird untersucht, wie die von der eingestellten Maschinendrehzahl abhängigen optimalen Bewegungen mittels moderner Antriebstechnik umgesetzt werden können. Hierzu wird das Konzept des Bewegungskennfeldes angewandt, das es erlaubt, unter Vorgabe einer endlichen Anzahl von Bewegungen, Vorgaben für beliebige Drehzahlen in Echtzeit bereitzustellen. Zur Bewertung der entwickelten Methoden werden die Ergebnisse aller Teilschritte mit Ergebnissen verglichen, die sich aus Methoden des Standes von Wissenschaft und Technik ergeben. Den Abschluss bildet eine Zusammenfassung der Arbeit sowie eine Einordnung der erlangten Erkenntnisse in das Wissenschaftsgebiet. Weiterhin werden die aus dieser Arbeit abgeleiteten neuen Forschungsfragen präsentiert und mögliche Lösungsansätze für deren Beantwortung gegeben. / Subject of this thesis is the development of methods for the synthesis and implementation of optimal motions in processing machines. Motions are used to control working tools and have to be synthesized during a machine development. The quality of the motion as well as its implementation has a significant influence on the success of the process as well as on a machines effective output range. Special attention is paid to the aspect of the adjustable operating speed of the processing machine during the development of methods. The specific requirements for motions in modern processing machines are discussed based on a description and delimitation of the scientific field. In this context the methods and procedures known in science and technology are demonstrated, their advantages and disadvantages are discussed and their application limits are determined. These limits mainly concern the so far neglected speed dependency of optimal motions, which limits the effective speed range and consequently also the machine output. This results in the technical-scientific problem definition, to whose solution this thesis shall contribute. For this purpose, examples of processing tasks are discussed, where speed-dependent behavior can be determined and which influence the output of the processing machine. This analysis results in the selection of the processing task fluid transport as a representative example, which is suitable for demonstrating all considerations and methods due to its properties. The basis for the motion optimization, which allows the solution of the motion task for different set speeds, is a valid process model that is capable of answering process-specific questions. On the basis of information obtained in experiments, process models are derived taking into account the variable speed as well as format size. The corresponding model limits are determined. With the help of these models, optimal motions are determined using the optimal control method, whereby their robustness against fluctuations of the model parameters is also considered. In a final step, it is investigated how the optimal motions, which depend on the set machine speed, can be implemented by means of modern drive technology. For this purpose, the concept of the characteristic motion map is applied, which allows to provide presets for arbitrary speeds in real time by specifying a finite number of motions. To evaluate the developed methods, the results of all sub-steps are compared with results obtained by state-of-the-art methods. The conclusion is a summary of the thesis and a classification of the knowledge gained within the scientific field. Furthermore, the new research questions derived from this thesis are presented and a outlook for their solutions is given.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erstellung eines Konzeptes für ein softwarebasiertes Assistenzsystem für die Erstellung des innermaschinellen Verfahrens produktionstechnischer Systeme. Das Konzept wird dabei in Form eines Software-Mockups für die Benutzerschnittstelle des Systems präsentiert. Nach einer Recherche zum Stand von Wissenschaft und Technik, hinsichtlich des konstruktiven Entwicklungsprozesses von Verarbeitungsmaschinen, werden besonders die Arbeitsinhalte und Methoden der zum Prozess zugehörigen Konzeptphase untersucht. Dabei wird abschließend geprüft, inwiefern konkrete Rechnerunterstützungen für die Konzeptphase des allgemeinen Maschinenbaus auf den Bereich des Verarbeitungsmaschinenbaus übertragbar sind. Es folgt die Zusammenfassung verschiedener Vorgehensmodelle für die Softwareentwicklung sowie ein Überblick zu den Grundlagen der Softwareergonomie. Bei der folgenden Konzeptentwicklung werden die Rechercheergebnisse aufgegriffen. Angelehnt an die Arbeitsschritte des klassischen Phasenmodells der Softwareentwicklung werden zunächst Anforderungen und Spezifikationen für das zu entwickelnde Assistenzsystem aufgestellt. In einer sich anschließenden Entwurfsphase wird der zukünftige Systemaufbau umrissen. Zudem werden Entwürfe, in Form von Wireframes, für die Darstellung einzelner Funktionalitäten der künftigen Benutzerschnittstelle des Assistenzsystems erstellt. Diese werden verglichen und kombiniert, sodass eine gewählte Vorzugslösung für die Mockup-Erstellung bereitsteht. Abschließend werden, nach erfolgter Umsetzung des Mockups, für die Erstellung des innermaschinellen Verfahrens anhand eines konkreten Maschinenbeispiels, Möglichkeiten zur Konzepterweiterung und -umsetzung vorgeschlagen. / The aim of the following thesis is the development of a concept for a software-based assistance system which supports the creation of the process model of processing machines. The concept is presented as a software mockup that shows the user interface of the system. After an investigation on the state of science and technology, regarding the constructive development process of processing machines, especially the contents and methods of the concept phase, which is associated with the process, are examined. Finally, it is being checked which specific computer support for the concept phase of general mechanical engineering can be transferred to the field of processing machine construction. The summary of various proceed models for general software development follows as well as an overview on the basics of software ergonomics. During the subsequent concept development, the findings from the research are used. Based on the work steps of the phase model of software development, requirements and specifications for the concept, which has been developed, are initially set up. In the following design phase, the future system structure is outlined. In addition, drafts presented as wireframes are created for the presentation of individual functionalities of the future user interface of the assistance system. In the conclusion they are compared to and combined with each other so that a chosen preferred solution is available for mockup creation. Finally, after the realization of the mockup that shows the creation of the process model based on a tangible machine example, ways to expand and to implement the concept are proposed.