In diesem Beitrag wird die IDEA-Box MC (Industrial Digitalization in Education of Automation – Motion Control) und die damit realisierbaren Anwendungsmöglichkeiten und vermittelbaren Lerninhalte vorgestellt. Neben dem mechanischen Aufbau werden die unterschiedlichen Möglichkeiten und Methoden im Bereich der Positioniertechnik von mechatronischen Systemen, die sich heutzutage mit speicherprogrammierbaren Steuerungen realisieren lassen, vorgestellt. Dabei werden neben einfachen Rast-in-Rast Bewegungen von Einzelachsen, vor allem das resonanzfreie Positionieren von schwingungsfähigen Systemen und synchronisierten Mehrachssystemen im Kurvenscheibenverbund (integrierte und synchronisierte Robotik) aufgezeigt und beschrieben. Außerdem wird aufgeführt, dass mithilfe eines digitalen Zwillings kollisionsfreie Telemanipulation realisiert werden kann.

Diese Dissertation führt einen umfassend modular aufgebauten digitalen Zwilling der Positronen-Annihilation-Lebensdauerspektroskopie (PALS) ein, der das Ziel verfolgt, ein tiefergehendes Verständnis der Messmethode zu ermöglichen und aufzuzeigen, wie die Konfiguration des experimentellen Setups sowie die Eigenschaften der verwendeten radioaktiven Positronenquelle zu Verzerrungen im Lebensdauerspektrum führen können. Aufgrund der mathematischen Komplexität realer Lebensdauerspektren, die eine Zerlegung in ihre Komponenten erschwert, und der Herausforderung, die Instrumentauflösungsfunktion / engl.: Instrument Response Function (IRF) genau zu bestimmen, bietet der digitale Zwilling eine innovative Lösung, um jegliche Fragen zur Hardware der PALS mittels einer realitätsgetreuen digitalen Nachbildung des gewünschten Setups zu beantworten. Der entwickelte digitale Zwilling setzt sich aus drei Kernmodulen zusammen, die schrittweise tiefergehende Einblicke in das simulierte Setup und schließlich in das resultierende Lebensdauerspektrum bieten. Im ersten Modul wird die Open-Source-Softwareplattform Geant4 genutzt, um die physische Welt in eine digitale Umgebung zu überführen. Hierbei steht die Modellierung von Teilcheninteraktionen mit Materie im Fokus, die durch die flexible Architektur von Geant4 ermöglicht wird. In diesem Kontext wurde eine spezifische Simulation implementiert, die eine differenzierte Betrachtung der Gamma-Quanten-Energien erlaubt und somit ein präziseres Verständnis der PALS-Methodik ermöglicht. Im zweiten Modul erfolgt die Kopplung der aus Geant4 gewonnenen Daten-Streams mit dem DLTPulseGenerator über eine speziell entwickelte Schnittstelle. Diese Schnittstelle bietet neben der sequenziellen Verarbeitung der Daten-Streams die Einbindung physikalischer Prozesse wie der Positronen-Lebensdauer, sowie die Quellstärke des als Positronenstrahler verwendeten radioaktiven Isotops und der zeitlichen Unschärfe des Photo-Multipliers / engl.: Photo-Multiplier-Tube (PMT), wodurch eine umfassende Untersuchung verschiedener Effekte mit einem einzigen Datensatz möglich wird. Dies führt zu einer hohen Vergleichbarkeit der Ergebnisse. Darüber hinaus ermöglicht die Schnittstelle eine detaillierte Klassifizierung möglicher Ereignisse innerhalb der PALS-Methode, was es ermöglicht, quantitative Effekte spezifischer Ereignisse zu untersuchen. Dabei gibt die Schnittstelle sowohl wichtige Informationen aus der Geant4-Simulation als auch Informationen aus ihren eigenen Funktionen an den DLTPulseGenerator weiter, welcher digitalisierte PMT Output-Pulse je nach gewählter Konfiguration des gewählten Digitizers erzeugt. Das dritte Modul nutzt die DDRS4PALS Software zur Analyse des aus dem zweiten Modul stammenden Daten-Streams, um Informationen über das Lebensdauerspektrum zu extrahieren. Hierbei wird erstmals die Validierung physikalischer Filter am Gesamtspektrum und seiner Anteile gewährt, da durch die Klassifizierung im zweiten Modul des digitalen Zwillings ermöglicht wird, lediglich die unerwünschten Anteile im Lebensdauerspektrum zu betrachten und somit die tatsächliche Wirkung der physikalischen Filter auf diese zu untersuchen. Der modular und flexibel gestaltete digitale Zwilling der PALS ermöglicht eine einfache Anpassung an veränderte experimentelle Setups und kann auch für ähnliche Messmethoden (z.B. Fluoreszenz-Lebensdauer-Spektroskopie) adaptiert werden. Dadurch markiert der digitale Zwilling einen signifikanten Fortschritt in Richtung einer digitalen Ära der Forschung und trägt zu einem verbesserten Verständnis der Messmethode sowie zu effizienteren und kostengünstigeren Optimierungsprozessen bei. / This dissertation introduces a comprehensively modular digital twin of Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS), aimed at enabling a deeper understanding of the measurement method and demonstrating how the configuration of the experimental setup and the properties of the used radioactive positron source can lead to distortions in the lifetime spectrum. Due to the mathematical complexity of real lifetime spectra, which complicates their decomposition into components, and the challenge of accurately determining the Instrument Response Function (IRF), the digital twin offers an innovative solution to address any hardware-related questions of PALS by using a realistic digital replication of the desired setup. The developed digital twin comprises three core modules that provide progressively deeper insights into the simulated setup and ultimately the resulting lifetime spectrum. The first module utilizes the open-source software platform Geant4 to transform the physical world into a digital environment. Here, the focus is on modelling particle interactions with matter across a broad energy spectrum, including electromagnetic processes, facilitated by Geant4's flexible architecture. Within this context, a specific simulation was implemented, allowing a detailed examination of gamma quantum energies, thus enabling a more precise understanding of the PALS methodology. The second module involves coupling the data streams generated by the Geant4-Simulation with the DLTPulseGenerator via a specially developed interface. This interface, in addition to sequential processing of data streams, incorporates physical processes such as the positron lifetime, the source strength of the radioactive isotope used as a positron emitter, and the temporal uncertainty of Photo-Multiplier-Tubes (PMTs), thereby enabling a comprehensive examination of various effects with a single dataset. This leads to high comparability of results. Moreover, the interface facilitates a detailed classification of potential events within the PALS method, allowing for quantitative investigations of specific event effects. The interface conveys both critical information from the Geant4-Simulation and its functions to the DLTPulseGenerator, which generates digitized PMT output pulses based on the chosen configuration of the digitizer. The third module utilizes the DDRS4PALS software to analyse the data stream generated by the second module, extracting information about the lifetime spectrum. This approach allows for the first-time validation of physical filters on the overall spectrum and its components. By classifying data in the second module of the digital twin, it becomes possible to focus solely on the undesired components within the lifetime spectrum. This enables a precise investigation of the actual impact of physical filters on these components. The modular and flexible design of the digital twin allows for easy adaptation to altered experimental setups and can also be adjusted for similar measurement methods (e.g. Fluorescence Lifetime Spectroscopy). Thus, the digital twin signifies a significant step towards a digital era of research, contributing to an enhanced understanding of the measurement method and more efficient and cost-effective optimization processes.

Die Verbindung von Robotern mit Virtual Reality (VR) zur Echtzeitvisualisierung stellt eine erhebliche Programmierherausforderung dar. Dieser Vortrag zeigt einen vereinfachten Ansatz unter Verwendung des Robot Operating System (ROS), einer Open-Source-Plattform, die diese Aufgabe erleichtert. Durch den Einsatz von ROS kann der Programmieraufwand deutlich reduzieren werden, indem vorhandene Pakete für eine nahtlose Integration von Robotern und VR genutzt werden. In dieser Präsentation wird schrittweise erläutert, wie diese Verbindung realisiert wird, was neue Möglichkeiten in der Visualisierung und Steuerung von Robotern mit minimalem Programmieraufwand erschließt. Diese Methode ebnet den Weg für innovative Anwendungen in Robotik und VR und bietet praktische Einblicke für Entwickler und Forscher. / Connecting robots with Virtual Reality (VR) for real-time visualization poses a significant programming challenge. This presentation demonstrates a simplified approach using the Robot Operating System (ROS), an open-source platform that facilitates this task. By utilizing ROS, the programming effoit can be significantly reduced by leveraging existing packages for seamless robot-VR integration. This presentation will explain step-by-step how this connection can be realized, opening new possibilities in visualization and control of robots with minimal programming effort. This method paves the way for innovative applications in robotics and VR, providing practical insights for developers and researchers.

Universiẗat, Diss., 2005--Frankfurt (Main).

Modellierung des digitalen Zwillings für das dynamische Verhalten eines Industrieroboters unter Verwendung der Tools Siemens NX Simcenter 3D (FEM) und Matlab Simulink (Systemsimulation). Die Modellierung der mechanischen Regelstrecke erfolgt unter Verwendung der finiten Elemente Methode mit Simcenter 3D. Das Gesamtsystem zur Ermittlung von Frequenzgängen und Übertragungsfunktionen wird mit Matlab Simulink modelliert. Mit Hilfe der Frequenzgänge und Übertragungsfunktionen kann der Industrieroboter identifiziert werden.

Der Wandel des Erhaltungsmanagements von Ingenieurbauwerken von einem reaktiven Vorgehen zu einem prädiktiven Lebenszyklusmanagement kann zur Erreichung einer zuverlässigen und verfügbaren Infrastruktur beitragen. Mit dem Einsatz von Monitoring besteht die Möglichkeit, zusätzliche Informationen zum Bauwerk und dessen zukünftiger Entwicklung abzuleiten. Der Einsatz von Monitoring ist komplex und kann daher über die Realisierung von Anwendungsfällen gestärkt werden. In Deutschland weit verbreitete Anwendungsfälle werden mit konkreten Beispielen dargestellt. Zusätzlich werden Anwendungsfälle mit ersten Umsetzungsbeispielen und mögliche zukünftige Anwendungen mit ihren Potenzialen skizziert. Die Möglichkeit der Zusammenführung der Anwendungsfälle in digitalen Zwillingen ist ein Zukunftsbild, welches im Rahmen des Artikels beschrieben wird.

Digitale Zwillinge können in verschiedenen Einsatzgebieten genutzt werden, insbesondere innerhalb einer digitalen Fabrik. Im Zuge verschiedener studentischer Projekte an der Smart Factory AutFab der Hochschule Darmstadt wurden state-of-the-art Software-Tools zur Implementierung verschiedener digitaler Zwillinge verwendet. Bei einer Linienplanung wurde das Potential für Brownfield-Anlagen deutlich. Verschiedenste Projekte haben mithilfe von digitalen Zwillingen virtuelle Inbetriebnahmen erfolgreich durchgeführt und inzwischen den größten Teil der Smart Factory abgedeckt. Über Materialfluss- und Energieverbrauchs-Simulationen konnten Engpässe in der Fertigung identifiziert werden, welche in einem Unternehmen zu großen Einsparungen führen können. Schließlich wurde ein neuer Weg von kollaborativer Entwicklungsarbeit gezeigt, welcher den Aufwand beim Aufbau von Systemen mit hoher Ähnlichkeit erheblich reduzieren kann.

The intention to reduce greenhouse gas emissions in the aviation industry is generating high pressure to innovate, which is also leading to an increasing need for improvements in the development process, especially as this is already subject to major changes due to changing products and value creation systems. In the future, the development process should be more digitalized and information better integrated in order to optimize the supply of information to developers. To this end, the following article presents a digital twin for product development, which is being developed as part of a research project on cross-lifecycle integration through digital twins in collaboration with Rolls-Royce Electrical and other research partners. The focus is on describing the conception of the digital twin, which produces a concept that is as user centric as possible based on user stories in order to specifically serve existing needs. The concept of the digital twin will be developed based on the current as-is process and the existing system landscape as well as the use cases derived from the user stories and presented here.

Dieser Beitrag stellt die Mixed-Reality-in-the-Loop Simulation (MRiLS) zur Schulung technischer Fachkräfte im Maschinen- und Anlagenbau vor. Die MRiLS koppelt die aus dem Engineering bereits vorhandenen Modelle der Hardware-in-the-Loop Simulation (HiLS) mit Visualisierungs- und Interaktionsmethoden der Mixed Reality (MR) und integriert dadurch den Nutzenden und dessen Verhalten sowie die reale Umgebung vollständig in den Simulationskreislauf. Der Beitrag thematisiert neben der notwendigen Middleware zur Kopplung der HiLS mit der MR-Umgebung auch die Steuerungsbelastung durch Multiuser-Zugriffe. Die Funktionsfähigkeit des vorgestellten Konzepts wird anhand eines ausgewählten beispielhaften Automatisierungssystems belegt. Für das Automatisierungssystem wird der Aufbau der MRiLS sowie das Konzept für den Ablauf einer Schulung mittels MRiLS vorgestellt.

Die kollaborative Teilebearbeitung mit Robotern und Werkzeugmaschinen wird in der Fertigung immer wichtiger. Durch die gleichzeitige Arbeit von Robotern und Werkzeugmaschinen kann eine noch effizientere Produktion erreicht werden. Mit der Entwicklung fortschrittlicher simulationsbasierter Lösungen können Hersteller jetzt die Zusammenarbeit von Robotern und Werkzeugmaschinen besser simulieren und überprüfen, um potenzielle Probleme zu erkennen und zu lösen, bevor sie in der realen Fertigung auftreten. Eine solche Lösung ist die NX-Offline-Simulation in Verbindung mit digitalen Zwillingen, mit der Hersteller ihre Teilebearbeitungsprogramme testen und optimieren können. Der Vortrag erläutert kurz das laufende Projekt 'RokoPro' und die Notwendigkeit des Einsatzes von Robotern in der Fertigung und der Simulation zur Überprüfung dieser Lösungen. / Collaborative part processing with robots and machine tools is becoming increasingly important in manufacturing. Even more efficient production can be achieved by having robots and machine tools work simultaneously. With the development of advanced Simulation-based solutions manufacturers can now better simulate and verify the collaboration of robots and machine tools to identify and solve potential problems before they occur in real manufacturing. One such solution is NX offline simulation along with digital twins, which allows manufacturers to test and optimize their part processing programs. The presentation briefly explains the ongoing project “RokoPro” and the need for use of robots in manufacturing and simulation to check those solutions.