Virtual reference frame based on distributed large-scale metrology providing coordinates as a service

• Virtuelles Referenzkoordinatensystem auf Basis verteilter großvolumiger Messsysteme als Dienst

Montavon, Benjamin Leendert; Schmitt, Robert H. (Thesis advisor); Heizmann, Michael (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 27/2021
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Globalisierung, technologischer Fortschritt und gesellschaftliche Trends spiegeln sich in der Produktionstechnik durch größere und komplexere Produkte, Individualisierung und kleinere Losgrößen sowie steigende Toleranzanforderungen wider. Zusätzlich werden kürzere Zykluszeiten, ein höherer Automatisierungsgrad, höhere Kosteneffizienz sowie stärkere Resilienz und Nachhaltigkeit gefordert. Cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) als Antwort auf diese Anforderungen weisen der Messtechnik einen neuen Stellenwert als unverzichtbarer Enabler zur Synchronisation virtueller Modelle und realer Systeme zu. Dies wird insbesondere in der Realisierung von Regelungssystemen für adaptive Automatisierungsanwendungen deutlich. Neue Paradigmen, insbesondere in der Montage, implizieren die Mobilisierung von Ressourcen wie Robotern und setzen dementsprechend den Rückbezug auf ein ubiquitäres, globales Referenzkoordinatensystem voraus. Dieses übernimmt die Rolle von Fixpunkten und dessen Implementierung ist entscheidend zur Erreichung stabiler Prozesse und Kompensation kinematischer Abweichungen. Die vorliegende Arbeit definiert und untersucht Coordinates as a Service (CaaS) als neues Paradigma. Das Ziel von CaaS ist es, ein verdienstliches, virtuelles Referenzkoordinatensystem auf Basis mehrerer, heterogener, großvolumiger Koordinatenmesssysteme für die ubiquitäre, räumliche Synchronisation in CPPS bereitzustellen. Die Forschungsarbeit folgt dabei der Methode des Design Science Research. Die Untersuchungen setzen bei einer neuartigen Methode zur Registrierung der lokalen Koordinatensysteme der individuellen Messsysteme an, welche ohne kalibrierte Referenzkörper auskommt. Der physikalischen Zusammenfassung zu einem globalen System folgt die Abstraktion der Interaktion durch die Entwicklung eines technologieunabhängigen, funktionsorientierten Modells und dessen Verknüpfung mit standardisierten IoT-Protokollen. Zur Aggregation der Informationen und Datenflüsse sowie zur Bereitstellung von CaaS als infrastrukturelle Komponente des Shopfloors wird daraufhin eine Referenzarchitektur für CaaS entwickelt. Hierzu wird eine Dekomposition des Gesamtsystems in sogenannte Microservices vorgenommen, um die Systemanforderungen zu berücksichtigen und die Nutzung moderner, mehrschichtiger IT-Strukturen zu ermöglichen. Dem Ansatz der Verdienstlichung folgend werden die Messsysteme als Ressourcen aufgefasst, weswegen im nächsten Schritt ein Ansatz zur Ressourcenverwaltung erforscht wird. Dieser basiert auf deskriptiven Modellen und wendet eine in dieser Arbeit neu entwickelte Metrik an, während er explizit die Möglichkeit zur Delegation an ein übergeordnetes Planungssystem beibehält. Zur Validierung der Forschungsergebnisse zu den einzelnen Teilfragen im Gesamten wird ein Referenzsystem implementiert, welches mehrere Laser Tracker, ein indoor GPS, ein Ultrabreitand-Lokalisierungssystem sowie eine Werkzeugmaschineeinbindet. Im diesem Zuge wird auch eine wiederverwendbare, mehrschichtige IT Infrastruktur entwickelt. Sowohl das CaaS Referenzsystem als auch letztgenannte Infrastruktur werden in mehrere Anwendungen eingebunden und schließen somit die Validierung erfolgreich ab.