Studierenden-Projekte

Ausgangsszenario: Es ist geplant, dass Studierende des Elektrotechnik-Bachelors ab dem Wintersemester 2025 in kleinen Teams Projekte schon im zweiten Semester zusammen bearbeiten sollen. Dazu wird das Curriculum entsprechend angepasst und dabei besonderer Wert auf eine verbesserte Studierbarkeit gelegt.

Projektaufgabe: Das Projektteam "LEGO Mindstroms" hat als Aufgabe bekomen, sich ein Szenario zu überlegen, welches sie selbst gerne im Studium im zweiten Semester bearbeitet hätten. Die einzigen Vorgaben dabei waren, dass LEGO Mindstorms als hauptsächliche Hardware eingesetzt werden soll und MATLAB/Simulink als Programmiersoftware.

Daraufhin hat das Projektteam in einem Brainstorming sich für die Entwicklung einer Einkaufschip-Gravuranlage entschieden und diese vollständig selbst entwickelt, konstruiert und umgesetzt.

Die Miniaturanlage graviert mittels eines Lasers Einkaufschips automatisiert nach Kundenwunsch. Der Laser wird mithilfe eines Arduinos betrieben, während die restliche in der Anlage verbaute Sensorik und Aktorik durch LEGO Mindstorms Sensoren und Motoren und LEGO Mindstorms Bricks umgesetzt wurde. Die Programmierung erfolgte über MATLAB/Simulink.

Die Nutzung eines Lasers stellte für das Team eine sicherheitstechnische Herausforderung dar. So darf der Laser nur in einer Alu-Box mit automatisierten Toren verwendet werden, um den Schutz vor dem Laserlicht zu gewährleisten. Zudem bedarf es zusätzlicher industrieller Sicherheitseinrichtungen. So wurde aus einer zu Beginn möglicherweise etwas einfach klingenden Projektaufgabe schnell ein umfangreiches und spannendes Projekt mit zahlreichen Bezügen zu industriellen Standards in einem, durch die Umsetzung mit LEGO, sehr anschaulichen und greifbaren Rahmen.

In diesem Projekt sollte ein Team von Studierenden die im Labor für Steuerungs- und Regelungstechnik befindliche Misch- und Abfüllanlage erweitern und in Betrieb nehmen. Dazu musste die Anlage von den Studierenden zunächst eingehend kennengelernt und analysiert werden. Dabei wurde festgestellt, dass noch eine Reihe von Sensoren für einen automatisierten Ablauf der Befüllung von Glasbehältern notwendig sind, welche eigenständig auszuwählen und zu verbauen waren. Weiterhin mussten sämtliche Aktoren der Anlage (Motoren und Pumpen) in Betrieb genommen werden. Dazu war es unabdingbar, zunächst die Kommunikation zum Herz der Anlage (der speicherprogrammierbaren Steuerung, SPS) einzurichten. 

Ein weiterer großer Aspekt im Aufgabenprotfolio war die Entwicklung der Steuerungssoftware für die SPS. Auch hier galt es, dass das Projektteam sich zunächst ein Konzept erarbeitet und dieses dann umsetzt und am Ende erfolgreich testet.

Kurz ein paar Worte zur Funktionsweise der Misch- und Abfüllanlage:

Die Anlage soll vollautomatisch Behälter mit verschiedenen Flüssigkeiten befüllen und verdeckeln. Dazu werden leere Glasbehälter von einem Stäubli-Roboter auf einem Warenträger platziert und dieser Warenträger anschließend vom Roboter in die Misch- und Abfüllanlage eingebracht. Anschließend wird der Warenträger inkl. Glasbhälter über ein Transportband zur Abfüllanheit transportiert und die zuvor produzierte kundenspezifische Flüssigkeit in den Glasbehälter abgefüllt. Das gefüllte Glas wird mit dem Warenträger über einen Aufzug zur sich über der Abfülleinheit befindlichen Verdeckelung transportiert. Der Glasbehälter wird verdeckelt und über ein Transportband zur Ausschleusung aus der Anlage transportiert. 

Der Stäubli-Roboter hat die Aufgabe, diesen Warenträger zu einem Fördersystem zu transportieren und dort abzustellen. Das Fördersystem transportiert dann den Warenträger inkl. Glasbehälter zu einem Fertigproduktlager, wo der Glasbehälter entnommen und der dann leere Warenträger von einem fahrerlosen Transportsystem (Robotino) wieder zum Stäubli-Roboter transportiert wird.

Nebenstehend zunächst ein Video, welches von der Projektgruppe erstellt wurde, um die Aufgaben des Projektes zu beschreiben und zu erklären. Das darauf folgende Video zeigt die reale Anlage im Betrieb, wobei später im Video die Fahrt eines Glases durch die Anlage aus der Sicht des Glases gezeigt wird!

Aufgabe in diesem Projekt war es, das fahrerlose Transportsystem "Robotino" in das Konzept der Misch- und Abfüllanlage im Labor für Steuerungs- und Regelungstechnik zu integrieren. Dazu musste der Robotino zunächst grundlegend in Betrieb genommen werden.

Desweiteren musste ein "Robotoerarm" für den Robotino entwickelt, konstruiert und umgesetzt werden. Dieser Arm sollte den Robotino in die Lage versetzen, Warenträger vom Fördersystem am Ende der Produktionsstrecke zu greifen, autonom zum Beginn der Anlage zu transportieren und dort wieder abzusetzen. Dazu musste ein Greifer entwickelt werden, welcher den Warenträger auf verschiedenen Höhen sicher greifen kann.

Auch ein großer Anteil an Automatisierungssoftware war zu entwickeln, damit der Roboterarm den Vorgaben entsprechend die Warenträger sicher greifen und transportieren kann.

Eine zusätzliche Aufgabe bestand noch darin, einen "digitalen Zwilling" des Robotinos mit Greifersystem zu entwicklen und diesen in den digitalen Zwilling der Gesamtanlage zu integrieren.

Nebenstehend ein Video, welches die Aufgaben des Projektes nochmal super darstellt. Die Idee und das "Drehbuch" des Videos wurden wieder komplett selbstständig vom Projektteam entwickelt und umgesetzt!

Die Aufgabe des Projektteams bestand darin, die schon bestehende Misch- und Abfüllanlage in einem digitalen Zwilling abzubilden. Das Projektteam hat sich zur Bewältigung der Aufgaben in drei Arbeitsgruppen aufgeteilt, welche ständig in regem Austausch miteinander Arbeiten mussten, damit sämtliche Aufgaben am Ende nahtlos miteinander verbunden werden konnten. Die Aufgaben der drei Arbeitsgruppen in Kurzdarstellung:

1. Die erste Arbeitsgruppe befasste sich mit dem Rexroth-Transportsystem und der Ansteuerung des Roboters von Stäubli. Hierbei wurde das gesamte Transportband sowie alle zugehörigen Komponenten in Siemens NX Mechatronic Concept Designer erstellt. Den CAD und CAE-Daten wurden physikalische Eigenschaften sowie Signale zugeteilt. Im nächsten Schritt fand die Verknüpfung der Signale mit den Steuersignalen im Siemens TIA-Portal statt, um die Anlage aus der Steuerungssoftware heraus bedienen zu können. Abschließend fusionierte die Arbeitsgruppe die Produktionsanlage, das Transportsystem und den Roboter zu einer Gesamtanlage.
    
2. Die zweite Arbeitsgruppe erstellte in der Software SIMIT einen digitalen Zwilling der realen Abfüllanlage. Die Software ermöglicht es, sämtliche Füllstände sowie Flüssigkeitsbewegungen so zu modellieren, dass diese dasselbe Verhalten wie in der realen Anlage aufweisen. Die einzelnen Systemkomponenten, wie z. B. Ventile, Pumpen oder Behälter, wurden parametriert und entsprechend miteinander verbunden. Um die einzelnen Komponenten ansteuern zu können, sind diese jeweils mit den dazugehörigen Signalen verknüpft worden. Durch eine Schnittstelle ist die Möglichkeit gegeben, die Ein- und Ausgangssignale der Software, TIA Portal und SIMIT, so zu verknüpfen, dass der Abfüllprozess schlussendlich automatisiert abläuft.
    
3. Die dritte Arbeitsgruppe hat sich, wie die erste Arbeitsgruppe, mit dem Roboter beschäftigt. Allerdings sollte die Steuerung und Programmierung des Roboters mit dem hauseigenen Programm des Herstellers „Stäubli Robotics Suite 2019“ erfolgen. Der Roboter wurde im Programm als digitaler Zwilling aufgebaut und programmiert. Nach der virtuellen Inbetriebnahme wurde die Ablaufsteuerung auf das reale Umfeld angewendet. Vordergründige Aufgabe war hierbei die Ergründung der Software von Stäubli sowie die Anfertigung einer Anleitung zur Einarbeitung in dieses Softwarepaket.

Nebenstehend das Video, welches vom Projektteam angefertigt wurde, um das Projekt vorzustellen: