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

Montavon, Benjamin Leendert; Schmitt, Robert H.; Heizmann, Michael

doi:10.18154/RWTH-2021-10238

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^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeBenjamin Montavon

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-010-4

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 27/2021

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021 - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)^RWTH* ; Heizmann, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-09-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-10238
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/835033/files/835033.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Internet of Things (frei) ; cyber-physical production dervices (frei) ; industry 4.0 (frei) ; large-scale metrology (frei) ; linle-less mobile assembly systems (frei) ; metrology (frei) ; micorservices (frei) ; sensor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Globalization, technological advances and societal trends are reflected in manufacturing by larger and more complex products, individualization and smaller lot sizes, tighter tolerances as well as the pursuit of shorter cycle times, higher degree of automation and resilience, improved cost-efficiency and sustainability. Cyber-Physical Production Systems (CPPS) reacting to these requirements lead to metrology becoming a indispensable enabler to provide synchronization between real world systems and virtual models required to implement adaptive automation and subsequent control loops. Novel paradigms, especially in assembly, imply a mobilization of resources such as robots and subsequently require an ubiquitous reference coordinate frame taking over the role of fixed monuments to maintain stable processes and account for kinematic inaccuracies. This thesis introduces and investigates the Coordinates as a Service (CaaS) paradigm adopting the methodology of Design Science Research. It aims at making available the benefits of a servitized, virtual reference coordinate frame based on multiple, heterogeneous Large-Scale Metrology (LSM) instruments to applications constituting CPPS and relying on ubiquitous spatial synchronization. The course of research commences with the introduction of a novel, artifact-free method to register the local coordinate systems of heterogeneous LSM instruments to provide a common, global coordinate system. Following the unification on physical level, an abstraction on interface level using a functional, technology-independent model for the individual LSM instruments and standardized Internet of Things (IoT) protocols is developed. To further achieve the amalgation of necessary information and data flows and their integration into the shop floor’s infrastructure, a reference architecture for CaaS is elaborated using a decomposition into individual microservices as approach to satisfy the requirements of modern manufacturing IT. Adhering to the service-oriented design, the individual instruments are considered as resources of CaaS, such that an approach to resource management based on descriptive models and a novel metric is investigated. The approach deliberately allows to defer this task to a superordinate planning system if necessary. To validate the outcome of the individual design cycles, a CaaS reference system using laser trackers, indoor GPS and ultrawideband systems as well as a machine tool is implemented at WZL’s laboratory for Metrology, Assembly and Robotic Systems. The implementation is accompanied by the elaboration of a reusable multi-layer IT architecture. Both the CaaS reference system and IT architecture are used in reference applications, concluding a successful validation.

OpenAccess:
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