The Alestle - Vol. 58 No. 22 - 11/08/2005

Vol. 58 No. 2

Prozessgebundene Berechnungsbaugruppen - Ein Ansatz zur Lösung komplexer Entscheidungs- und Berechnungsabläufe

Interdisziplinäre Produktanforderungen, eine hohe Servicequalität und ein verändertes Nutzerverhalten führen in immer mehr Unternehmen von klassischen funktionsorientierten und abteilungsgebundenen Organisationsformen zu einer Prozessorientierung, in der das Abteilungsdenken durch das Erfolgsziel des Gesamtprozesses ersetzt wird. Dies gilt insbesondere für einen der wichtigsten Teilprozesse der Produktentwicklung, die Berechnung der im Erzeugnis verbauten Maschinenelemente. Deren Auslegung, Optimierung und Nachrechnung sind einerseits Teil eines übergeordneten und arbeitsteiligen Entwicklungsprozesses, bedürfen aber zur eigenen Bestimmung ebenfalls vieler einzelner parallel ablaufender interdisziplinärer Aktivitäten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Methode zur Systematisierung und Erhöhung der Transparenz der Abläufe in der Produktentwicklung mit dem Schwerpunt der Auslegung und Berechnung von Maschinenelementen und deren Baugruppen. Es wurden die Baugruppen- und Prozessbildung, die Werkzeuge für die Modellbildung sowie eine prototypisch realisierte Baugruppenberechnung vorgestellt. Auf Basis der durchgeführten Literaturrecherche wurden die grundlegenden Vorgehensweisen und Methoden zur Organisation und Durchführung von Berechnungsprozessen identifiziert, analysiert und auf die Anwendbarkeit der Lösung, der im Rahmen dieser Arbeit gestellten Aufgaben zur Systematisierung und Erhöhung der Transparenz der Berechnungsabläufe im Bereich der Maschinenelementeberechnungen untersucht. Die Grundlage der neuen Methode bilden Ansätze, die sich bereits in der Konstruktionsmethodik und in der Informationstechnik bewährt haben. Ergänzt mit den Konzepten der Klassifikation und Prozessautomatisierung sowie den mathematisch-technischen Berechnungsalgorithmen der Ingenieurwissenschaften bilden sie die Basis dieser Methode. Die für die Automatisierung notwendige Formalisierung der Methode wurde basierend auf der Theorie der gerichteten Graphen, der SysML (Systems Modeling Language) und des Business Process Management (BPM) Ansatzes durchgeführt. Die gewonnenen theoretischen Erkenntnisse wurden in Form eines prototypisch entwickelten Design Process Management Systems realisiert, welches die Erreichung der in der Arbeit gesetzten Ziele ermöglicht und für ein nachhaltiges Wissensmanagement bei der Organisation der Berechnungsabläufe sorgt. Die Besonderheiten dieses workfloworientierten Management Systems liegen einerseits in einem Wissens-Repository, welches die modularen Bestandteile zur Definition der Berechnungsabläufe beinhaltet sowie andererseits in einem interaktiven Prozess-Designer, mit dessen Hilfe die Abläufe graphisch, schnell und intuitiv modelliert und ausgeführt werden können. In den Produktplanungsphasen vom Anforderungsmanagement bis zur Validierung nach dem Prinzip des „Systems Engineering“ kann dabei auf eine Bibliothek modularer Berechnungsobjekte in Form von Prozess-Bausteinen zugegriffen werden, deren Schnittstellen und Datenstrukturen ausnahmslos einheitlichen Definitionen entsprechen. Gemeinsam mit der nach eCl@ss - Standard entwickelten Merkmalsstruktur der Berechnungsobjekte wird so eine hohe Wiederverwendbarkeit erzielt. Die Klassifizierung der Berechnungsobjekte orientiert sich an konstruktionssystematischen Gesichtspunkten. Der eigentliche Prozess der Baugruppenbildung erfolgt mit einem Editor, der die Berechnungsobjekte miteinander verknüpft, indem er die zugehörigen Informationsobjekte, Datenbankzugriffe und Algorithmen in die Benutzeroberfläche und in den Prozess einbindet. Ebenso können externe Prozesse und Datenquellen nahtlos in die Modellierung einfließen. Schließlich wird die Vorgehensweise bei der Modellbildung einer Berechnungs-Baugruppe am Beispiel einer Getriebeauslegung dargestellt. Ausgehend von den geforderten Merkmalen der Lösungskonfiguration wird die Funktionsstruktur durch analoge Berechnungsobjekte abgebildet und anschließend über eine geeignete Logik miteinander verknüpft. Der dabei entstehende Prozess bildet die neue Berechnungs-Baugruppe der Getriebeauslegung und kann schließlich für Parameterstudien herangezogen werden. Mit den prozessgebundenen Berechnungsbaugruppen wurde eine Methode vorgestellt, die den Konstrukteuren die Möglichkeit bietet, ihre zum Teil mehrstufigen und rekursiven Berechnungen durch den Einsatz modularer Funktionsbausteine verbindlich, nachvollziehbar und vor allem zeitsparender zu gestalten. Dabei sind die Arbeitsergebnisse allen Ingenieuren und Abteilungen einer Community, vor allem auch dem Qualitätsmanagement und damit einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess zugänglich. Inwieweit die hier vorgetragenen Methoden auch den Validierungsprozess unterstützen können, bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten

Filtering Homogeneous Observer for MIMO System

Homogeneous observer for linear multi-input multi-output (MIMO) system is designed. A prefilter of the output is utilized in order to improve robustness of the observer with respect to measurement noises. The use of such a prefilter also simplifies tuning, since the observer gains in this case are parameterized by a linear matrix inequality (LMI) being always feasible for observable system. In particular case, the observer is shown to be applicable in the presence of the state and the output bounded perturbations. Theoretical results are supported by numerical simulations

On The Random Vector Potential Model In Two Dimensions

The random vector potential model describes massless fermions coupled to a quenched random gauge field. We study its abelian and non-abelian versions. The abelian version can be completely solved using bosonization. We analyse the non-abelian model using its supersymmetric formulation and show, by a perturbative renormalisation group computation, that it is asymptotically free at large distances. We also show that all the quenched chiral current correlation functions can be computed exactly, without using the replica trick or the supersymmetric formulation, but using an exact expression for the effective action for any sample of the random gauge field. These chiral correlation functions are purely algebraic.Comment: 11 pages, latex, no figures. Few equations and remarks adde

The approach to building the algorithm for controlling rotor motion in a hybrid mechatronic bearing

The paper describes the approach to building the algorithm for controlling the rotor motion in a hybrid mechatronic bearing. Such bearings include a rolling bearing, a gas foil bearing, an electromagnetic and a piezo actuator. Fuzzy logic techniques are used in the proposed algorithm. Its main aim is to minimize the deviation of the rotor position in the bearing from the equilibrium position. It results in reducing the vibrational activity of the rotor-bearing system and reducing the friction losses

Konstruktionslösungen mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz

Im Rahmen des Artikels wird ein Ansatz für einen 'intellektuellen Konstruktionsassistenten' auf der Basis digitalisierter Erfahrung vorgeschlagen. Diese an die analytischen und numerischen Verfahren anknüpfenden Assistenten werden unter Verwendung von Methoden der Künstlichen Intelligenz erzeugt. Sie sollen bereits bekannte Wissenselemente und Erfahrungen aufnehmen und durch eine fortgesetzte Spiegelung an der Realität fortschreiben, ohne dass eine aufwendige Algorithmenbildung und zeitraubende Numerik den Transfer neuer, oftmals inhärenter Erkenntnisse in die tägliche Praxis und damit das Qualitätsmanagement behindert. Wissensunterschiede zwischen Abteilungen können auf diese Weise schnell beseitigt und Bildungsunterschiede zwischen Mitarbeitern ausgeglichen werden. Andererseits kann hiermit in den Unternehmen aber auch die Abbildung besonderer Stärken durch einen automatischen Abgleich gleichgelagerter Konstruktionen vorangetrieben werden. [... aus der Einleitung

Prozessgebundene Berechnungs-Baugruppen: Ein Ansatz zur Lösung komplexer Entscheidungs- und Berechnungsabläufe

Zusammenfassung "Prozessgebundene Berechnungs-Baugruppen bieten Konstrukteuren die Möglichkeit, ihre zum Teil mehrstufigen Berechnungen durch den Einsatz modularer Funktionsbausteine ablauforientiert, verbindlich, nachvollziehbar und vor allem zeitsparender zu gestalten. Die Grundlage dieser neuen Methode bilden Ansätze, die sich bereits in der Informationstechnik und in der Konstruktionsmethodik bewährt haben. Vom Anforderungsmanagement bis zur Validierung kann dabei auf eine Bibliothek modularer Berechnungsobjekte in Form von Prozess-Bausteinen zugegriffen werden, deren Schnittstellen und Datenstrukturen ausnahmslos einheitlichen Definitionen entsprechen. Gemeinsam mit der in Anlehnung an den eCl@ss - Standard entwickelten Merkmalsstruktur der Prozess-Bausteine wird so eine hohe Wiederverwendbarkeit in unterschiedlichen Berechnungskonfigurationen erzielt. Ihre Klassifizierung orientiert sich an konstruktionssystematischen Gesichtspunkten. Die Methode wird beispielhaft an Berechnungen für Getriebekomponenten erläutert.

Consistent Discretization of Finite-time and Fixed-time Stable Systems

International audienceAlgorithms of implicit discretization for generalized homogeneous systems having discontinuity only at the origin are developed. They are based on the transformation of the original system to an equivalent one which admits an implicit or a semi-implicit discretization schemes preserving the stability properties of the continuous-time system. Namely, the discretized model remains finite-time stable (in the case of negative homogeneity degree), and practically fixed-time stable (in the case of positive homogeneity degree). The theoretical results are supported with numerical examples

On Finite-Time Robust Stabilization via Nonlinear State Feedback

International audienceA nonlinear control law is designed for finite-time stabilization of a chain of integrators. The method is based on Implicit Lyapunov Function (ILF) technique and homogeneity properties. The scheme of control parameters selection is presented by a Linear Matrix Inequality (LMI). The method is simple in implementation and does not assume on-line procedure for computation of the ILF value at the current state that is an improvement with respect to [9], [13]. The control law is presented in an explicit form and allows to find the values of all control parameters, that make the solution one of the most constructive. The theoretical results are supported by numerical example

On energetically optimal finite-time stabilization

International audienceThe problem of finite-time stabilization of a linear plant with an optimization of both a settling time and an weighted/averaged control energy is studied using the concept of generalized homogeneity. It is shown that the optimal finite-time stabilizing control in this case can be designed solving a simple linear algebraic equation. Some issues of a practical applicability and a robustness of the obtained control law are studied