INSTITUT FÜR ENTWICKLUNG MECHATRONISCHER SYSTEME

Transkript

1 NTB Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs FHO Fachhochschule Ostschweiz INSTITUT FÜR ENTWICKLUNG MECHATRONISCHER SYSTEME

2 Von der Idee zum Produkt Im Institut für die Entwicklung Mechatronischer Systeme EMS leben wir die Vernetzung im mechatronischen Systemgedanken. Wir entwickeln für unsere Kunden mechatronische Systeme: von der Idee über die Konstruktion bis hin zur Validierung. Unsere Kompetenzen liegen in den Schwerpunkten Mechanik, Konstruktion, Automation und Robotik sowie in der Elektromobilität und Batterietechnologie. Unsere besonderen Stärken sind Messtechnik, Dynamik und Festigkeit, Steuer- und Antriebstechnik, Roboter, Batterien für die Elektromobilität sowie die allgemeine Produktentwicklung. Jürgen Prenzler Prof. Dr. Jürgen Prenzler Leiter Institut für Entwicklung Mechatronischer Systeme EMS

3 INSTITUT FÜR ENTWICKLUNG MECHATRONISCHER SYSTEME EMS WAS WIR FÜR SIE TUN KÖNNEN Prof. Dr. Jürgen Prenzler Institutsleiter Konstruktion Prof. Roland Egli Konstruktion Prof. Einar Nielsen Automation, Robotik und Systemtechnik Prof. Dr. Jürgen Kirchhof elektrische Antriebssysteme Prof. Günter Nagel Automation und Mechatronik Prof. Vincenzo Parisi Systemtechnik Prof. Dr. Rainer Pickhardt Regelungstechnik und Elektrotechnik Prof. Dr. Josef Althaus Technische Mechanik Prof. Dr. Maximilian Stöck Technische Mechanik und Produktentwicklung Das Institut für Entwicklung Mechatronischer Systeme EMS positioniert sich als interdisziplinäre Lehr- und Forschungseinrichtung mit Engineering-Kompetenzen im Bereich der Mechatronik. Wir realisieren den Transfer von der Forschung in die praktische Anwendung. Wir erarbeiten neben der Hochschullehre vom kleinen Auftrag bis zum grossen Forschungsprojekt einen jährlichen Umsatz von etwa 1.6 Mio. Schweizer Franken. Zu unseren Kunden zählen neben den vielen lokalen KMUs auch Globalplayer aus der Maschinenindustrie. Diese schätzen unsere Industrieerfahrung wie auch unseren wissenschaftsbasierten Background. Wir verfügen über ein hervorragendes überregionales Netzwerk und arbeiten intensiv mit den andern NTB-Instituten, den ETHs und anderen Hochschulen zusammen. Mitarbeitende 9 Dozierende 19 wissenschaftlich Mitarbeitende NTB Institut für Entwicklung Mechatronischer Systeme EMS Werdenbergstrasse Buchs ems@ntb.ch

4 CHIRURGIEROBOTER NTB-Robotik entwickelte mit der Universität Bern und den ARTORG Center for Biomedical Engineering Research einen fünfachsigen Roboter für Bohrarbeiten an den lateralen Schädelbasis. Er zeichnet sich nicht nur durch sein geringes Gewicht und dadurch einfache Handhabung im Operationssaal aus. Bei den Fräsarbeiten, welche bisher vom Chirurgen manuell ausgeführt wurden, kann die Genauigkeit um das zehnfache gesteigert werden.

5 INSTITUT FÜR ENTWICKLUNG MECHATRONISCHER SYSTEME EMS TÄTIGKEITEN KUNDEN ERFOLGE PRODUKTENTWICKLUNG UND INNOVATION Wir identifizieren neue Innovationspotentiale oder Produktideen, betreiben mechanische und mechatronische Produktentwicklung und entwickeln vernetzte Systeme. Durch konstruktionsbegleitende Berechnungen und Simulationen oder die Darstellung des virtuellen Prototyps in einer VR-Umgebung können Funktionen, Montage- und Wartungssituationen in einer frühen Entwicklungsphase absichert werden. Funktionsmodelle können mit 3D Druck und Lasercutter schnell erzeugt werden und leisten einen wichtigen Beitrag für ein ausgereiftes Endprodukt. AUTOMATION Automation ist ein Kernelement für Industrie 4.0 und Basis für die Produktion in der Schweiz und Erhaltung von Arbeitsplätzen. Wir erbringen Leistungen im Aufgabengebiet der industriellen Automation. Ob bei der Beratung zum Thema Industrie 4.0 oder bei Umsetzungen von prozessnahen Automationslösungen wie der Steuer- und Regeltechnik, Vernetzung, Aktor- oder Sensorintegrationen sowie bei Steuerungsprogrammierungen. ROBOTIK Wir entwickeln anwendungsspezifische Roboter für die Chirurgie, Rehabilitation und für die Industrie im Bereich der kollaborativen Robotik und für hoch flexible Produktionssysteme. Die Entwicklung der Mechanik, Elektronik, Regelung und Software erfolgt von Grund auf, basierend auf den Anforderungen der Anwendung. Dank dem interdisziplinären systemtechnischen Entwicklungsprozess und dem Einsatz interaktiver Regelungs konzepte können wir auch sehr schwierige, innovative und komplexe Roboterkonzepte effizient und kostengünstig realisieren.

6 ANTRIEBS- UND REGELUNGSTECHNIK Nach Analyse Ihrer konkreten Bewegungsaufgabe, wird eine Steuerungs-/Regelungsstruktur entwickelt und diese parametriert. Neben klassischen Verfahren, z. B. PID-Kaskadenregelungen mit Vorsteuerung der Führungsgrössen, werden gegebenenfalls moderne Methoden eingesetzt, z. B. Zustandsregelungen mit Beobachtern sowie modellbasierte prädiktive Regelungen. Anwendungsbeispiele sind: Laser-Vermessungsgeräte, Pipettier-Roboter in der biotechnischen Analytik, elektrische Werkzeuge für die Medizintechnik, Operationsroboter in der Gehirnchirurgie sowie der hier abgebildete Balancier- Roboter. 06

7 INSTITUT FÜR ENTWICKLUNG MECHATRONISCHER SYSTEME EMS KOMPETENZEN UND INFRASTRUKTUR AUTONOMES FAHREN benötigt nicht nur eine komplexe Sensorik, sondern auch Antriebe für das selbständige Lenken und zugehörige digitale Regelalgorithmen. Grundlage dazu ist ein Steer-by-Wire Lenksystem, das mit Unterstützung von Torque-Vectoring auf unterschiedlichste Strassensituationen wie z. B. Schneeglätte oder unvorhergesehene Hindernisse flexibel reagieren kann und damit maximale Fahrsicherheit bietet. BATTERIETECHNOLOGIE FÜR DIE E-MOBILITY Wir gestalten einen Schlüssel zur Energiewende in der Mobilität: robuste Batterien mit einem optimalen Thermomanagement für die Schnelladefähigkeit und zur Erhöhung der Lebensdauer. Eine webbasierte Vernetzung des Fahrzeuges erlaubt es Erfahrungen aus dem Betriebsverhalten für die nächsten Projekte zu gewinnen. Beim abgebildeten 110 t E-Dumper werden mit der 600 kwh Batterie und rein elektrischem Antrieb 130 t CO2 bzw Liter Diesel pro Jahr eingespart. DYNAMIK UND FESTIGKEIT Ein Team von Ingenieuren hat sich darauf spezialisiert, Festigkeits- und Dynamikuntersuchungen an Einzelkörpern oder Mehrkörpersystemen durchzuführen und dadurch Strukturen und Prozesse zu analysieren. Dabei kommen neueste Software, aktuelle Methoden und Richtlinien zum Einsatz. Komplexe Systeme werden als Modelle in einer Simulationssoftware implementiert, wo sie unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen getestet werden. Dabei werden Erkenntnisse über das reale System gewonnen und es entsteht Wissen, wie Massnahmen für Optimierungen aussehen sollen. RAPID PROTOTYPING UND HARDWARE-IN-THE-LOOP ENTWICKLUNG HIL In der Entwicklungsphase von Produkten gibt es oft viele Unbekannte. Viele Faktoren beeinflussen die Auswahl der Steuerung und der Software Architektur. Mit dspace können wir komplexe Steuergeräte-Software-Architekturen sowie neue Regelstrategien in einer realen Umgebung schnell entwickeln, optimieren und testen. Mit MATLAB /Simulink entworfene Modelle können automatisch auf der dspace Hardware implementiert werden. Zusätzlich ist es möglich, Variablen zur Laufzeit zu überwachen und einzustellen. Die hohe Rechenleistung und Speicherkapazität erlauben, Applikationen ohne Hardware-Einschränkungen zu implementieren und evaluieren.

8 VIRTUELLE PRODUKTENTWICKLUNG Time to Market ist heute das Kriterium für Erfolg. Aus diesem Grund werden am EMS neben Simulationen und CAD Tools virtuelle System eingesetzt um bereits in der frühen Phase der Produktentwicklung Konzepte realitätsnah zu betrachten. In einem skalierbarem 5m x 6m freien Raum ist eine Bewegung des Betrachters möglich, über Handcontroller können Bauteile realistisch ausgewählt und frei im Raum bewegt oder positioniert werden. Kinematische Abhängigkeiten werden dabei voll berücksichtigt

9 INSTITUT FÜR ENTWICKLUNG MECHATRONISCHER SYSTEME EMS KOMPETENZEN UND INFRASTRUKTUR 3D DRUCK Von der Idee schnell zum Modell? Funktionsmuster und Anschauungsmodelle können am EMS mittels 3D-Drucker oder Laser-Cutter realisiert werden. Für detailgetreue und formstabile Modelle aus thermoplastischem Kunststoff wird ein FDM- Drucker eingesetzt. Um die die Vorteile der additiven Fertigung optimal zu nutzen, können Bauteile durch Simulation, z.b. bezüglich Topologie, optimiert werden. RAPID TESTING Simulationen helfen, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und zu verbessern. Am Ende müssen aber reale Produkte unter realen Bedingungen bestehen. Diese können wir in unserem Betriebsfestigkeitslabor realisieren und die Lebensdauer des gefertigten Produkts überprüfen. Zusätzlich können wir durch webbasierte Vernetzung der entwickelten Prototypen wertvolle Daten und Erfahrungen für weitere Projekte generieren. MESS- UND PRÜFTECHNIK Mit einer umfangreichen Test-Infrastruktur sind wir in der Lage Simulationsergebnisse experimentell zu validieren. Dazu besitzt das Institut Labors mit modernsten Messgeräten und verfügt über verschiedene Prüfstände für F&E Projekte und Dienstleistungsaufträge. Mit Hydraulikzylindern, elektromagnetischen Shakern oder Piezoaktoren können gezielte dynamische Anregungen oder Belastungen aufgebracht werden. Modalanalysen können an komplexen, schwer zugänglichen oder kleinen Bauteilen mit Hilfe des Laserscanning-Vibrometers durchgeführt werden. Die Robustheit von Produkten kann mit einem Fallprüfstand und einer High Speed Kamera optimiert werden. Die Dauer- bzw. Zeitfestigkeit von Werkstoffen werden mit einem Biegeumlaufprüfstand bestimmt. Kraft-, Weg-, Beschleunigungs-, Dehnungssensoren oder Rissdetektoren dienen der Analyse spezifischer Problemstellungen.

10 NTB SYSTEMTECHNIK ANWENDUNGSFELDER KOMPETENZEN Automation/ Robotik Elektronik Energie Digitalisierung Material Mess- und Prüftechnik Mikro-/ Nanotechnik Numerische Simulation Precision Engineering Photonik Produktentwicklung Softwareentwicklung EMS ESA ICE IES INF MNT PWO INSTITUTE Der Bereich angewandte Forschung und Entwicklung ist in sieben Instituten organisiert, die in verschiedenen Kompetenzbereichen und Anwendungsgebieten intensiv zusammenarbeiten. Auf diese Weise gelingt es, den Systemtechnikgedanken aktiv zu leben, gute und solide Projektergebnisse zu erzielen und bestens qualifizierte Studienabgänger für die Wirtschaft zu liefern.

11 INSTITUT FÜR ENTWICKLUNG MECHATRONISCHER SYSTEME EMS DAS SYSTEM NTB TECHNIK GANZHEITLICH DENKEN Praxisorientierte und kompetente Ingenieurinnen und Ingenieure auszubilden gelingt nur in einem anwendungsorientierten Umfeld. Aus diesem Grund sind angewandte Forschung und Entwicklung sowie Dienstleistungen als wichtiger Leistungsauftrag in der NTB-Philosophie verankert. Wir leben den Systemtechnikgedanken in Lehre und angewandter Forschung. Die Absolventen der NTB bringen ein breites Basiswissen in Systemtechnik mit, das je nach Interesse in den Richtungen Maschinenbau, Elektronik und Regelungstechnik, Ingenieurinformatik, Informations- und Kommunikationstechnik, Mikrotechnik oder Photonik vertieft ist. Industriepartner können deren topaktuelles Know-how und «den Blick von aussen» im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten nutzen. In der angewandten Forschung fokussiert sich unsere Arbeit auf zwei wesentliche Anwendungsschwerpunkte: Industrial and Precision Engineering Digitalisierung, Industrie 4.0, ICT Für diese Themen können unsere Industriekunden konkrete, fachlich hervorragende und ganzheitliche Antworten von der NTB erwarten. Gespeist werden diese Anwendungsschwerpunkte durch zehn Kernkompetenzen, die wir an der NTB vertreten. Diese werden durch unsere Dozierenden und wissenschaftlichen Mitarbeitenden in gemeinsamen Projekten mit unseren Industriepartnern umgesetzt und weiterentwickelt. Dafür gibt es vielfältige Möglichkeiten der Zusammenarbeit: Studentische Arbeiten auf Bachelor- und Masterstufe Beratungsmandate und direkte Projektaufträge Entwicklungspartnerschaften Forschungsprojekte mit öffentlicher Förderung firmenspezifische Schulungen und Weiterbildungen Die kommerzielle Verwertung der Projektergebnisse erfolgt in der Regel durch den Industriepartner, Geheimhaltung kann gewährleistet werden.

12 NTB Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB Campus Buchs Werdenbergstrasse Buchs Tel Institut für Entwicklung Mechatronischer Systeme EMS Institutsleiter Prof. Dr. Jürgen Prenzler juergen.prenzler@ntb.ch Tel FHO Fachhochschule Ostschweiz