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© Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation, Prof. Dr.-Ing. Jan C. Aurich, TU Kaiserslautern Integrated development process of cybertronic products and production systems as a contribution to Industry 4.0 Dipl.-Kffr. Techn. Nicole Menck M.Sc. Hermann M. Meissner Prof. Dr.-Ing. Jan C. Aurich Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner 65 th General Assembly CIRP CAPE TOWN, SOUTH AFRICA, 23-29 August 2015 STC O – Short technical presentation

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Integrated development process of

cybertronic products and production

systems as a contribution to Industry

4.0

Dipl.-Kffr. Techn. Nicole Menck M.Sc. Hermann M. Meissner Prof. Dr.-Ing. Jan C. Aurich Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner

65th General Assembly CIRP CAPE TOWN, SOUTH AFRICA, 23-29 August 2015

STC O – Short technical presentation

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mecPro² Model-based development process for cybertronic products and production systems

Topic Intelligent networks in production

A Contribution to the future project „Industry 4.0“

Project duration November 2013 until October 2016

Project outlay 441.5 person months

Project costs 4.4 Million € (Sponsorship: 2.5 Million €)

2

Facts about mecPro²

Integrated development process of cybertronic products and production systems as a contribution to Industry 4.0

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Integrated development process of cybertronic products and production systems as a contribution to Industry 4.0 3

Motivation

Implicit Dependencies

between Documents

Manufacturing

Project Management

Science

Analysis

CAD

Software

Source: Chris Paredis, MBSE Workshop, 18.12.2013, Kaiserslautern

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4

Motivation

Source: Chris Paredis, MBSE Workshop, 18.12.2013, Kaiserslautern

System Model

Manufacturing

Project Management

Science

Analysis

CAD

Software

Paradigm shift from document-centered development towards model-based development including a reduction of media discontinuity

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5

Cybertronic Systems

Source: According to VDI 2206

Cyb

ertro

nic

Ele

men

t [C

TE] (

Cyb

er-R

eady

MTS

)

Mec

hatro

nic

Sys

tem

[MTS

]

Sensors

Information Processing

Man-Machine Interface (optional)

Communication in open networks / Ability to become part of a CTS (Cyber-

ready)

Man (optional)

Information Processing (optional)

Machine-Machine Interface (optional)

Cyb

ertro

nic

Sys

tem

[CTS

]

Actors M

echa

troni

c S

yste

m [M

TS]

Sensors (optional)

Man-Machine Interface (optional)

Man (optional)

Information Processing (optional)

Machine-Machine Interface (optional)

Actors (optional)

Basic System (optional)

Energy Flow Material Flow Information Flow

Information Processing

Cyb

er-r

eady

Ele

men

t [C

FE]

Basic System

Communication in open networks / Ability to become part of a CTS (Cyber-

ready)

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Project goal 2

Mechatronic Systems &

Properties Cyber-Physical Systems

Cybertronic Systems

Project goal 1

Integrated process and data model

with description systematics

Project goal 3

ibd Inverses Pendel

«block»Translationssensor

«block»Motor

«block»Rotationssensor

«block»Controller

v

w

«block»Schlitten

«block»Drehgelenk

«block»Translationsgelenk

Geschwindigkeit

«block»Pendelstab

s

phi

stm Zustände

Schlitten in

Mittelposition

Schlitten nach

rechts

Schlitten nach

links

Pendel aufschwingen

Position < max. links /Motor(rechts)

Position > max. rechts /Motor(links)

Winkel > 70°

Schlitten regeln

Pendel

senkrecht

stellen

Pendel halten

Winkel <> 90°

Pendel nicht

mehr haltbar

Winkel <70 or Winkel > 110

bdd Beispiel Blockdefinition

«block»Schlitten

«block»Controller

liefert Information

steuert

WinkelMessen()WinkelgeschwindigkeitMessen()...

WinkelWinkelgeschwindigkeit

«Block»Rotationssensor

«block»Inverses Pendel

SollWinkel = 90

SollGeschwindigkeit = 0

«block»Rotationsgelenk

«block»Motor

«block»Pendelstab

Länge = 0.1Höhe = 0.05Schwerpunkt = ...

Länge = 1Masse = 0.9Schwerpunkt = ...

Induktivität = 0.005Trägheitsmoment = ...

Startwinkel = 70...

MotorStellen()

A

AA F

F F L

LL &

Product Lifecycle Management Model-based Systems Engineering

System Lifecycle Management

Project goals

&

6 Integrated development process of cybertronic products and production systems as a contribution to Industry 4.0

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1 Basic concept for a model-based approach

2 Development of specific CTP / CTPS approaches

7

Structure of the project

3 Merging of the approaches

4 Implementation in IT-tools

1

2

3

4

CTP-specificapproach CTPS-specificapproach

Concept for the development approach

PLM / PPS (IT solutions)

A

AA F

F F L

LL

Development process

Descriptive modelsibd Inverses Pendel

«block»Translationssensor

«block»Motor

«block»Rotationssensor

«block»Controller

v

w

«block»Schlitten

«block»Drehgelenk

«block»Translationsgelenk

Geschwindigkeit

«block»Pendelstab

s

phi

stm Zustände

Schlitten in

Mittelposition

Schlitten nach

rechts

Schlitten nach

links

Pendel aufschwingen

Position < max. links /Motor(rechts)

Position > max. rechts /Motor(links)

Winkel > 70°

Schlitten regeln

Pendel

senkrecht

stellen

Pendel halten

Winkel <> 90°

Pendel nicht

mehr haltbar

Winkel <70 or Winkel > 110

req Beispielanforderungsdiagramm

Id=“EF_06“Text=“Der Endwinkel soll 90 Grad betragen.“

«DeveloperRequirement»Winkel

Id=“BF_04“„Der Pendelstab soll in vertikaler Position gehalten werden.“

«UserRequirement»vertikale Position

«trace»

Text=Id=

«DeveloperRequirement»...

«trace»

Id=“EF_07“Text=“Der Schlitten soll maximal 1kg wiegen.“

«DeveloperRequirement»Masse Schlitten

Id=“BF_05“„Das System soll eine Gesamtmasse von 4 kg nicht überschreiten.“

«UserRequirement»Masse«trace»

bdd Beispiel Blockdefinition

«block»Schlitten

«block»Controller

liefert Information

steuert

WinkelMessen()WinkelgeschwindigkeitMessen()...

WinkelWinkelgeschwindigkeit

«Block»Rotationssensor

«block»Inverses Pendel

SollWinkel = 90

SollGeschwindigkeit = 0

«block»Rotationsgelenk

«block»Motor

«block»Pendelstab

Länge = 0.1Höhe = 0.05Schwerpunkt = ...

Länge = 1Masse = 0.9Schwerpunkt = ...

Induktivität = 0.005Trägheitsmoment = ...

Startwinkel = 70...

MotorStellen()

Development process

Descriptive modelsA

AA

L

LL

z

e

z

A

AA F

F F L

LL

A

AA

L

LL

z

e

z

ibd Inverses Pendel

«block»Translationssensor

«block»Motor

«block»Rotationssensor

«block»Controller

v

w

«block»Schlitten

«block»Drehgelenk

«block»Translationsgelenk

Geschwindigkeit

«block»Pendelstab

s

phi

bdd Beispiel Blockdefinition

«block»Schlitten

«block»Controller

liefert Information

steuert

WinkelMessen()WinkelgeschwindigkeitMessen()...

WinkelWinkelgeschwindigkeit

«Block»Rotationssensor

«block»Inverses Pendel

SollWinkel = 90

SollGeschwindigkeit = 0

«block»Rotationsgelenk

«block»Motor

«block»Pendelstab

Länge = 0.1Höhe = 0.05Schwerpunkt = ...

Länge = 1Masse = 0.9Schwerpunkt = ...

Induktivität = 0.005Trägheitsmoment = ...

Startwinkel = 70...

MotorStellen()

Product and process model

SOP

stm Zustände

Schlitten in

Mittelposition

Schlitten nach

rechts

Schlitten nach

links

Pendel aufschwingen

Position < max. links /Motor(rechts)

Position > max. rechts /Motor(links)

Winkel > 70°

Schlitten regeln

Pendel

senkrecht

stellen

Pendel halten

Winkel <> 90°

Pendel nicht

mehr haltbar

Winkel <70 or Winkel > 110

Integrated development process Integrated CTP/CTPS-model

+

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8

Reference process and description

systematics

Source: UNITY AG

Use Cases

State-of-the-art

Product development Production system planning

Optimized and comprehensive target process

Process mapping, process and potential analysis

CTP / CTPS

branch- and product class specific approaches

Generalisierung

Comprehensive reference process

Status Quo

Abstraction

Definition description systematics

1.

2.

3.

Scope

Input

Framework to derive the reference process and description

systematics

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CTPS-specific adjustment of the description systematics

Adjustment of the general description systematics of the previous steps according to the requirements of production systems

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Development of cybertronic production

systems

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Conjunction by synchronizing the information of CTP and CTPS

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Details of the

sub processesExtension

description system

CTPS-specificExtension

Description of theinteronnection of

the productionsystem

Virtual Model

Simulation of thebehavior of CTPS

Model for material

flow simulation

Conjunction ofpartial models to a

simulation model

Structure virtual

model

stm Zustände

Schlitten in

Mittelposition

Schlitten nach

rechts

Schlitten nach

links

Pendel aufschwingen

Position < max. links /Motor(rechts)

Position > max. rechts /Motor(links)

Winkel > 70°

Schlitten regeln

Pendel

senkrecht

stellen

Pendel halten

Winkel <> 90°

Pendel nicht

mehr haltbar

Winkel <70 or Winkel > 110

Extension

description system

CTP-specificextension

Description of theinterconnection of

connected entities

Simulation models

for dynamic

behavior

Simulation of be-havior and functions

Model

transfer

Identification syn-chronization point

stm Zustände

Schlitten in

Mittelposition

Schlitten nach

rechts

Schlitten nach

links

Pendel aufschwingen

Position < max. links /Motor(rechts)

Position > max. rechts /Motor(links)

Winkel > 70°

Schlitten regeln

Pendel

senkrecht

stellen

Pendel halten

Winkel <> 90°

Pendel nicht

mehr haltbar

Winkel <70 or Winkel > 110

Details of the

sub processes

Geometrie

Material: StahlRadius: 2 mmRauigkeit: 2μm

Verhalten

Priorität: jaKapazität: integerVerfügbarkeit: string

??

?

Development of cybertronic production

systems

Integrated development process of cybertronic products and production systems as a contribution to Industry 4.0

Intersection of information Data CTP → CTPS Data CTPS → CTP

Information exchange at synchronization points

Information intersection

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This research project is kindly funded by the

„Bundesministerium für Bildung und Forschung“

Thanks to our project partners

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Acknowledgement

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Industry Software Corporate Technology

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Dipl.-Kffr. Techn. Nicole Menck Institute for Manufacturing Technology and Production Systems Chief Engineer Production Systems

Telefon: 0631 205-4068 Erwin-Schrödinger-Str. Telefax: 0631 205-3304 Building 57/225 [email protected] 67663 Kaiserslautern www.fbk-kl.de

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