Today, manufacturing system engineering companies face three major trends: First, the systems have to implement more functions and, hence, grow in complexity. Then, besides mechanical engineering discipline the electrical and software engineering disciplines contribute more and more to the functionality of the system and, hence, require increasing efforts. And finally, the integration of the components from the individual engineering disciplines has become a costly task taking up to 25% of the project budget. When talking to management personnel from manufacturing system engineering companies one can observe several practical challenges, which need to be addressed: For one, todays projects are dominated typically by mechanical design decisions and, thus, synergies between the different engineering disciplines cannot be exploited. Then, the design decisions taken in one discipline are not synchronized properly with the other disciplines leading to inconsistent and incompatible designs. Furthermore, the quality of the overall system design is not evaluated sufficiently and, hence, design flaws remain undetected until commissioning. And finally, the different engineering activities are carried out sequentially in a waterfall fashion potentially leading to costly design iterations. In contrast, when looking at related work on the design of manufacturing systems, one can observe a number of problems that remain unsolved until today: In the first place, the approaches typically cover only a subset of design information and, therefore, do not represent each engineering discipline appropriately and sufficiently. Secondly, even if the approaches cover a wide range of design information an integrated formal foundation is missing, which defines the syntactic and semantic relations between the design elements precisely and unambiguously. As a consequence, an automated evaluation of the design information cannot be performed or can be performed only over a limited subset of design information. And finally, a practical methodology is missing fostering early verification and validation of the design decisions. To overcome the current situation, this doctoral thesis provides six contributions: Foremost, the principles and ideas of test-driven and top-down, compositional software development methods are adapted to the cyber-physical manufacturing system domain. Then, an existing modeling technique and underlying formalism is adapted and extended to cover design information about customer requirements, manufacturing processes, and test cases in addition to part geometries, motion profiles, and energy as well as signal flow behaviors. Subsequently, a taxonomy and formal definition of quality issues is developed including syntactic completeness and consistency as well as extrinsic and intrinsic semantic execution constraints. In the following, a prototypical tooling is proposed, which demonstrates how the modeling technique and the quality issues can be implemented in practice. Then, the overall approach is applied to an industry-close showcase, the pick and place unit installed at the Institute for Automation and Information Systems, Technical University of Munich. Finally, based on the experiment and data collected during tool usage the feasibility of the test-driven method for the conceptual design of cyber-physical manufacturing systems is discussed, the validity of the system model and the underlying modeling technique is analyzed, and the relevancy of the syntactic and semantic quality issues in practical applications is shown.     «

Today, manufacturing system engineering companies face three major trends: First, the systems have to implement more functions and, hence, grow in complexity. Then, besides mechanical engineering discipline the electrical and software engineering disciplines contribute more and more to the functionality of the system and, hence, require increasing efforts. And finally, the integration of the components from the individual engineering disciplines has become a costly task taking up to 25% of the p...     »

Hersteller fertigungstechnischer Maschinen und Anlagen werden heutzutage mit drei zentralen Trends konfrontiert: Zunächst müssen ihre Maschinen und Anlagen immer mehr Funktionalitäten bieten, weshalb die Komplexität der Maschinen und Anlagen stetig wächst. Dann tragen Software- und Elektrotechnikingenieure neben den klassischen Maschinenbauingenieuren immer mehr zur Funktionalität der Maschinen und Anlagen bei, weshalb sich die Arbeitsaufwände zwischen den Ingenieursdisziplinen verschieben. Und schließlich hat sich die Integration der Komponenten aus den unterschiedlichen Disziplinen zu einer kostspieligen Aufgabe entwickelt, welche bis zu 25% des Projektbudgets beanspruchen kann. Wenn man mit Mitarbeitern aus dem Management der Hersteller fertigungstechnischer Maschinen und Anlagen spricht, man kann unterschiedliche praktische Herausforderungen erkennen, die adressiert werden sollten: Zunächst sind heutige Projekte typischerweise durch die Entwurfsentscheidungen von Maschinenbauingenieuren dominiert, weshalb Synergien zwischen den verschiedenen Ingenieursdisziplinen nicht ausgenutzt werden können. Dann werden Entwurfsentscheidungen, die in einer Ingenieursdisziplin getroffen wurden, nicht ordentlich mit den anderen Ingenieursdisziplinen synchronisiert, was zu inkonsistenten und inkompatiblen Systementwürfen führt. Des Weiteren wird die Qualität des Gesamtsystementwurfs nicht ausreichend evaluiert, weshalb Entwurfsmängel bis zur Inbetriebnahme der Systeme unerkannt bleiben können. Und schließlich werden die verschiedenen Ingenieursaktivitäten sequenziell nach dem Wasserfallprinzip ausgeführt, was zu kostspieligen Überarbeitungsschleifen führen kann. Demgegenüber kann man eine Reihe von ungelösten Problemen feststellen, wenn man sich verwandte Arbeiten zum Entwurf von fertigungstechnischen Maschinen und Anlagen ansieht: An erster Stelle decken bestehende Ansätze typischerweise nur eine Teilmenge von Entwurfsinformationen ab und repräsentieren deshalb die eine oder andere Ingenieursdisziplin nur unzureichend. Zweitens fehlt Ansätzen, die prinzipiell eine gute Abdeckung der Entwurfsinformationen bieten, eine integrierte formale Grundlage, welche die syntaktischen und semantischen Beziehungen zwischen den Entwurfselementen präzise und eindeutig definiert. Daraus folgt dass eine automatische Bewertung der Entwurfsinformationen entweder nicht erfolgen kann oder nur auf einer Teilmenge der Entwurfsinformationen durchgeführt werden kann. Und schließlich fehlt eine praktische interdisziplinäre Entwurfsmethodik, welche eine frühe Verifikation und Validierung von Entwurfsentscheidungen fördert. Um die aktuelle Situation zu verbessern bietet diese Doktorarbeit sechs Beiträge: In erster Linie werden die Prinzipien und Ideen der testgetriebenen und verfeinernden, komponentenbasierten Softwareentwicklungsmethoden auf die Domäne der cyber-physischen fertigungstechnischen Maschinen und Anlagen übertragen. Dann wird eine bestehende Modellierungstechnik und der darunter liegende mathematische Formalismus angepasst und erweitert, sodass Entwurfsinformationen bezüglich der Kundenanforderungen, der fertigungstechnischen Prozesse und der Testfälle zusätzlich zu Entwurfsinformationen bezüglich der Bauteilgeometrien, der Bewegungsprofile, sowie der Energie- und Signalflüsse erfasst werden können. Danach wird eine Taxonomie und formale Definition von Qualitätsproblemen entwickelt, welche syntaktische Vollständigkeit und Konsistenz sowie extrinsische und intrinsische semantische Ausführungsbedingungen umfassen. Im Folgenden wird ein prototypisches Werkzeug vorgestellt, welches demonstriert, wie die Modellierungstechnik und die Qualitätsprobleme in der Praxis umgesetzt werden können. Dann wird der vorgeschlagene Ansatz auf ein industrienahes Vorzeigeprojekt angewandt, nämlich eine Hub- und Schwenkeinheit, welche am Institut für Automatisierungs- und Informationssysteme der Technischen Universität München aufgestellt ist. Schließlich werden basierend auf dem Experiment und den Daten, die während der Werkzeugnutzung gesammelt wurden, die Durchführbarkeit der testgetriebenen Methode für cyber-physische fertigungstechnische Maschinen und Anlagen diskutiert, die Gültigkeit des Systemmodells und der darunter liegenden Modellierungstechnik analysiert, und die Relevanz der syntaktischen und semantischen Qualitätsprobleme in praktischen Anwendungen gezeigt.     «

Hersteller fertigungstechnischer Maschinen und Anlagen werden heutzutage mit drei zentralen Trends konfrontiert: Zunächst müssen ihre Maschinen und Anlagen immer mehr Funktionalitäten bieten, weshalb die Komplexität der Maschinen und Anlagen stetig wächst. Dann tragen Software- und Elektrotechnikingenieure neben den klassischen Maschinenbauingenieuren immer mehr zur Funktionalität der Maschinen und Anlagen bei, weshalb sich die Arbeitsaufwände zwischen den Ingenieursdisziplinen verschieben. Und...     »