Publikationen 2017

Object-Orientation in Graph-Based Design Grammars

Samuel Vogel, Peter Arnold https://arxiv.org/abs/1712.07204v1

Abstract

The ongoing digital transformation in industry applies to all product life cycle’s stages. The design decisions and dimensioning carried out in the early conceptual design stages determine a huge part of the product’s life cycle costs (LCC). The automation of the conceptual design phase promises therefore huge gains in terms of LCC. Design grammars encode design processes in production systems made up of rule sequences which automatically create an abstract central product model (central data model) from given requirements. Graph-based design languages use the Unified-Modeling-Language (UML) to define the product entities (classes) supporting object-oriented inheritance. Graphical rules instantiate the classes and iteratively assemble the central model. This paper proposes to extend the design languages by introducing methods (operations). This allows the use of object-oriented design patterns and interface mechanisms as object-oriented principles are then fully implemented. A graphical mechanism to model the method calls is presented which integrates seamlessly into the graph-based design language’s graphical rule specification. The object oriented design grammar enables modularization and reusability of engineering knowledge. The integration of engineering domains is enhanced and multistakeholder collaboration with access control (information security) becomes feasible.


Ansatz zur rechnergestützten Synthese und Analyse von Entwurfsvarianten für Formula Student Getriebe mittels graphenbasierter Entwurfssprachen

Kevin Holder, Andreas Zech, Ralf Stetter, Markus Till ASIM-Treffen STS/GMMS 2017 Erschienen in: ASIM-Treffen STS/GMMS 2017, Tagungsband/Hrsg.: Walter Commerell u.a., ISBN: 978-3-901608-50-6

Abstract

Das Konzept graphenbasierter Entwurfssprachen hat sich in den letzten zehn Jahren in ein generisches Engineering Framework für die Definition und automatisierte Ausführung von computergestützten Entwurfsprozessen weiterentwickelt. In diesem Engineering Framework stellen die Ingenieurobjekte (Produktmodelle, etc.) den Wortschatz dar; die erforderlichen Modelltransformationen stellen die Regeln, d.h. die Grammatik der Designsprache, dar. Vokabeln und Regeln werden in einem sogenannten “Produktionssystem” verknüpft. Durch einen speziell entwickelten Compiler (Design Compiler 43™) werden die Regeln ausgeführt, um die Klassen mit den Vokabeln zu instanziieren. Dieser Kompilierungsprozess baut das zentrale Datenmodell auf. Von diesem zentralen Datenmodell aus generieren verschiedene Schnittstellen domänenspezifische, generische Modelle wie Geometrie-Modelle oder Simulationsmodelle. Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von Fahrzeuggetrieben ist die durchgängige Abbildung des Getriebeentwurfs ausgehend von den Fahrzeugparametern bis zur detaillierten Dimensionierung der Maschinenelemente. In diesem Artikel wird beschrieben, wie auf der Basis der wichtigsten Fahrzeugparameter ein Getriebegrobentwurf mittels graphenbasierter Entwurfssprachen abgebildet werden kann. Die Entwurfssprache setzt dabei die Teilschritte der Getriebesynthese mit Analyse und Bewertung um und ermöglicht das schnelle Untersuchen von Getriebevarianten. Zentrales Element stellt dabei die in UML modellierte Entwurfssprache dar.


Modellierung und Simulation eines Formula Student Rahmens mittels graphenbasierter Entwurfssprachen

Manuel Ramsaier, Ralf Stetter, Markus Till ASIM-Treffen STS/GMMS 2017 Erschienen in: ASIM-Treffen STS/GMMS 2017, Tagungsband/Hrsg.: Walter Commerell u.a., ISBN: 978-3-901608-50-6

Abstract

Graphenbasierte Entwurfssprachen sind eine neue Sichtweise auf die ganzheitliche Beschreibung von Produkten, die sich am Aufbau natürlicher Sprachen orientiert, in welcher Vokabeln und Regeln eine Grammatik bilden. In Verbindung mit graphenbasierten Entwurfssprachen steht mittlerweile ein leistungsfähiges Engineering-Framework zur Verfügung, das auf maschinelle Abarbeitung und Wiederverwendung von Entwurfs- und Fertigungswissen abzielt und den Produktentwickler durch automatische Modellgenerierung und Berechnungsautomation von Routinearbeiten entlastet. Der Beitrag beschreibt den Einsatz einer solchen Entwurfssprache für die Auslegung eines Rahmens für ein Formula Student Rennfahrzeug. Im Reglement der Formula Student werden gewisse Lastfälle vorgegeben. Durch die Abbildung der Rahmengeometrie in einer Entwurfssprache ist es möglich, automatisiert einen digitalen Funktionsnachweis zu führen. Im vorliegenden Projekt wurde ein bestehender Rahmen in einer Entwurfssprache abgebildet und automatisiert mittels Finiter Elemente Methode (FEM) und Mehrkörpersimulation (MKS) hinsichtlich der Lastfälle im Reglement untersucht. Ein großer Vorteil der Implementierung eines Modells in der Entwurfssprache besteht in der Flexibilität: Die Knotenpunkte des Rahmens können annähernd beliebig im Raum verschoben werden, die Rohrtopologie kann geändert werden und generelle Kennwerte wie Torsions- und Biegesteifigkeit können automatisiert neu berechnet werden. Somit ist eine automatisierte Exploration des Entwurfsraums möglich.


Generierung und Anreicherung von virtuellen Inbetriebnahmemodellen durch graphenbasierte Entwurfssprachen

Markus Kiesel, Nicolai Beisheim, Theresa Breckle ASIM-Treffen STS/GMMS 2017 Erschienen in: ASIM-Treffen STS/GMMS 2017, Tagungsband/Hrsg.: Walter Commerell u.a., ISBN: 978-3-901608-50-6

Abstract

Industrie 4.0 basierte Produktionssysteme werden die Produktionsprozesse von morgen maßgeblich beeinflussen. Die Bedeutung der Informationstechnologie auf die Produktion wird wachsen und bietet somit die Möglichkeit Produktionssysteme flexibler zu gestalten. Jedoch steigt dadurch auch die Komplexität der Systeme. Um trotz allem solide Systeme entwickeln zu können wird die Simulation einzelner Aspekte bis hin zur Gesamtsimulation zwingend notwendig. Simulationen welche zur Absicherung der Software dienen werden wegen des gestiegenen Einflusses folglich vermehrt erforderlich, hier ist vor allem die virtuelle Inbetriebnahme zu nennen. Die Hürde um die virtuelle Inbetriebnahme einzusetzen ist derzeit jedoch sehr hoch, da meist eine große Datenbank an Standardkomponenten erforderlich ist. Darüber hinaus ist der Aufbau der Modelle zusätzlich mit einem hohen Anteil an händischer Arbeit verbunden, daher wird in den meisten Fällen höchstens ein Modell aufgebaut. Falls sich anschließend die Änderungen am Systems ergeben, werden diese in der Regel nicht mehr übertragen. Graphenbasierte Entwurfssprachen können durch die Automatisierung der Modellerstellung dabei helfen diese Hürde zu überwinden. Dabei wird ein abstraktes Modell des zu entwerfenden Produktionssystems angefertigt, welches anschließen auf die domänenspezifischen Anwendungen abgebildet werden kann. Falls Änderungen des Systems auftreten, lässt sich das domänenspezifische Modell automatisiert regenerieren.


Konzeptplanung von Montagesystemen mit graphen-basierten Entwurfssprachen

Theresa Breckle, Jens Kiefer, Markus Kiesel, Martin Manns ASIM-Treffen STS/GMMS 2017 Erschienen in: ASIM-Treffen STS/GMMS 2017, Tagungsband/Hrsg.: Walter Commerell u.a., ISBN: 978-3-901608-50-6

Abstract

Produzierende Unternehmen unterliegen einem kontinuierlichen und zum Teil fundamentalen Wandel. Be-reits heute stehen diese Unternehmen unter einem immer stärker zunehmenden Zeitdruck, einem anhalten-denden Kostendruck, und gleichzeitig steigt die Komplexität der Produkte und Prozesse. Für Unternehmen, deren Kernkompetenz Montageprozesse sind, ist daher ein Ansatz, mit dem schneller bessere und nachhal-tigere Ergebnisse bei der Planung von Montagesystemen erzielen zu können, erforderlich. In diesem Beitrag wird die Idee eines innovativen Ansatzes für einen automatisierten Entwurfsprozess, der die Konzeptphase von Montagesystemen umfasst, dargestellt. Die Berücksichtigung von unterschiedlichen Eingangsgrößen (z. B. die Produktstruktur) und Anforderungen (z. B. wirtschaftliche oder technische) an die Auslegung ei-nes Montagesystems, sind wesentliche Elemente, um ein eine ganzheitliche Gestaltung unter Berücksichti-gung aller relevanten Eingangsgrößen zu erzielen. Häufig sind diese Eingangsgrößen mit Unsicherheiten behaftet, die es ebenfalls in der Modellierung zu berücksichtigen gilt. Als ein möglicher Ansatz für eine effiziente und schnelle Planung mit Hilfe einer wissensbasierten Entwurfsmethode ist der Einsatz von graphenbasierten Entwurfssprachen. Durch die wis-sensbasierte Entwurfsmethode kann ein digitales und regelbasiert ausführbares Abbild des Entwurfsprozes-ses dargestellt werden. Dabei wird das Entwurfswissen in Form von Regeln und Vokabeln abgelegt. In ei-nem Engineering-Framework wird dieses ausgeführt und ein zentrales Modell erzeugt. Durch den automati-sierten Entwurfsprozess können dann vollautomatisch weitere Modelle (z. B. in domänenspezifischen An-wendungen) erzeugt werden, die anschließend validiert, bewertet oder im Entwurfsprozess weiterverarbeitet werden können.


Automatic Definition of densitiy-driven Topology Optimization with graph-based Design Languages

Manuel Ramsaier, Ralf Stetter, Markus Till, Stephan Rudolph, Axel Schumacher 12th World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimisation (WCSMO12) https://www.researchgate.net/publication/317385658_Automatic_Definition_of_density-driven_Topology_Optimization_with_graph-based_Design_Languages

Abstract

Today, the product development process is characterized by its diversity. A trend towards customer-tailored products can be observed. This trend demands new processes for product development and manufacturing. Increasing product individuality up to lot size one can be faced by methods, which automate the design process and avoid redundant manual work. As the number of tools involved in the product development process is ever-increasing, one goal is to eliminate the distribution of knowledge into several software tools and begin with one central data model, which is consistent and from where all the used software tools can be automatically triggered. This goal can be addressed by using graph-based design languages, which are based on the Unified Modeling Language (UML). On the manufacturing side one technology for mass-customization can be seen in the additive manufacturing process. For finding the right structure, a combination of additive manufacturing and topology optimization can be advantageous because of the ability of additive manufacturing to create almost arbitrary geometry. On the example of a lightweight multicopter, we propose a graph-based design language which integrates topology optimization and can cover different aspects of the multi-disciplinary product development process: requirements, functions, design equations and costs among others. The topology optimization triggered by the design language can take different product configurations (e.g. battery positioning) into account and accordingly makes several design proposals (i.e. structural proposals for the frame of the multicopter). The executable nature of the graph-based design language reduces the time necessary to design one concept and allows automated design exploration.


Using Graph-based Design Languages to Enhance the Creation of Virtual Commissioning Models

Markus Kiesel, Philipp Klimant, Nicolai, Beisheim, Stephan Rudolph, Matthias Putz 27th CIRP Design Conference on Complex Systems Engineering and Development https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.01.047

Abstract

‘Industrie 4.0’ based production systems are likely to change the way future products are manufactured. As information technology gains influence on these systems there is a chance of higher flexibility due to decentralized logic and artificial intelligence. All this leads to a higher complexity and also indeterminism is feasible. Therefore simulation technologies will become a mandatory requirement, especially virtual commissioning will get necessary as the amount of software is rising. A lot of manpower is required to establish and maintain a virtual commissioning system as it needs a large database of standard components. Therefore in most cases small- and mid-sized companies are forced to avoid such technologies. Using graph-based design languages to create virtual commissioning models can help to solve this problem. The basic principle is to shape an abstract model of a production system which will then be individually built within the domain specific tools. One of these should be a virtual commissioning tool to evaluate the functionality of the built model. If a change in the design is necessary, the new virtual commissioning model can be regenerated automatically. This approach is even more reasonable, if graph-based design languages are used throughout the whole product life cycle.


Digital representation of product functions in multicopter design

Manuel Ramsaier, Kevin Holder, Andreas Zech, Ralf Stetter, Stephan Rudolph, Markus Till 21st International Conference on Engineering Design (ICED 17) https://www.designsociety.org/publication/39536/digital_representation_of_product_functions_in_multicopter_design

Abstract

In recent years the research concerning the representation of product functions has intensified again. Current studies exhibit a growing interest of design engineers to apply such representations in their daily practice. Simultaneously, a growing interest concerning graph-based methods for the digital representation of product models and the product logic in general can be observed. This paper seeks to combine these two research directions and to present a promising attempt to allow a sensible representation of product functions within a digital engineering framework based on graph based design languages. The main motivation for this research is to look for powerful methods and tools to overcome the limitations which result from the multitude of software tools along the product life cycle and heterogeneous data formats which are present in industrial companies and hinder integrated product development. This research seeks to expand the applicability of graph-based design languages into the domain of product functions. A rather simple product – a multicopter – is used as a basis for explanation and discussion.


Engineering of assembly systems using graph-based design languages

Theresa Breckle, Jens Kiefer, Stephan Rudolph, Martin Manns 21st International Conference on Engineering Design (ICED 17) https://www.designsociety.org/publication/39551/engineering_of_assembly_systems_using_graph-based_design_languages

Abstract

Car Manufacturers are subject to continuous and fundamental changes. Already today increasing time pressure, rising complexity and a soaring cost pressure require a shorter time to market. As assembly planning is one of car manufacturers’ core competence an innovative approach to adapt the processes is needed. This paper presents the early idea of a novel approach for an automated design process covering the early design phase of assembly systems. Integrating various input data as well as requirements leads to a are a base for this approach for designing an assembly system. Uncertain input data, which are fact within early planning phases, need to be considered in order to reach a holistic planning alternatives for evaluation, optimization and afterwards decision-making. With so-called graph-based design languages an automated and efficient design process will be implemented. This leads to a faster designing process in order to reduce planning time and planning costs and reach resilient and sustainable decisions.


Collaboration and Creativity Support for Interdisciplinary Engineering Teams Using Component Based Systems and Cognitive Services

Matthias Merk, Gabriela Tullius, Peter Hertkorn 14th International Conference on Cooperative Design, Visualization, and Engineering (CDVE 2017) https://doi.org/10.1007/978-3-319-66805-5_22

Abstract

In this paper we suggest an ubiquitous system with an implicit HCI. A basic concept of a middleware as well as design recommendations for future creativity and collaboration environments in an engineering context are presented in this paper.


Digitale Konzeptplanung von Montageanlagen auf Basis multi-disziplinärer Repräsentationen des Produktlebenszyklus

Jens Kiefer, Ralf Stetter, Stephan Rudolph, Markus Till Ingenieurspiegel http://www.publicverlag.com/produkte/index.html

Abstract

Im Jahr 2015 wurde in Baden-Württemberg an vier Hochschulen und der Universität Stuttgart das Zentrum für angewandte Forschung (ZAFH) “Digitaler Produktlebenszyklus (DiP)” eingerichtet. Das ZAFH ist mit künftigen Fördermitteln ausgestattet, die zu einem Drittel aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kommen und zu zwei Dritteln durch das Land Baden-Württemberg bestritten werden. Ziel des ZAFH-Forschungsvorhabens ist dabei die vollständige digitale Abbildung und maschinelle Ausführbarkeit des Produktlebenszyklus. Das bedeutet konkret: es sollen alle Stationen, angefangen vom Entwurf eines Produkts über die grundlegende Architektur und Geometrie, die Simulation und Validierung, die Produktion in der digitalen Fabrik und die übergreifende Kosten- und Energiebilanzierung in ein konsistentes digitales Gesamtmodell integriert werden (Till et al. 2016). An dem Projekt wirken Projektpartner von den Hochschulen Albstadt-Sigmaringen (HAS), Ravensburg-Weingarten (HRW), Reutlingen (HR) und Ulm (HU) sowie vom Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrkonstruktionen (ISD) und dem Institut für Flugmechanik und -regelung (IFR) der Universität Stuttgart mit. Ein Forschungsschwerpunkt ist die digitale Konzeptplanung von Montageanlagen anhand mehrerer Anwendungsbeispiele. Die Umsetzung der digitalen Modellierung des Produktlebenszyklus erfolgt mittels eines sprachbasierten Engineering Frameworks aus graphenbasierten Entwurfssprachen.