Theses

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Gasdruckverläufe verschiedener Kaliber bei gleichbleibender Gasabnahmestelle. Diese Untersuchungen fanden in Zusammenarbeit mit dem Landesamt für Mess- und Eichwesen (LMET) statt. Dazu wurden Messläufe konstruiert, gefertigt und mittels Piezodrucksensoren untersucht. Diese Ergebnisse finden ihre Anwendung in der Praxis bei der Produktion von Gasdruckladern. Zu Beginn der Arbeit wurden verschiedene theoretische Ansätze für die Berechnung des Gasdruckes erläutert. Es erfolgte ein Vergleich der berechneten Ergebnisse mit den gemessenen Werten. Weiter wurde das mechanische System betrachtet und berechnet. Auf der Grundlage eines bestehenden Repetiersystems folgte eine Studie zur Integrierbarkeit eines Selbstlademechanismus. Es entstand ein Konstruktionsvorschlag. Anschließend erfolgte eine FEM Berechnung der systemrelevanten Bauteile.

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Konstruktion von Modulen zur Erweiterung der Funktionalität von Mobilitätshilfen hinsichtlich der Überwindung von Hindernissen und Treppen. Diese Module können an gängige Mobilitätshilfen angebracht werden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Nahfeldumgebung des Menschen. Die Arbeit umfasst die Betrachtung des Standes der Technik, sowie eine Patentrecherche zu Mobilitätsunterstützungssystemen und Treppensteigsystemen für Rollstühle und Lastentransportsysteme. Für das Besteigen von Treppen ist eine zusätzliche Energiequelle notwendig. Da diese Energie möglichst mechanisch gespeichert werden soll, ist die Betrachtung und Erarbeitung von Möglichkeiten der mechanischen Energiespeicherung ein wesentlicher Kernpunkt dieser Arbeit. Unterschiedliche Varianten zur Überwindung von Hindernissen und Treppen sind mithilfe des Konstruktiven Entwicklungsprozesses (KEP) erarbeitet und bewertet worden. Die konstruktive Umsetzung, Beschreibung und die zugehörigen technischen Dokumente der ausgewählten Variante, welche aus einem separaten Modul zur Hindernis- und einem zur Überwindung von Treppen besteht, sind in dieser Arbeit enthalten.

Für den geplanten Umzug eines Getriebewerks in Shanghai sind Optimierungsvorschläge bezüglich des geplanten Hallenlayouts zu erarbeiten. Diese sollen in Form einer Fabrikplanungssoftware automatisiert werden. Zu diesem Zweck wird ein Algorithmus mit kollisionsbehafteter Wegfindung unter Einbeziehung der Manhattan-Metrik entwickelt und in eine Software mit graphischer Oberfläche implementiert. Die hierzu nötigen Kenntnisse aus dem aktuellem Stand der Technik und der Wissenschaft werden erläutert und bei der Softwareentwicklung berücksichtigt. Nach der Einführung in die programmiertechnischen Grundlagen und der Erläuterung der Funktionsweise des Wegfinde-Algorithmus unter Einbeziehung eines Programmablaufplans nach DIN 66001 wird auf den Zweck der Software genauer eingegangen. Mögliche Erweiterungen werden aufgezeigt und abschließend der Wegfinde-Algorithmus anhand eines Programmbeispiels dargestellt.

Zur Unterstützung und Begleitung hilfsbedürftiger Menschen im eigenen Zuhause wurde eine mobile Indoor-Roboterplattform entwickelt. Der bisher in der Plattform verwendete Radantrieb ist für glatte und harte Bodenbeläge ausgelegt und zeigt Schwächen bei der Überwindung kleinerer Hindernisse im häuslichen Bereich wie Schwellen, Teppiche usw. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Entwicklung eines Kettenantriebs zur Erfüllung der besonderen Anforderungen der geplanten Anwendung und zur Verbesserung der Fahreigenschaften. Zu diesem Zweck wurden zunächst Anforderungsliste und Funktionsstruktur erstellt. Auf dieser Basis ist eine umfangreiche Untersuchung des Standes der Technik inklusive Patentrecherche erfolgt. Die aus der Analyse gewonnenen Erkenntnisse wurden im Rahmen der Ideenfindung für den Kettenantrieb verarbeitet und mit Hilfe des Morphologischen Kastens in Form einer funktionellen Betrachtung übersichtlich dargestellt. Die aus einer qualitativen Bewertung hervorgegangenen Vorzugslösungen wurden zu einem geeigneten und in die bestehende Plattform integrierbaren Konzept kombiniert, das als CAD-Modell umgesetzt wurde. Damit ist ein Kettenantrieb entstanden, der die an das System gestellten Anforderungen erfüllt, Hindernisse überwinden kann und Verbesserungen im Fahrverhalten zeigt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Simulation der Schwingungen des Maschinenfundamentes bei Präzisionsmaschinen. Als Vorbild für die Modellbildung dient die Nanopositioniermaschine der Technischen Universität Ilmenau. Nach einer Literaturrecherche zum Thema Modellierung, Fundament und Mehrkörpersimulation werden die Grundlagen, die für diese Arbeit notwendig sind, erklärt. Die Simulation und die Erstellung des Modells erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird das Fundament auf Federelementen gegenüber dem Boden gelagert. Dabei soll geklärt werden, welche Aufstellung, welche Anzahl und welcher Federtyp für die Lagerung des Fundamentes am besten geeignet ist. Nachdem diese Punkte geklärt sind, wird das vollständige Modell und die Erkenntnisse, die durch die Simulationen gewonnen worden sind, erklärt. Dabei ist die Frage zu klären, wie die Bewegungssteuerung des Positioniersystems umzusetzen ist. Im Anschluß an die Zusammenfassung der Ergebnisse folgt ein Kapitel zur Optimierung der Modellerstellung und Erstellen von xml-Dateien.

Motiviert durch den technischen Fortschritt werden im Mikro- und Nanobereich zunehmend apedale Bewegungssysteme eingesetzt. Einige dieser Systeme basieren auf elektrodynamischen Wirkungsprinzipien, die eine ortsgebundene Bewegung permeabler Stoffe ermöglichen. Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit besteht darin, eine ortsunabhängige Positionierung im offenen Magnetkreis zu realisieren. - Die Bewegung permeabler Stoffe im offenen Magnetfeld kann mit Hilfe vereinfachter, nichtlinearer, gewöhnlicher Differentialgleichungen beschrieben werden. Bedingt durch die zunehmende Leistungsfähigkeit der Computertechnik stehen effiziente Werkzeuge der Systemidentifikation zur Verfügung. Die konsequente Ermittlung einzelner Parameter der Streckenbeschreibung anhand verschiedener modellbasierter Optimierungsrechnungen führt zu einer realitätsnahen Modellbildung. Das nichtlineare Systemverhalten kann mit Hilfe der exakten Linearisierung in ein lineares System überführt werden. Mit dieser Vorgehensweise können die bekannten, leistungsfähigen linearen Regler der Zustandsraummethodik verwendet werden, um eine Positionsregelung zu ermöglichen. - Mit der Implementierung der Regelungsmethodik auf einem FPGA kann die Funktionsweise selbiger am realen Prozess nachgewiesen werden. Dabei werden die geforderten dynamischen Eigenschaften an Geschwindigkeit und Dämpfung eingehalten.

Die vorliegende Diplomarbeit handelt von der Simulation von hydrodynamischen Rotorgleitlagerungen verschiedener PKW-Abgasturbolader. Die Berechnung der Rotordynamik erfolgt mit dem Mehrkörpersimulationsprogramm FIRST. Zur Berechnung der Hydrodynamik der Radiallager kommt das in FIRST eingebundene Programm TOWER zum Einsatz. - Gegenstand der Betrachtungen sind sowohl Schwimmbuchsenlagerungen als auch Einbuchsenlagerungen. Nach der Modellierung der Lagerungen mit starrem Rotor erfolgt eine Optimierung der Modellierungstiefe, bei der der hydrodynamischen Axialgleitlagerung besondere Bedeutung zukommt. Hierbei stehen betriebspunktabhängige Kennlinien zur Beschreibung des Axiallagerverhaltens sowie der Einfluss von Axiallagerkräften und Axiallagerspielen im Mittelpunkt. - Weiterhin erfolgt ein Vergleich verschiedener PKW-Abgasturboladerlagerungen hinsichtlich deren Reibleistung und Tragfähigkeit, wobei das Kaltstartverhalten ebenso berücksichtigt wird wie Rotordrehzahlen bis zu 180000 UPM. Auch Simulationen mit elastischen Rotoren werden durchgeführt und die Ergebnisse mit denen der starren Rechnungen verglichen. - Abschließend findet eine erste rechnerische Untersuchung einer Lageroptimierung hinsichtlich der Reibleistungssenkung statt. Dabei werden im Speziellen die Einflüsse der Lagerbreite, des Lagerdurchmessers und das Schalenspiels der Innenlagerung untersucht.

Im Rahmen der Weiterentwicklung mikrotechnologischer Anwendungen tritt die Forderung nach immer kleineren Strukturen zunehmend in den Vordergrund. Um diesen Forderungen gerecht werden zu können, müssen Geräte und Messapparaturen konzipiert werden, die eine hochgenaue Fertigung zulassen. Zur Übertragung von Kräften und Bewegungen müssen in diesen Anlagen Präzisionsführungen eingesetzt werden, an die, neben der Forderung nach einer hohen Steifigkeit, auch die Forderung nach geringer Reibung gestellt wird. Im Gegensatz zu anderen industriellen Anwendungen stellt der Verschleiß der Führung und das infolge dessen auftretende Versagen des Werkstoffes hier nicht das zentrale Problem dar. Vielmehr sind es schwer kontrollierbare Effekte bei der Positionierung, wie z.B. Stick-Slip-Effekte oder infolge der Reibung entstehende Nachführfehler bei Bahnsteuerungen, die eine einwandfreie Funktion dieser Geräte beeinflussen. Für die Entwicklung und den Betrieb von Präzisionsmaschinen ist eine Kenntnis über das Reibverhalten von Einzelkomponenten wie z.B. den eingesetzten Führungen unabdingbar. Da Führungen komplexe tribologische Systeme darstellen und Reibung schon in einzelnen Kontakten sehr vielen Einflussfaktoren unterliegt, ist eine analytische Erfassung der Reibung nicht möglich. Daher werden zur Vorhersage des Reibverhaltens und zur Reibungskompensation häufig komplexe Modelle verwendet, die in Ihrem Verlauf durch das Ändern von Parametern dem Systemverhalten angepasst werden können. Für den Einsatz dieser Modelle ist die Kenntnis entsprechender empirisch ermittelter Kennwerte notwendig. Die Tatsache, dass die Reibung von Führungen meist unter makrotribologischen Gesichtspunkten betrachtet wird, führt zu dem Problem, dass kaum Daten über das Verhalten von Linearführungen im Haftbereich, insbesondere über Anfangsverschiebung, Haftkraft und Losbrechverhalten vorliegen. Für Präzisionsführungen bilden diese charakteristischen Werte jedoch eine wesentliche Grundlage für die Modellbildung und die Bewertung der Führung. Daher sind Fragen nach der Größenordnung der genannten charakteristischen Werte, sowie nach dem genauen Zusammenhang zwischen Verschiebung und Kraft oder dem Einfluss geometrischer Gegebenheiten häufig noch offen. Für eine präzise Modellbildung ist eine Kenntnis dieser Werte jedoch notwendig. Das Ziel der durchgeführten Arbeit ist der Aufbau und die Inbetriebnahme des Prototyps eines Universalprüfstandes, mit dem das Haft- und Losbrechverhalten unterschiedlicher Führungen untersucht werden kann. Die Inbetriebnahme zielt darauf ab, die Durchführung von Messreihen problemlos zu ermöglichen und weitestgehend zu automatisieren. Des Weiteren soll im Rahmen der Inbetriebnahme überprüft werden, inwiefern der Prüfstand unter messtechnischen Gesichtspunkten geeignet ist Untersuchungen im Haftbereich durchzuführen. Die gewonnenen Messwerte sollen einen Anhaltspunkt für die Beurteilung der Führungen hinsichtlich der Eignung für den Einbau in Positioniereinrichtungen geben. Zusätzlich können die Ergebnisse eine Hilfe für eine präzise Modellbildung des Verhaltens der Führungen darstellen. Im Rahmen der Diplomarbeit konnte der Universalprüfstand zur Untersuchung des Reibverhaltens von Führungen in Betrieb genommen werden, so dass es möglich ist Messreihen automatisiert durchzuführen. Die erstellte Software erlaubt es unterschiedliche Messprofile, vor allem im Hinblick auf die Ansteuerung des Piezoaktors, einzustellen. Es besteht die Möglichkeit, neben der Ansteuerfunktion, ganz gezielt Parameter wie Verfahrgeschwindigkeit, eingeleitetem Weg oder der Zeit zwischen zwei Messzyklen einzustellen. Dadurch kann die Abhängigkeit der Reibkraft von diesen Parametern gezielt untersucht werden. Durch ein Programm zur Vorverarbeitung der erfassten Daten können Messwerte, trotz der großen Datenmengen, zügig umgerechnet und visualisiert werden, so dass eine erste Beurteilung der Messergebnisse schnell möglich ist. Bei den durchgeführten Messungen konnte gezeigt werden, dass das Haftverhalten von Führungen gezielt vermessen und erfasst werden kann. Ebenso konnte der bei einer Führung auftretende Stick-Slip aufgenommen werden. Der Prüfstand hat sich in diesem Bereich grundsätzlich als geeignet erwiesen, das Verhalten der Führungen auch bei sehr kleinen Verschiebungen und Kräften zu erfassen.

Zukünftige Fahrerassistenzsysteme, die den Fahrzeugführer bei der Vermeidung von Unfällen unterstützen sollen, profitieren von leistungsfähigen Bahnplanungsverfahren. Ein vielversprechender Ansatz ist das Verfahren der elastischen Bänder. Dabei wird die Umwelt des Fahrzeuges in einer Gefahrenkarte modelliert, die aus virtuellen Potentialfeldern besteht. In dieses Potentialgebirge wird ein so genanntes elastisches Band gelegt, dass sich unter den Potentialkräften verformt. In einer Gleichgewichtslage beschreibt das Band eine kollisionsfreie Bahn. Die Gleichgewichtsermittlung erfordert mathematisch die Lösung eines Systems nichtlinearer Gleichungen. - In dieser Arbeit werden drei ausgewählte numerische Lösungsverfahren in eine bestehende Simulationsumgebung implementiert mit dem Ziel der Steigerung von Effizienz und Stabilität der Berechnung. Zwei Verfahren ergeben sich dabei durch Erweiterung des bislang eingesetzten Newtonverfahrens um Dämpfungstechniken. Das dritte Verfahren ist eine Trust-region Optimierung, mit der ein neuer Ansatz verfolgt wird. Die Bahnplanungsverfahren werden schließlich in einer dafür entwickelten Testumgebung miteinander verglichen.

Mobile kooperierende Roboter sind dazu in der Lage, Aufgaben auszuführen, die nur schwer oder gar nicht von einem einzelnen mobilen System ausgeführt werden können. Um mehrere Einzelsysteme so aufeinander abzustimmen, daß ein kooperierendes Gesamtsystem entsteht, ist ein hohes Maß an Koordination und Kommunikation zwischen den einzelnen beteiligten Robotern notwendig. Dabei wird die Forschung auf dem Gebiet der Schwarmrobotik insbesondere von der Bionik inspiriert, deren Ziel die Übertragung natürlicher Funktionsprinzipien auf technische Applikationen ist. Beispielsweise dient die Untersuchung der Kommunikationsstrukturen sozialer Insekten, etwa in einem Ameisenstaat, als Grundlage für die Nachbildung von Schwarmverhalten bei Robotern. - Einleitend wird in dieser Arbeit zunächst der Stand der Forschung auf dem Gebiet bionisch inspirierter kooperierender Roboter aufgezeigt, indem das Projekt "Swarm-Bot" von Dorigo et. al. untersucht wird. - Um dann verschiedene Szenarios kooperierenden Roboterverhaltens experimentell umsetzen zu können, standen 2 unterschiedliche Typen mobiler Robotersysteme zur Verfügung, eine hexapedale Laufmaschine und ein radgetriebener Roboter mit Differentialantrieb. Diese Roboter wurden teilweise in vorangehenden Projekten selbst entwickelt und für diese Arbeit weiter modifiziert. - Für eine Erweiterung des Einsatzspektrums wurden diese Systeme mit einer digitalen Kamera ausgestattet, mit der bewegte und unbewegte Objekte lokalisiert und verfolgt werden können (Colourtracking). Ausserdem wurde ein digitaler Kompass integriert, der allen Robotern eine gemeinsame Orientierung ermöglicht. - Um die mit der Installation der zusätzlichen Hardware geschaffenen Möglichkeiten voll ausnutzen zu können, wurde die notwendige Steuersoftware in C++ und C# geschrieben und so die Voraussetzung geschaffen, um mit mehreren Robotern kooperativ agieren zu können. Die Steuerung und Koordination erfolgt über eine Bluetooth-Wireless Verbindung mit einem PC. Verschiedene Szenarios wie Kettenbildung, Formationsfahrten und gemeinsamer Objekttransport konnten erfolgreich realisiert werden. - Die in dieser Diplomarbeit geschaffene Experimentierplattform ist einfach und flexibel erweiterbar und kann für weitere Experimente zur Schwarmrobotik genutzt werden.