Ausarbeitung von Praktika zur Präzisionsmessung unterschiedlicher Maschinenteile unter Anwendung einer Universallängenmessmaschine. - Ilmenau. - 182 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die ULM 01-600d ist ein hochpräzises, optisches Universallängenmessgerät, das das Abbesche -Komperatorprinzip in Verbindung mit einer mikrometrischen Skala nutzt. Durch die universelle Bauweise der ULM 01-600d können unterschiedliche Messanordnungen aufgebaut werden, die vielfältige Messaufgaben zur Innen- und Außenmessung an Objekten bis zu einer Maximalgröße von 100 mm x 100 mm x 100 mm erlauben. Das Ziel der Masterarbeit bestand darin, verschiedene Messszenarien für die ULM 01-600d zu entwerfen und Arbeitsunterlagen für deren praktische Durchführung auszuarbeiten. Diese Unterlagen erlauben Studierenden sich selbstständig auf Messversuche vorzubereiten. Dabei werden die notwendigen DIN-Normen bzw. die einschlägige Literatur und Fragen für Selbsttests berücksichtigt. Als konkrete Messobjekte kommen metrische Gewinde, Wälzlager und Stirnräder zum Einsatz. Zudem wurden Versuchsunterlage für Prüfer entworfen, die ergänzende Hinweise zur Nutzung der ULM 01-600d, die Antworten der Selbsttests und weitere Informationen enthalten.
Topologieoptimierung von Mechanismengliedern unter Berücksichtigung von Kollisionen. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Mechanismen finden sich in zahlreichen Bereichen des Maschinenbaus. Für die Gestaltung von Mechanismen sind neben den grundlegenden Funktionen der Bewegungs- und Kraftübertragung weiterer Eigenschaften von Bedeutung. Zu diesen Eigenschaften zählen unter anderem die Steifigkeit und Masse der Mechanismenglieder. Bestehende Verfahren der Topologieoptimierung ermöglichen diesbezüglich eine zielgerichtete Unterstützung bei der Gestaltung. Bisherige Ansätze vernachlässigen jedoch zumeist mögliche Kollisionen zwischen den Mechanismengliedern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Konzepten zur Topologieoptimierung von Mechanismengliedern unter Vermeidung von Kollisionen. Aufbauen auf der Analyse bestehender Arbeiten, werden nötige Teilfunktionen und Ansätze für das zu erarbeitende Lösungskonzept ermittelt. Diese dienen zur Erarbeitung, Systematisierung und Bewertung möglicher Konzepte. Im Hauptteil der Arbeit werden anschließend die Teilfunktionen eines ausgewählten Optimierungskonzeptes erarbeitet und implementiert. Kernbestandteil des ausgewählten Konzeptes ist die kollisionsfreie Aufteilung des zur Verfügung stehenden Bauraums für die Topologieoptimierung der einzelnen Glieder. Diese beinhaltet die Diskretisierung des Bauraums, die Verarbeitung der Relativbewegungen der Glieder, heuristische Verfahren zur Kollisionsvermeidung sowie die Aufbereitung der Daten für die Topologieoptimierung. Anhand von ausgewählten Fallbeispielen wird das Gesamtkonzept bestehend aus kinematischer Analyse, Bauraumaufteilung und Topologieoptimierung validiert. Das erarbeitete Vorgehen ermöglicht die Topologieoptimierung von Gliedern ebener Mechanismen für eine Vielzahl möglicher Zielfunktionen und Optimierungsverfahren. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick mögliche Weiterentwicklungen gegeben.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Nachgiebige Mechanismen haben einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Mechanismen mit konventionellen Gelenken, die vor allem für Präzisionsanwendungen von Bedeutung sind. Aufgrund zahlreicher Gestaltparameter und vielschichtiger Zusammenhänge zwischen den mechanischen Eigenschaften, stellt die Synthese eines nachgiebigen Mechanismus eine Herausforderung dar. Dabei steht zumeist die Gestaltung der Gelenke im Vordergrund. Aber auch die Gliedgestaltung ist von Bedeutung für die Eigenschaften des Mechanismus. Sie beeinflusst beispielsweise maßgeblich den Bauraum, die Fertigbarkeit und die Kollisionsfreiheit. Automatisierte Entwurfswerkzeuge könnten hierbei die Gliedgestaltung wesentlich erleichtern. Als erster Schritt zur Erarbeitung solcher Entwurfswerkzeuge, werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit geeignete Analysemethoden und Lösungsstrategien erarbeitet. Dazu werden Merkmale und Eigenschaften aufgezeigt, die für die Gliedgestaltung eines nachgiebigen Mechanismus von Bedeutung sind. Auf deren Grundlage werden verschiedene Lösungsstrategien und Anwendungsmöglichkeiten für die Gliedgestaltung von planaren Mechanismen betrachtet. Darunter zeigen Lösungsstrategien mittels Wegfindungsalgorithmen eine hohes Potenzial. Diese bilden daher den Fokus der Untersuchungen. Hierzu werden die nötigten Grundlagen der Graphentheorie erläutert. Es werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, mit denen der zur Verfügung stehend Bauraum für die Wegfindung aufbereitet werden kann. Zudem wird ein Überblick zu Wegfindungsalgorithmen gegeben. Aus diesem werden geeignete Wegfindungsalgorithmen ausgewählt. Zugehörige Implementierungen werden anschließend hinsichtlich ihrer Laufzeit und Robustheit verglichen. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden aufgearbeitet, ausgewertet und Schlussfolgerungen für die Anwendung in Lösungsstrategien zur Gliedgestaltung gezogen. Abschließend werden die Ergebnisse kritisch reflektiert und ein Ausblick auf die mögliche weiterführende Forschungstätigkeit gegeben.
Modelling and use of SysML behaviour models for achieving dynamic use cases of technical products in different VR-systems. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (XXII, 241 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 38)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Digitale Methode und Modellen ermöglichen den Produktdesignern eine frühzeitige Evaluierung des Produkts, damit sie das Verhalten des Produkts und seine Interaktionen mit benachbarten Systemen in seinen späteren Lebensphasen besser verstehen können. Virtual Reality (VR) ist eine Technologie, die zum frühen Evaluierungsprozess beitragen kann, indem spätere Lebenssituationen eines Produkts schon in der Entwurfsphase angezeigt werden können. Die Anwendung von VR in der Industrie ist jedoch derzeit aufgrund des hohen Modellaufbereitungsaufwands und der limitierten Wiederverwendbarkeit vorhandener Modelle begrenzt. Daher befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Methode, die die frühzeitige Evaluierung des Produkts innerhalb von VR und die Verwendung von VR im Produktentwicklungsprozess erleichtern kann. Diese Methode befasst sich mit dem Prozess der Entwicklung allgemeiner Verhaltensbeschreibungen zur Verwendung in VR, die auch wiederverwendet werden können, um dynamische Anwendungsfälle eines Produkts in den verschiedenen VR-Systemen abzubilden. Der Fokus liegt auf der Reduzierung des gesamten Aufbereitungsaufwands von VR-Modellen und auf das Verwirklichen einer hohen Wiederverwendbarkeit bereits vorhandener Modelle. Die Kernkomponenten der Arbeit bestehen in der Verwendung von Model Based Systems Engineering (MBSE) zur Entwicklung allgemeingültiger Verhaltensmodellbeschreibungen, ihrer Verwendung beim Erstellen verschiedener Anwendungsfälle eines Produkts in einem VR-System und ihrer Wiederverwendung in den verschiedenen VR-Systemen. Die Systems Modeling Language (SysML) wird zur Beschreibung der Verhaltensmodelle verwendet, der Modellierungsprozess wird systematisch beschrieben und auch in Form allgemeiner Anwendungsrichtlinien für die spätere Verwendung zusammengefasst. Darüber hinaus wird eine dedizierte Physik-Engine verwendet, um die physikalischen Berechnungen für virtuelle Objekte in VR durchzuführen, welche auch mit SysML integriert ist. Diese SysML-Verhaltensmodelle zusammen mit der Physik-Engine bilden eine echtzeitfähige Produktanwendungssimulation in VR. Dieselben SysML-Verhaltensmodelle werden für verschiedene VR-Systeme verwendet, um Echtzeitsimulationen abzubilden und ihre Wiederverwendung zu validieren. Zwei VR-Prototypen wurden entwickelt, um die Wirksamkeit und Verwendung der vorgestellten Methoden zu demonstrieren. Schließlich wurde einer der Prototypen einer empirischen Untersuchung unterzogen, die mithilfe von Experten aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt wurde.
https://doi.org/10.22032/dbt.47179
Analyse der Dynamik eines Industrieroboters hinsichtlich der sicherheitstechnischen Anforderungen für die Mensch-Roboter-Interaktion. - Ilmenau. - 168 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der Industrie und Forschung werden stetig neue Ansätze erarbeitet, um Produktionsabläufe effizienter zu gestalten. Die Verwendung von Industrierobotern zur Automatisierung von Prozessabläufen ist dabei keine Seltenheit. Eine Herausforderung bei der Einführung der Industrie 4.0 besteht darin, innerhalb der Massenproduktion auch die Produktion individualisierter Produkte zu ermöglichen. Dabei wird die Interaktion zwischen Mensch und Roboter zunehmend wichtiger. Eine gemeinsame Arbeitsweise zwischen Mensch und Roboter ist mit kollaborativen Robotern bereits realisierbar. Die notwendige Reduzierung der Verfahrgeschwindigkeit wirkt sich jedoch nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit aus. Mit dem Ansatz eines hybriden Montagearbeitsplatzes soll im Rahmen des Forschungsprojekts "KOMERO - sichere Kollaboration zwischen Mensch und Roboter" ein Arbeitsraum geschaffen werden, in dem die Stärken von Mensch und Industrieroboter aufeinander abgestimmt bzw. genutzt werden. Auf Grundlage eines beispielhaft gewählten kollaborativen Montageplatzes wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Sicherheit des Menschen bei der Interaktion mit dem Roboter untersucht. Es werden Methoden zur Ermittlung von Ansprech- und Nachlaufzeiten sowie zur Analyse der Roboterdynamik erarbeitet und angewendet. Außerdem werden Aspekte zur Sicherheitsbewertung hinsichtlich geltender Normen vorgestellt. Unter anderem erfolgt die Thematisierung von Sicherheitsabständen und zulässigen Robotergeschwindigkeiten. Anhand der Messwerte und der sicherheitstechnischen Betrachtung werden die Grenzen des Montagearbeitsplatzes bei der Mensch-Roboter-Interaktion aufgezeigt und Anpassungsmöglichkeiten vorgestellt. Die ermittelten Messwerte zeigen, dass eine sichere Interaktion zwischen Mensch und Roboter in dem für diese Arbeit zugrunde liegenden Montagearbeitsplatz, nur in ausgewählten Betriebszuständen realisierbar ist. Diese Erkenntnis lässt sich auf ähnliche Montagearbeitsplätze übertragen. In weiterführenden Forschungsansätzen ist zu klären, ob eine Geschwindigkeitsanpassung des verwendeten Roboters oder der Einsatz eines alternativen Robotersystems die sichere Interaktion ermöglicht.
Vergleich von Analysemodellen für Festkörpergelenke bei Längs- und Querkräften. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Anwendung nachgiebiger Mechanismen bietet im Vergleich zu herkömmlichen Mechanismen mit kraft- und formschlüssigen Gelenken zahlreiche Vorteile wie z.B. die Spielfreiheit der Bewegung. Allerdings stellen die Synthese und dazugehörige Dimensionierung von Festkörpergelenken aufgrund einer Vielzahl an zu beachtenden Parametern und Abhängigkeiten weiterhin eine Herausforderung dar. Eine Möglichkeit, mit diesen komplexen Zusammenhängen umzugehen, stellt die Anwendung von Optimierungsverfahren dar. Diese erfordern zeiteffiziente und gleichzeitig genaue Analysemodelle. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher Analysemodelle verglichen, die zur Berechnung der Dehnung von Festkörpergelenken mit Viertel- und Halbkreiskontur bei Längs- und Querkräften geeignet sind. Bei der Untersuchung des Standes der Technik stellt sich heraus, dass keines der bekannten Analysemodelle die Anforderungen einer genauen und gleichzeitig effizienten Analyse erfüllt. Metamodelle, die aus den Ergebnissen bestehender Analysemodelle abgeleitet werden, stellen hierbei eine vielversprechende Alternative dar. Um verschiedene Metamodelle, die in der Arbeit erstellt werden, zu vergleichen, wird zunächst ein 3D-FEM-Modell erarbeitet und eine Netzstudie durchgeführt. Anhand eines Versuchsplans erfolgen die Analysen mit dem FEM-Modell, deren Ergebnisse als Basis für unterschiedliche Metamodelle dienen. Die erstellten Metamodelle werden verglichen und das vielversprechendste dieser näher untersucht. Von den untersuchten Metamodellen weisen die künstlichen neuronalen Netze den geringsten Approximationsfehler auf. Das im Rahmen der Arbeit entstandene Metamodell benötigt zur Analyse eine um ein Vielfaches geringere Rechenzeit im Vergleich zum 3D-FEM-Modell und einem linearen FEM-Balkenmodell. Des Weiteren stellt sich im Vergleich zum FEM-Balkenmodell ein geringerer Modellfehler heraus. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit lassen sich Ansatzpunkte für weiterführende Untersuchungen und Arbeiten ableiten. Dazu gehören z.B. die weitere Reduzierung des Approximationsfehlers und Metamodelle zur Analyse der Dehnung für weitere Kerbgeometrien und weitere Festkörpergelenkeigenschaften.
Characterization of thin flexure hinges for precision applications based on first eigenfrequency. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 15-24
Flexure hinges with small cross-section heights are state of the art in numerous precision engineering applications due to their capability for smooth and repeatable motion. However, the high sensitivity to manufacturing influences represents a challenge. We propose a characterization method for flexure hinges based on the measurement of the free oscillation, to enable the consideration of manufacturing influences in the early stages of the design process. Three semi-circular flexure hinges with different cross-section heights and highly accurate geometry were investigated experimentally to compare them with three theoretical modeling approaches. The results for the three flexure hinge specimens showed small deviations to the predicted values from the models which is in agreement with the results of dimensional measurements. With each modeling approach, a deviation of the minimal notch height from the nominal value can be calculated. This value, in turn, can be used as manufacturing allowance for subsequent manufacturing of compliant mechanisms using the same manufacturing method. An exemplary compliant parallel-crank mechanism proves the applicability of the concept to compliant mechanisms with multiple flexure hinges.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_2
Auswahl robuster Wirkprinzipien auf Basis einer Erweiterung des CPM/PDD-Ansatzes. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (XV, 256 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 36)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Ein wesentlicher Wettbewerbsvorteil eines Unternehmens besteht darin, Produkte zu entwickeln, welche den Anforderungen des Kunden gerecht werden. Zu diesen Anforderungen zählt, dass Produkte während ihrer Nutzung nicht ausfallen. Statistiken zeigen allerdings, dass Ausfälle bei neu entwickelten Produkten trotz der Anwendung von Methoden zur Fehlervermeidung in der Konstruktion zunehmen. Einige Autoren sehen mangelnde Robustheit gegenüber Störgrößen als Hauptursache für die heutigen Ausfälle von Produkten. Autoren aus der Konstruktionswissenschaft geben in diesem Zusammenhang an, dass sich Einflüsse durch Störgrößen am besten mit der Auswahl von Wirkprinzipien vermeiden lassen, die invariant oder innozent gegenüber Störgrößen sind bzw. Störgrößen kompensieren. Die vorliegende Arbeit analysiert zunächst den heutigen Auswahlprozess für Wirkprinzipien. Danach wird das heutige Vorgehen zur methodischen Vermeidung von Ausfällen im Konstruktionsprozess erläutert. Darüber hinaus wird ein Konstruktionsprinzip vorgestellt, das den Einfluss von Störgrößen auf Produkte reduzieren kann. Aufbauend auf den Erkenntnissen entwickelt die vorliegende Arbeit Referenzprozesse zur Ermittlung störgrößenbedingter Fehlerursachen und zur Definition von Vermeidungsmaßnahmen für diese. Die Referenzprozesse basieren auf einer Erweiterung des CPM/PDD-Ansatzes. Aufbauend auf den Referenzprozessen entwickelt die Arbeit eine Methode, die eine Bewertung und Auswahl von Wirkprinzipien in der Konzeptphase nach ihrer Robustheit erlaubt. Es wurde nachgewiesen, dass bereits in der Konzeptphase Informationen vorliegen, die einen Robustheitsvergleich von Wirkprinzipien möglich machen. Ebenfalls wurden Kriterien aufgezeigt, die für einen Robustheitsvergleich von Wirkprinzipien in der Konzeptphase des Konstruktionsprozesses herangezogen werden können. Mit einem Anwendungsbeispiel wurde nachgewiesen, dass die neue Methode in der Lage ist, Wirkprinzipien nach ihren Robustheiten in der Konzeptphase zu bewerten und auszuwählen.
https://doi.org/10.22032/dbt.45602
Untersuchung der Absicherung von Montageprozessen am Beispiel von Produktionsanläufen in der Automobilindustrie. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (XIV, 188 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 35)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Absicherungsmaßnahmen werden im Produktentwicklungsprozess zur Überprüfung bestimmter Eigenschaften und Funktionen eines Konstruktionsstands eingesetzt. So sollen mögliche Abweichungen von den Zielvorgaben frühzeitig erkannt und Erkenntnisse für die weiteren Entwicklungsschritte gewonnen werden. Die Ergebnisse der Absicherung können auch als Indikatoren für die Reife des Produkts, der Fertigungsprozesse oder des Projekts dienen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung eines Vorgehens zur Analyse von Verbesserungspotentialen in der Absicherung. Der Fokus liegt dabei auf der Absicherung der Montage. Das Vorgehen wird anhand einer Fallstudie in der Automobilentwicklung dargestellt. Kern der Untersuchung ist die Identifikation der für die Montage relevanten Produkt- und Prozesseigenschaften und die Analyse spät im Entwicklungsprozess erkannter Zielabweichungen. Diese werden hier als Indikator für Verbesserungspotentiale in der Absicherung verwendet. Für die notwendigen Analyseschritte wurden im Rahmen der Fallstudie sehr große Mengen an Informationen aus der Dokumentation abgeschlossener Produktentwicklungsprojekte verarbeitet. Daher wurde der Einsatz von Text-Mining-Werkzeugen untersucht und in das erarbeitete Vorgehen zur Identifikation von Verbesserungspotentialen integriert.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000681
Entwicklung eines Baukastensystems eines Handlingsystems für die kollaborative Industrierobotik. - Ilmenau. - 114 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) hat in letzten Jahren aufgrund der rasant fortschreitenden Produktionsautomatisierung und einhergehenden Entstehung vieler Schnittstellen zwischen menschlicher Arbeitskraft und Industrierobotern für Unternehmen stark an Bedeutung gewonnen. Eine Marktlücke besteht dabei noch in der sicheren Handhabung großer Werkstücke, wie beispielsweise KFZ-Front- und Heckschürzen. Die Bosch Rexroth AG, die bereits kollaborative Industrieroboter in ihrem Produktportfolio führt, hat daher eine Entwicklung eines Greifers angestoßen, der sich selber sowie das Werkstück während des Handhabungsprozesses gegen Kollisionen mit dem Werker absichert. In dieser wissenschaftlichen Arbeit wird ein Konzept für einen entsprechenden Greifer entwickelt. Dieser soll als Baukastensystem ausgeführt sein, um an verschiedene Werkstückdimensionen und -geometrien anpassbar zu sein. Zu Beginn findet dafür eine Einarbeitung in das Aufgabengebiet mittels Untersuchens normativer Forderungen der MRK statt. Zudem wird eine Markt- und Patentrecherche zu typverwandten Systemen angestellt. Anschließend werden mittels graphischen Forderungsplans gegebene Randbedingungen festgehalten und Ansprüche an den Greifer in einer Anforderungsliste festgehalten. Die anschließende Konzeptionierung teilt sich in Funktionssynthese, Prinzipsynthese sowie Bewertung und Auswahl auf. Die Funktionssynthese dient dem separieren der Gesamtfunktion mit Hilfe einer Funktionsstruktur in Teilfunktionen. In der Prinzipsynthese werden Lösungsprinzipe zur Erfüllung dieser Teilfunktionen aufgestellt und in Kombinationstabellen festgehalten. Die Auswahl der zu bevorzugenden Lösungsprinzipe findet durch das Gegenüberstellen in einer Bewertung statt. Das ausgewählte Gesamtprinzip wird in eine Grobgestaltung überführt sowie deren Umsetzung als Baukastensystem beschrieben. Ergebnis dieser Arbeit ist ein partiell konstruiertes Konzept eines Greiferbaukastensystems, das hohen funktionalen und wirtschaftlichen Ansprüchen genügt. Für dieses sind in Zukunft noch tiefergehende sensortechnische Betrachtungen durchzuführen und die Funktionen anhand eines Prototyps in der Praxis zu evaluieren.