Theses

Auf Festkörpergelenke basierende Mechanismen sind in der Feinwerktechnik weit verbreitet, da sie höchste Reproduzierbarkeit des Bewegungsablaufs bei definierter Steifigkeit ermöglichen. Darüber hinaus arbeiten sie reibungsfrei, verschleiß- und damit kontaminationsfrei und benötigen keine Schmierung. In dieser Arbeit wird die statische Charakterisierung und Optimierung einer gefalteten parallelogramm-Federführung vorgestellt. Der Führungsmechanismus ist so konzipiert, dass er eine präzise lineare Bewegung mit minimalen parasitären Verschiebungsfehlern und hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Störungen ermöglicht. Dieser auf Biegung basierende Mechanismus wird als Führungskomponente der Kibble-Waage eingesetzt und ist für die ideale lineare Bewegung der hängenden Spule verantwortlich. Die statische Charakterisierung umfasst die Analyse der Steifigkeitseigenschaften der Führung, einschließlich der translatorischen und rotatorischen Steifigkeit. Mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells wird das mechanische Verhalten der Führung simuliert, um die Beziehung zwischen den vorliegenden Rotations- und Translationsverschiebungen und den daraus resultierenden Kraft und Momentreaktionen zu bestimmen. Außerdem wird ein Optimierungsansatz angewandt, um die Fähigkeit der idealen linearen Bewegung der Führung zu verbessern. Ziel ist es, bei unveränderter kleiner Steifigkeit in der gewünschten Bewegungsrichtung die Steifigkeit in allen verbleibenden Freiheiten zu maximieren. Mittels eines multikriteriellen Ansatzes wird unter Berücksichtigung konkurrierender Designzielen eine optimale Konfiguration ermittelt. Verschiedene Konstruktionsparameter wie Höhe, Länge und Breite der einzelnen Elemente des Führungsmechanismus gehen als Variablen in den Optimierungsprozess ein. Die Ergebnisse zeigen, dass eine geometrische Optimierung des Mechanismus möglich ist. Der Optimierungsprozess ermöglicht die Identifizierung eines verbesserten geometrischen Designs, das eine Erhöhung des Steifigkeitswerts um 3000% in einer der erforderlichen Richtungen und ähnliche prozentuale Werte in allen anderen verbleibenden Richtungen erreicht, wodurch die lineare Bewegung des Führungsmechanismus verbessert wird.

Nachgiebige Mechanismen mit konzentrierten Nachgiebigkeiten werden in der Feinwerktechnik aufgrund des hoch reproduzierbaren Bewegungsverhaltens, der Spielfreiheit und lediglich innerer Reibung häufig eingesetzt. Die Kinematik der Mechanismen wird durch dünne stoffschlüssige Gelenke definiert, die zudem eine geringe Ausgangssteifigkeit in Arbeitsrichtung ermöglichen. Um die Anforderungen der Anwendungen zu erfüllen, muss die Steifigkeit des Mechanismus weiter reduziert werden. Dies wird erreicht, indem eine Kraft oder ein Moment entgegengesetzt der Rückstellkraft bzw. des Rückstellmoments der Gelenke in das System eingeprägt wird. Der Stand der Technik beschreibt hierfür Lösungen auf der Basis von Massen, Federn oder Permanentmagneten. Um den steigenden Anforderungen in der Feinwerktechnik gerecht zu werden, wurde ein neuartiger monolithischer steifigkeitskompensierender Mechanismus auf Basis einer vorgespannten Feder entwickelt und numerisch untersucht. Die Aufgabe dieser wissenschaftlichen Arbeit war, das Prinzip und das Design des Mechanismus experimentell zu validieren. Dafür wurde ein zuvor konzipierter Versuchsaufbau verwendet. Der Aufbau wurde in Betrieb genommen, die Software für den automatisierten Messablauf entwickelt und die Unsicherheit der Messung bestimmt. Statische Kraft-Weg-Messungen für verschiedene Vorspannpositionen der Feder zeigten, dass das Prinzip des Mechanismus grundsätzlich funktioniert. Die Steifigkeit des gekoppelten Systems, bestehend aus einer Parallelfederführung und dem Kompensationsmechanismus, konnte auf 32,43 % des Ausgangswerts reduziert werden. Eine weitere Verringerung war auf Grund von Fertigungsabweichungen nicht möglich, da das System bei Vorspannung initial ausgelenkt wurde. Zur Bestimmung des Vorspannungswertes für die Nullsteifigkeit wurde die Steifigkeits-Vorspannungs-Kurve linear interpoliert. Bei allen untersuchten Parallelfederführungen liegt die Vorspannung in einem Bereich von 10% unter dem numerisch ermittelten Wert. Dies ist auf Fertigungsabweichungen, insbesondere eine höhere Federrate der Zugfeder, zurückzuführen. In zukünftigen Arbeiten soll das Prinzip und das Design des steifigkeitskompensierenden Mechanismus hinsichtlich der Auswirkungen von Fertigungsabweichungen optimiert werden.

Das neue Design des Mechanismus der Kibble balance am NIST erfordert ein optimiertes Festkörpergelenk, welches minimierte Hysterese-Effekte und Steifigkeit aufweisen soll. Die Rahmenbedingungen sind hierfür eine Axialbelastung von 15 kg bei einer maximalen Auslenkung von ±7˚. Hierfür wird ein zweidimensionales analytisches Modell aus Kombination bisheriger Theorien gebildet, um das Verhalten von Festkörpergelenken zu beschreiben. Dies wird mit einem dreidimensionalen FEA-Modell verglichen, um mögliche Unterschiede festzustellen. Zum Erreichen einer optimalen Geometrie hinsichtlich geringer Steifigkeit und Hysterese, werden hauptsächlich zwei unterschiedliche Geometrien ausgewählt. Diese Kreis- und Ellipsenkontur werden im Hinblick auf das Verhalten beim Variieren von Geometrieparametern untersucht. Als Maß zur Beschreibung des Einflusses werden Sensitivitätsindizes genutzt und anschließend Polynomfunktionen für die Ergebnisgrößen der Steifigkeit und Spannung approximiert. Aus den gebildeten Polynomfunktionen wird anschließend eine optimierte Geometrie für jede Festkörpergelenkkontur ermittelt. Für diese Anwendung wurde im gewählten Parameterbereich eine elliptische Kontur als besser geeignet festgestellt. Diese optimierte Geometrie wird anschließend mit unterschiedlichen Testmassen und variierenden Positionen der Masse weiter untersucht. Zur Bestimmung einer optimierten Geometrie kann grundsätzlich das analytische Modell empfohlen werden, für exakte Resultate des festgestellten Festkörpergelenks sollte allerdings weiterhin das FEA-Modell verwendet werden.

Die Verwendung unterschiedlicher Mess- und Bearbeitungswerkzeuge innerhalb der an der Technischen Universität Ilmenau entwickelten Nanomess-, Nanopositionier- und Nanofabrikationsmaschine macht den Einsatz eines Toolwechselsystems notwendig. Um die räumliche Lage des Toolarbeitspunktes nach dem Wechselvorgang hochreproduzierbar zu definieren, wird eine kinematische Kopplung verwendet. Prinzipbedingt wirkt die Gewichtskraft des Tools der Anordnung der offenen, kraftgepaarten kinematischen Kopplung entgegen, weshalb eine Betriebskraft zum Halten und Vorspannen notwendig ist. Da jede Änderung der elastischen Verformungen an den Koppelpunkten die Reproduzierbarkeit beeinflusst, werden sowohl an die zeitliche, als auch die räumliche Reproduzierbarkeit der Kraftaufbringung höchste Anforderungen gestellt. Ein entwickeltes Berechnungsmodell stellt den Zusammenhang zwischen Betriebskraft und Lage des Toolarbeitspunktes unter Berücksichtigung von elastischen Verformungen und Reibung dar. Auf Grundlage dessen lassen sich konkrete Anforderungen an das Toolwechselsystem ableiten und Lösungsprinzipe entwickeln, die auf der Krafterzeugung durch Federkraft, magnetischer Reluktanzkraft sowie der Gewichtskraft basieren. Mittels einer mehrwertigen Bewertung wurde eine geeignete Prinziplösung ausgewählt, welche die Betriebskraftaufbringung mittels Dauermagneten und drehbaren Flussstücken zum Kurzschließen der Betriebskraft vorsieht. Die Magnetkreise wurden anhand einer magneto-statischer Finite Elemente Analyse hinsichtlich des Arbeitspunktes optimiert. Die konstruktive Umsetzung erfolgte unter Berücksichtigung der Vakuumtauglichkeit mit der Erweiterung einer toolseitig angebrachten Justierung des Toolarbeitspunktes. Die parallele Justierung in x-y-Richtung basiert dabei auf Schraubengetrieben, die Justierung in z-Richtung wird mittels Distanzelementen ausgeführt. Mit dem Einstellen des Luftspaltes über Distanzelemente, wurde weiterhin eine toolseitig angebrachte Justierung der Betriebskraft integriert, sowie ein vakuumtaugliches Antriebskonzept zum vollautomatisierten Kurzschließen der Haltekraft entwickelt. Mit Ableitung eines Technischen Entwurfes wurde die Grundlage für den Bau eines Prototyps geschaffen, anhand dessen eine anschließe Funktionsüberprüfung erfolgen kann.

Diese Arbeit thematisiert die Analyse und die konzeptionelle Weiterentwicklung der konstruktiven Umsetzung eines hochpräzisen elektronischen Autokollimators mit einem großem Bildbereich. Bei der Montage lassen sich die angestrebte Winkelauflösung und die Genauigkeit nur mit großem Aufwand erreichen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Minimierung dieses Aufwands durch eine ausführliche Analyse der vorhandenen konstruktiven Umsetzung und darauf basierend deren konstruktive Verbesserungen. Zur Durchführung der Toleranzanalyse wird der Aufbau des Autokollimators abstrahiert und in Bauteile und Koppelstellen gegliedert. Für diese werden die Toleranzen anhand der nach Stand der Technik zu erreichenden Fertigungstoleranzen sowie Justierauflösungen abgeschätzt. Darauf basierend werden Toleranzketten gebildet, wobei eine Normalverteilung der Toleranzen angenommen wird. Die daraus resultierenden Lageabweichungen der optischen Bauteile werden mit den Vorgaben aus dem Optik-Schema verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Toleranzanforderungen bei nahezu allen Toleranzketten nicht eingehalten werden. Durch eine Betrachtung der Einflussfaktoren auf die Lageabweichungen der optischen Bauteile, werden kritische Punkte in der konstruktiven Umsetzung des Autokollimators identifiziert. Für diese werden allgemeingültige Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Die Konkretisierung der Verbesserungsvorschläge auf zwei der gebildeten Toleranzketten zeigt deren Eignung zur Verbesserung der konstruktiven Umsetzung. Die Lageabweichungen der optischen Bauteile werden so weit reduziert, dass die Toleranzvorgaben aus dem Optik-Schema erfüllt werden. Zur Fortsetzung dieser Arbeit müssen die weiteren Toleranzketten in gleicher Weise betrachtet und untersucht werden. Anschließend sind die konstruktive Umsetzung und die Verifizierung der Funktionsfähigkeit durch den Aufbau und den Test eines Demonstrators vorzunehmen.