Theses

Festköperbasierte Parallelkurbelmechanismen werden häufig in der Feinmechanik eingesetzt. Ihre Fähigkeit, präzise Bewegungen unter dem Einfluss von Umgebungsstörungen zu realisieren, ist jedoch stark von den spezifischen Eigenschaften der verwendeten Festkörpergelenke abhängig. Solche Störungen reichen von statischen Kraftverschiebungen bis hin zu zufälligen dynamischen Erregungen. Um den Effekt dieser Störungen bei der Gestaltung zu berücksichtigen, werden zwei Bewertungsansätze präsentiert. Der erste Ansatz konzentriert sich auf die Bewertung der Steifigkeit des Mechanismus gegenüber parasitären Bewegungen, wobei der Schwerpunkt auf der Minimierung der Steifigkeit in Bewegungsrichtung und der Maximierung der Steifigkeit in den parasitären Richtungen liegt. Der zweite Ansatz beinhaltet eine dynamische Analyse, die die dynamischen Kräfte in der Umgebung und die Antwort des Systems betrachtet. Beide Ansätze werden an einem neu entwickelten Parallelkurbelmechanismus erprobt. Dieser soll als Führungsmechanismus einer elektrostatischen Kraftkompensationswaage verwendet werden. In der Studie werden sowohl für den statischen als auch für den dynamischen Bewertungsansatz Festkörpergelenkgeometrien empfohlen, mit dem Ziel die statischen bzw. dynamischen Eigenschaften der elektrostatischen Kraftkompensationswaage zu verbessern. Für diesen Anwendungsfall erweist sich der dynamische Bewertungsansatz als sinnvoller, da die dynamischen Effekte einen erheblichen Einfluss auf die Messung der Waage haben. Folglich wurde die günstigste Festköpergelenkgeometrie ermittelt. Diese verspricht eine deutliche Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Waage.

Steifigkeitskompensationen finden bereits in der Medizin- und Robotertechnik Verwendung, während sie in der Präzisionsmess- und Positioniertechnik die Miniaturisierung der Antriebsleistung und eine Vergrößerung der nutzbaren Führungsbereiche erlauben. Mittels eines zusätzlichen, passiven Energiespeichers stellen sie eine, der Verformungsenergie entgegengerichtete, Kompensationsenergie bereit. Dadurch werden die Rückstellkräfte von nachgiebigen Mechanismen kompensiert. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Systematik zu entwickeln, welche erlaubt, bereits existierende Linearführungsmechanismen mit einer Freiheit nachträglich mit einer Kompensationseinrichtung auszustatten. Der Fokus liegt dabei auf der Maximierung des Arbeitsbereiches der Führung. Dazu wurde zunächst systematisch der Stand der Technik mittels einer Vergleichstabelle aufbereitet und aktuelle Ansätze zur Konzeption von Steifigkeitskompensation recherchiert. Es stellte sich heraus, dass bisher keine Systematiken zur Konzeption Technischer Prinzipe für Kompensationen existieren. Aufbauend wurden die in der Vergleichstabelle aufgeführten Mechanismen in Form abstrahierter Technischer Prinzipe dargestellt und die Kernelemente identifiziert. Daraus wurde eine Kombinationstabelle entwickelt, mit welcher ein Katalog von 42 Steifigkeitskompensationen abgeleitet wurde. Nach der Analyse dieser konnten Gestaltungsempfehlungen abgeleitet werden, um größtmögliche kompensierte Bereiche zu erreichen. Bis zu 98 % des definierten Führungsbereiches können kompensiert werden. Jene Prinzipe, welche den größten kompensierten Bereich aufwiesen, wurden numerisch optimiert. Folgend wurde eine gewichtete Nutzwertanalyse durchgeführt, um die technische Wertigkeit zu betrachten und ein Rahmenwerk zur Bewertung konzipierter Steifigkeitskompensationen bereitzustellen. Es zeigte sich, dass das Prinzip mit dem größten kompensierten Bereich nicht die beste technische Wertigkeit aufweist. Im Vergleich der händisch entwickelten und der optimierten Kompensationen stellte sich heraus, dass die Optimierten einen kleineren kompensierten Bereich aufweisen. Weitere Forschungsmöglichkeiten bietet die Funktionsintegration, der Einsatz nichtlinearer Energiespeicher und andere Optimierungsprogramme. Eine Synthese mit kontrahierenden Energiespeichern sowie die Betrachtung von Mechanismen zur Vorspannung und Justierung ist interessant.

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.

Mittels kinematischer Kopplungen ist es theoretisch möglich zwei Objekte mit einer hohen Reproduzierbarkeit relativ zueinander zu positionieren. Aus diesem Grund finden sie eine weite Verbreitung in hochpräzisen Anwendungen. An der Technischen Universität Ilmenau sollen diese bei der Entwicklung einer Tool-Wechselschnittstelle für Nanofabrikationsmaschinen eingesetzt werden. Zum Ausgleich von fertigungs- und montagebedingten geometrischen Abweichungen, soll die kinematische Kopplung justierbar ausgeführt werden. Es ist eine unabhängige Justierung der Freiheiten zu realisieren. Die Justierung ist mindestens in den drei translatorischen Freiheiten zu ermöglichen. Zur Erfüllung dieser Anforderung, erfolgt eine kinematische Untersuchung der Kopplungen. Hierzu wird ein Algorithmus entwickelt, der den Zusammenhang zwischen der eingeleiteten Bewegung und der Justierbewegung in Abhängigkeit von der Geometrie der kinematischen Kopplung beschreibt. Untersucht werden sowohl Kelvin- als auch Maxwell-Anordnungen. Bei Anordnungen nach Maxwell werden die Orientierung und die Winkel der V-Nuten zueinander variiert und eine Analyse der Lage des Toolmittelpunkts durchgeführt. Die Berechnungen basieren auf einer analytischen Beschreibung des Gesamtsystems der kinematischen Kopplung unter Berücksichtigung der geometrischen Abhängigkeiten zwischen den V-Nuten. Die Auswertung erfolgt anhand des Verhältnisses der Bewegung in der zu justierenden Freiheit zu den nicht gewünschten parasitären Bewegungen in den verbleibenden Freiheiten. Es zeigt sich, dass eine unabhängige Justierung in x- und y-Richtung in der Koppelebene einer klassischen Maxwell-Anordnung möglich ist, wenn der Toolmittelpunkt direkt über dem Mittelpunkt einer Kugel liegt. Dabei tritt eine vernachlässigbare Rotation des Tools um z auf. Abschließend werden technische Prinzipe für die Funktionsgruppen Antriebsgetriebe, Führung der V-Nuten und Kurzschließen des Kraftkreises entwickelt und zu einem konkretisierten technischen Prinzip zur Realisierung der Justierung in der Koppelebene zusammengefügt. Zusätzlich wird eine Justierung in z-Richtung durch eine Änderung des Abstands der jeweils gegenüberliegenden V-Nut Hälften ermöglicht.

Konventionell genutzte Messsysteme zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von feinen Fasern benötigen einen hohen Präparationsaufwand. Um diesen künftig zu vermeiden, wird an der Technischen Universität in Ilmenau ein neuer automatisierter Prüfstand für feine Fasern entwickelt. Ein Konzept für diesen Prüfstand wurde bereits in einer vorangegangenen Arbeit erstellt. Eine zentrale Einheit des Prüfstandes bildet dabei ein automatisiertes Greifsystem, welches eine möglichst beschädigungsarme Fixierung der Fasern während des Messprozesses realisieren soll. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Eignung des bereits entwickelten nachgiebigen Mechanismus des Greifers, im Hinblick auf den künftigen Prüfstand, getestet. Dazu werden zunächst die noch ausstehenden mechanischen und elektronischen Komponenten konstruiert, gefertigt und montiert. Anschließend wird eine Software zum Ansteuern des Greifers entwickelt, die eine Inbetriebnahme ermöglicht. Der Aufbau des Greifers und die entwickelten Hardware- und Softwarekomponenten sind in den ersten Kapiteln dieser Arbeit dokumentiert. Nach dem Aufbau des Greifers werden seine Eigenschaften in einigen Testreihen untersucht. Zu diesen zählen unter anderem die Bestimmung der Toleranzen der Greifkraft und die Ermittlung der charakteristischen Kennlinien des Greifers. Final wird die Eignung des Greifers in einem Zugversuch mit feinen Fasern überprüft. Durch die Erfahrungen aus dem Aufbau des Greifers und den gewonnenen Erkenntnissen aus den Versuchen, kann zielgerichtet ein Optimierungspotential abgeleitet werden. Gemeinsam mit alternativen Vorschlägen werden diese in einem abschließenden Kapitel festgehalten.

Aufgrund der steigenden Anforderungen bei der Leistungsmessung von Hochleistungslasern (> 100W) müssen erweiterte Messunsicherheiten in der Größenordnung von 0.001 und idealerweise darunter erreicht werden, um die Limitationen des aktuellen Standes der Technik zu überwinden. Eine elektrostatische Kompensationswaage, die auch für die Definition des Kilogramms im Internationalen Einheitensystem (SI) verwendet wird, ist das Messgerät, das dafür eingesetzt werden soll. Die Reflexion und Absorption von Laserlicht liefert aufgrund des Laser-Photonenimpulses eine kleine messbare Kraft. Diese Kraft steht in direktem Zusammenhang mit der Leistung des Lasers. Ziel ist es, die Kraft von einem Laser mit 100kW entsprechend 667[my]N auf einen hochreflektierenden Spiegel zu messen. Es wurde eine theoretische und experimentelle Analyse eines bestehenden Waagenprototyps hinsichtlich Messunsicherheit und praktischer Betriebs-/Handhabungsaspekte durchgeführt. Diese Analyse verdeutlichte den Entwicklungsbedarf einer neuen elektrostatischen Kompensationswaage. Es zeigte sich, dass der Wägemechanismus die wichtigste Komponente für die Lösung des Entwicklungsproblems darstellt. Das gewählte kinematische Prinzip, eine Parallelkurbelschwinge, wurde in eine monolithische Gestalt überführt. Halbkreisförmige Festkörpergelenke mit minimalen Steghöhen von 50[my]m wurden dabei verwendet. Die Steifigkeit lässt sich durch Justage der Masseverteilung im nachgiebigen System reduzieren, um die geforderte Sensitivität in Messrichtung zu garantieren. Sowohl analytische als auch numerische Modellierungstechniken wurden eingesetzt, um die funktionswichtigen Eigenschaften des Mechanismus während des Entwicklungsprozesses zu optimieren. Eine Unsicherheitsanalyse bezüglich der Leistungsfähigkeit des mechanischen Systems wurde durchgeführt und zeigte, dass die erforderliche erweiterte Messunsicherheit 0.001 des gesamten Wägesystems erreichbar ist. Bei der Konstruktion wurde der Schwerpunkt darauf gelegt, die Messfehler in akzeptablem Rahmen zu halten und zugleich ein mechanisch robustes System bereitzustellen, das auch transportfähig ist.

Die vorliegende Arbeit thematisiert Ansätze zur Verbesserung der Funktionsgenauigkeit eines hermetisch gekapselten Präzisionsgerätes mit Feinstellsystem durch Substitution von Energieversorgungsleitungen für das eingesetzte Stellsystem. Hierfür werden zunächst allgemeine Anforderungen in der Präzisionsgerätetechnik gezeigt und eine Struktur eines Stellsystems skizziert. Dadurch wird verdeutlicht, weshalb Stellsysteme den Grad der Genauigkeit eines Präzisionsgerätes determinieren. Darauf aufbauend werden das Energy Harvesting, eine kontaktlose Energieübertragung und das Energiespeichern als mögliche Ansätze für eine Substitution von Versorgungsleitungen erläutert und diskutiert. Infolgedessen zeigt sich, dass ein Energiespeichersystem hierfür am Besten geeignet ist. Es werden thermische, chemische, elektrische, mechanische und elektrochemische Speicherverfahren hinsichtlich ihrer Funktionsweise und ihrer Eignung für einen Einsatz in einem Präzisionsgerät untersucht. Dabei zeigt sich, dass eine grundsätzliche Verwendung nur für eine mechanische Speicherung durch eine Feder, für eine elektrische Speicherung durch (Super-)Kondensatoren oder eine elektrochemische Speicherung durch Akkumulatoren sinnvoll ist. Mit dem Ziel, auftretende Nebeneffekte bei einer Energieein- und ausspeicherung zu erkennen und analytisch zu beschreiben, werden mit Hilfe von Modellen Funktionsgrößen charakterisiert und in einer Modellrechnung einem Vergleich unterzogen. Der Schwerpunkt der untersuchten Nebeneffekte liegt auf der Ermittlung von Wärmequellen, da eine Vielzahl von Einflussgrößen von der Temperatur abhängig sind und eine Wärmeentwicklung innerhalb eines Präzisionsgerätes die Präzision stark beeinflusst. Hierfür werden die Speicherprinzipien durch Ersatzschaltbilder modelliert und mögliche Wärmeentwicklungen durch Verlustleistungen an den entsprechenden Bauelementen dargestellt. Es stellt sich heraus, dass eine Speicherung von Energie durch eine Feder oder einen Akkumulator für eine Langzeitspeicherung am Besten geeignet ist, da die Selbstentladung am Geringsten ist. Aufgrund der hohen Energiedichten ist eine kompakte Bauweise mit einem Akkumulator oder einem Superkondensator möglich. Für Energieauf- und -abgaben in sehr kurzen Zeiträumen ist ein Superkondensator am Effektivsten. Insgesamt ist die Wärmeentwicklung bei einer mechanischen Speicherung mittels Feder am Geringsten. Somit ist die Substitution der Versorgungsleitungen eines in einem Präzisionsgerät eingesetzten Feinstellsystems durch den Einsatz eines Energiespeichersystems prinzipiell realisierbar.

Bei konventionellen kinematischen Kopplungen ist die Reproduzierbarkeit der Lage zweier Kopplungshälften zueinander durch Reibungseffekte limitiert. Um diese zu minimieren wird in dieser Arbeit der Ansatz verfolgt, die V-Nut in Richtung der wirkenden Reibkraft nachgiebig zu gestalten. Dazu wird ein Mechanismus auf Basis konzentrierter Nachgiebigkeiten ausgewählt und weiterentwickelt. Anschließend wird vereinfacht nur eine Hälfte einer V-Nut betrachtet, wobei die spätere kinematische Kopplung aus sechs identischen V-Nut Hälften besteht. Nach einer Analyse der Gleitwege beim Fügevorgang mit Bestimmung der Gleitanteile wurde eine Recherche nach geeigneten Mechanismen über drei Instanzen durchgeführt. Die acht gefundenen und synthetisierten Mechanismen wurden mittels eines rechnergestütztes Optimierungsverfahren hinsichtlich Bauraum, parasitären Bewegungen und Fertigbarkeit durch die Lage der Glieder im Mechanismus optimiert. Anschließend wurde ein Mechanismus über eine gewichtete Nutzwertanalyse zur Konstruktion ausgewählt. Dabei wurde in sechs Kriterien unterschieden, wobei diese aus den vorhin genannten Optimierungsparametern, sowie der Bewegungsrichtung, der Komplexität und einer abgeschätzten Steifigkeit in Z-Richtung bestanden. Während des Konstruktionsprozesses wurden die Verformungen, sowie die Spannungen des Mechanismus in einer FEM-Anwendung analysiert und iterativ eine Polynomkontur 9-ter Ordnung der konzentrierten Nachgiebigkeit erarbeitet. Die parasitären Bewegungen und Verformungen des Mechanismus befinden sich mit dieser Kontur in der Größenordnung von bis zu 2,8 [my]m. Da die Analyseergebnisse der FEM-Simulation die Verformung des Mechanismus unter Last beschreiben, ist eine Aussage zur Reproduzierbarkeit nur bedingt möglich. Unter realen Bedingungen können nicht betrachte Effekte auftreten, weshalb eine experimentelle Untersuchung der Reproduzierbarkeit notwendig ist.

Die Vermessung der Leuchtdichteverteilung von Lichtquellen stellt die Grundlage dar, um Leuchten und leuchtende Baugruppen mit Simulationswerkzeugen zu entwickeln. Die benötigte Präzision der Bewegung zur Messung von Mikro LEDs kann durch existierende Geräte nicht mehr erfüllt werden und erfordert deswegen eine Neukonzeption. In dieser Arbeit wird ein Nahfeldgoniophotometer auf Basis des konstruktiven Entwicklungsprozesses (KEP) entwickelt. Dabei werden Lösungskonzepte ausgearbeitet und bewertet, um zu einer optimalen Lösung zu gelangen.

Diese wissenschaftliche Arbeit dient der Konzeption eines Automaten zur vollständig mannlosen Prüfung optischer Bauelemente in Großserienfertigung nach [DIN10110]. Derzeitige Prüfverfahren umfassen eine händisch-visuelle Inspektion aller gefertigten Bauelemente und genügen dadurch nicht den geforderten Ansprüchen an die Entscheidungssicherheit. Für technisch umgesetzte Prüfverfahren basierend auf Machine-Learning-Systemen liegt der Funktionsnachweis vor, jedoch finden diese noch keinen Einsatz im Serienbetrieb. Die Entwicklung eines Prüfautomaten, der die geforderte Prüfaufgabe unter den gestellten Anforderungen erfüllt, stellt eine Erweiterung des Standes der Technik dar. Basierend auf einem optomechatronischen System zur Erkennung und Messung aller spezifizierten Defekte, welches im Rahmen einer vorangegangenen Arbeit entworfen und erprobt wurde, entsteht mithilfe des Konstruktiven Entwicklungsprozesses ein fertigungstaugliches Konzept des Prüfautomaten. Dieser liefert einen grundlegenden Beitrag für die Überarbeitung der aktuellen Prozesskette optischer Bauteile in Großserienfertigung hinsichtlich Qualitätssicherung sowie intelligenter und schlanker Produktion.

Nachgiebige Mechanismen sind aufgrund ihrer Vorteile in vielen Anwendungsbereichen vertreten. Eine etablierte Methode zur Synthese von nachgiebigen Mechanismen ist die Nutzung von Starrkörpermodellen als Ausgangspunkt. Für Präzisionsanwendungen sind Mechanismen mit parallelkinematischem Aufbau besonders interessant, da Führungsfehler kompensiert werden können. Bei der Auswahl eines Starrkörpermodells, werden Mehrfachdrehgelenke häufig vermieden, da nachgiebige Mehrfachdrehgelenke kaum erforscht sind. Hier liegt ein großes Potential, bisher nicht umsetzbare Starrkörpermodelle in nachgiebige Mechanismen zu überführen. In dieser Bachelorarbeit wird ein neues nachgiebiges Doppeldrehgelenk entwickelt und mittels FEM-Simulationen untersucht. Der Vergleich mit bekannten planaren Doppeldrehgelenken zeigt, dass das neue Gelenk, bei einem ähnlichen Bewegungsbereich, eine höhere Präzision aufweist. Zusätzlich bietet es Vorteile bei der Fertigung. Weiterhin wird die Eignung der Doppeldrehgelenke in einem nachgiebigen XY-Positioniersystem in Form eines parallelkinematischen 12-Drehgelenk-Pantographen beurteilt. Beim zugrundeliegenden Starrkörpermodell ergibt sich eine exakte Ebenengeradführung mittels zweier gestellgelagerter Linearantriebe. Es werden verschiedene Varianten des Mechanismus mit unterschiedlichen Mehrfachdrehgelenken umgesetzt. Das Bewegungsverhalten wird besonders im Bezug auf verschiedene Einflussfaktoren mithilfe von FEM-Simulationen untersucht. Zuletzt wird das Konzept eines Prüfstandes, welcher der Verifikation der Simulationsergebnisse dienen soll, vorgestellt. Im Vergleich zu bekannten nachgiebigen Positioniermechanismen konnte mit Hilfe von umfangreichen FEM-Simulationen gezeigt werden, dass der nachgiebige Aufbau eines 12-Drehgelenk-Pantographen zu einer vergleichbar hohen Koppelverdrehung (± 1,5˚) führt. Hierfür wurden auf theoretischer Ebene mögliche Ursachen identifiziert. Dennoch bietet der vorgestellte Mechanismus aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit Einsatzpotential für Präzisionsanwendungen.

Die Empfindlichkeit von elektromagnetisch kraftkompensierten Wägezellen kann durch die Justierung des relativen Abstands zwischen zwei spezifischen Festkörpergelenken erhöht werden. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Justierung der Festkörpergelenkposition im nachgiebigen Mechanismus ist diese Justiermöglichkeit jedoch noch nicht realisiert. In dieser Masterarbeit wurde ein eine Justiereinrichtung entwickelt. Diese Justiereinrichtung kann in eine EMFC-Wägezelle integriert werden und ermöglicht eine Justierung während des Betriebs der Waage. Zu diesem Zweck wurde im Entwicklungsprozess die Richtlinie VDI 2221 angewendet, um mögliche Konzeptlösungen zu entwickeln. Die geeignetste Option wurde durch eine technisch-ökonomische Analyse ausgewählt. Die technische Realisierung des ausgewählten Lösungskonzepts wurde auf der Grundlage von Designrichtlinien und Modellgleichungen erarbeitet. Die Justiereinrichtung wurde so konzipiert, dass sie unter einer Zugkraft von bis zu 15 N arbeitet. Eine Finite-Elemente-Analyse wurde durchgeführt, um den Funktion der Justiereinrichtung zu bewerten. Diese Analyse demonstriert die Möglichkeit des Gerätes, das Festkörpergelenk in einen Verschiebungsbereich von 6 mm zu verschieben. Die numerische Analyse zeigt eine Winkelauslenkung bis 7.2 arcsec senkrecht zur Drehachse des justierten Gelenks. Basierend auf dem Originalmodell wurden Geometrievariationen bestimmter Komponenten untersucht, um Optimierungsmöglichkeiten zu identifizieren. Es wurde festgestellt, dass die Winkelverzerrung durch einen symmetrischeren Aufbau, insbesondere hinsichtlich der Linearführung, verringert werden kann.

In der Spritzgusstechnik werden linear bewegliche Schieber zur Entformung von Hinterschneidungen und Integration weiterer Funktionsschritte in den Spritzgussprozess eingesetzt. Die Bewegungserzeugung erfolgt nach derzeitigem Stand der Technik durch Hydraulikzylinder. Ziel dieser Arbeit ist es, mit einem elektromechanischen Antrieb eine Alternative zur hydraulischen Betätigung zu entwickeln und damit Innovationen im Bereich der Spritzgusstechnik weiter voran zu treiben. Durch das Aufbringen der auf den Schieber wirkenden Kräfte mit dem elektrischen Antrieb, wird über die Stromaufnahme der Werkzeuginnendruck ermittelt. Dadurch lässt sich ohne zusätzliche Sensorik eine Datenaufzeichnung und Qualitätsüberwachung erreichen, was eine Erweiterung des Stands der Technik darstellt. Um den Antrieb für verschiedene Werkzeuge einsetzen zu können, werden im Rahmen dieser Arbeit zunächst die Anforderungen für einen sinnvollen Anwendungsbereich definiert. Im Zuge des konstruktiven Entwicklungsprozesses wird ein geeignetes Konzept sowie der technische Entwurf des elektromechanischen Antriebs erarbeitet. Durch eine kritische Betrachtung des Ergebnisses werden Erkenntnisse über die Eignung und Grenzen des entwickelten Antriebs gewonnen. Dabei wird ersichtlich, dass die erarbeitete Konstruktion die definierten technischen Festanforderungen des Anwendungsbereichs erfüllt. Allerdings sollte bei einer fortführenden Entwicklung in Betracht gezogen werden, den Anwendungsbereich aufzuteilen da der entwickelte Antrieb für viele Anwendungen überdimensioniert ist.

Zum Zwecke der Erfassung verschiedener mechanischer Eigenschaften von feinen Einzelfasern soll ein Messaufbau verwendet werden, der prinzipiell auf der Basis eines neuartigen Mehrkomponentenkraftmesssystems aufgebaut ist. Um die gesamte Messung mit den hohen Anforderungen an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Fasereinspannung, sowie an Automatisierungsgrad und Durchsatz des gesamten Messsystems realisieren zu können, wird im Rahmen dieser Arbeit ein geeignetes Gerät zur Handhabung der Fasern während des Messprozesses entwickelt. Im Vordergrund stehen hierbei - mit Blick auf die konstruktive Umsetzung - neben der Reduzierung der Flächenpressung auf die Faser durch eine geeignete Einspannmethode auch stark einschränkende Bauraum- und Gewichtsbedingungen für die Gestalt des Greifers. Unter gedanklicher Einbindung der Schnittstellen des Greifersystems in den gesamten Messaufbau wird in der Konzeptphase nach Möglichkeiten gesucht, um die geforderte Funktionalität einfach umsetzen zu können. Hieraus ergibt sich nach einer anschließenden mehrstufigen Bewertung einzelner Prinzipentscheidungen eine Vorzugslösungsvariante, die konstruktiv konkretisiert wird. Diese gewählte Lösung umfasst ein vollautomatisiertes Miniaturgreifersystem mit einer hochreproduzierbaren Kinematik und einen durch die Aktuierung sensitiv variabel einstellbaren Kraftbereich für verschiedene Greifobjektbeschaffenheiten.

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Lösungsmöglichkeiten für die Integration von ultrapräzisen Rotationen in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. Diese sollen Alternativen zu den Konzepten bisheriger Arbeiten darstellen. Die alternativen Lösungsmöglichkeiten sind weiterhin hinsichtlich ihrer Einflussparametern auf bestehende Maschinen zu untersuchen. Nach einer Analyse des Stands der Technik werden Integrationskonzepte, basierend auf drei möglichen Hauptstrukturen, systematisch erarbeitet, variiert und analysiert. Die Hauptstrukturen des Gesamtsystems stellen die Toolrotation, die Objektrotation und die kombinierten Rotation dar. Hierzu werden bestehende Konzepte der Toolrotation von [Wei17] einbezogen. Bei der Variation werden die Anordnungen der Rotationsachsen zueinander sowie im Raum systematisch variiert. Die hierdurch entstehenden Prinzipe werden mittels einer mehrwertigen Bewertung evaluiert. Um die Systematik auch für die generelle Evaluierung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen zu verwenden, sind die Bewertungskriterien allgemeingültig formuliert. Die, für die in Ilmenau entwickelten Maschinen NMM1 und NPMM-200, als zielführend identifizierten Varianten werden einer Bauraumanalyse unterzogen und anschließend in das entsprechende Zielsystem integriert. Dazu werden digitale Demonstrationsmodelle angefertigt, welche die Beziehungen zwischen Maschinen- und Rotationskomponenten darstellen. Mit den Demonstrationsmodellen lassen sich Einflussparameter für die Integration der Prinzipe in die Maschinen untersuchen. Anhand einer Gegenüberstellung der Prinzipe hinsichtlich ihrer Einflussparameter lässt sich feststellen, welche Prinzipe für den Einsatz in der jeweiligen Maschine geeignet sind. Für die NMM1 wird eines dieser Prinzipe konstruktiv detailliert. Das ausgewählte Prinzip besitzt einen Rotationstisch, welcher das zu vermessende Objekt um die z-Achse dreht, und ein Goniometer, das das Tool zur z-Achse neigt. Somit lässt sich eine vollständige Hemisphäre normal zur Oberfläche adressieren. Ein wichtiger Aspekt für eine nanometergenaue Positionierung ist die Bestimmung von Positionsabweichungen der Systeme. Dafür wird im Rahmen der Konstruktion ein Konzept erarbeitet, welches In-situ-Messungen translatorischer und rotatorischer Abweichungen ermöglicht. Erkenntnisse dieser Arbeit werden zu allgemeinen Konstruktionsrichtlinien überführt, die eine Grundlage für weitere Arbeiten darstellen.

Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken bestimmen die Leistungsfähigkeit von vielen Präzisionsgeräten in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Die präzise Modellierung der mechanischen Eigenschaften ist dabei eine entscheidende Grundlage für die Verbesserung deren Leistungsfähigkeit. Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit trägt zur experimentellen Verifikation verschiedener mechanischer Modelle dünner Festkörpergelenke mit Halbkreiskontur bei. Zu diesem Zweck wurde ein experimenteller Aufbau für die präzise Lasteinleitung auf das Festkörpergelenk entworfen und eingerichtet. Das Gerät ist zur präzisen Bestimmung der Drehsteifigkeit dünner Festkörpergelenke in ihrem elastischen Bereich mit einer minimalen Kerbenhöhe von 50, 75 und 100 Mikrometer bestimmt, kann aber darüber hinaus auch zur hochgenauen Lastaufbringung für weitere Anwendungen eingesetzt werden. Es wurden zwei Sätze von Gelenken analysiert, die in verschiedenen Firmen durch Drahterodieren hergestellt wurden. Obwohl beide Gruppen mit den gleichen geometrischen Abmessungen gefertigt wurden ergaben sich große Steifigkeitsabweichungen. Es zeigte sich, dass die Herstellung einen großen Einfluss auf die Steifigkeit der Gelenke hat, da sie die resultierende Geometrie im mikroskopischen Maßstab beeinflusst. Die zu erwartende thermische Beeinflussung und Gefügeänderung des Werkstoffes bleiben zunächtst unberücksichtigt. Die experimentellen Ergebnisse sind für einen Festkörpergelenksatz in guter Übereinstimmung mit den Berechnungen unter Nutzung der Finite Elemente Methode. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um diese Tendenz zu bestätigen. Damit wäre ein solider Nachweis gegeben, dass die existierenden analytischen Ansätze zur Berechnung der Steifigkeit für den betrachteten Dickenbereich der Gelenke nicht mehr zutreffend sind.

Zur systematischen Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von feinen Einzelfasern einer vorgegebenen Länge werden Versuche durchgeführt. Die bekannten und kommerziell erhältlichen Systeme, welche in ihrer Funktion vorgestellt werden, werden den gesteigerten Anforderungen nicht mehr gerecht. Ein besonderes Problem stellt die Festhaltung der Fasern dar. Es werden daher mögliche Prinzipe einer vorschädigungsfreien Festhaltung erarbeitet und hinsichtlich ihrer Tauglichkeit bewertet. Ein weiterer Fokus liegt auf der Möglichkeit, durch kurze Ein- und Ausspannzeiten, einen Testbetrieb mit gegenüber derzeitigen Systemen gesteigertem Durchsatz zu erreichen. Weitere wesentliche Forderungen sind eine definierte und reproduzierbare Einspannlänge sowie eine möglichst geringe Beeinflussung der Messung durch die Eigensteifigkeit der Festhaltung. Zur Bestimmung der Interaktion der Fasern mit einer mechanisch-steifen Klemmung werden Versuche mit verschiedene Geometrien durchgeführt und ausgewertet.

Um eine weitgehend uneingeschränkte Zugänglichkeit von Geometrieelementen komplexer Bauteile zu ermöglichen, ist eine Erweiterung der an der Technischen Universität Ilmenau entwickelten kartesischen Nanopositionier- und Nanomessmaschine um ein Rotationssystem notwendig. Dazu wird zunächst eine Übersicht über die am Markt verfügbaren und potentiell geeigneten Rotationseinheiten gegeben und deren technischen Eigenschaften ausgewertet. Nachfolgend werden Kinematikvarianten für die Rotation des Tastsystems entwickelt und anhand einer mehrwertigen Bewertung die optimalen Lösungsansätze ermittelt. Dabei wird eine Unterscheidung zwischen Lösungen für eine Rotation in einer Ebene und einer Rotation in zwei Ebenen vorgenommen. Anschließend werden die ausgewählten Lösungsvarianten mit am Markt verfügbaren Rotationeinheiten entsprechend des Bauraums der NMM1 näher konkretisiert und CAD Modelle erstellt. Bei der Konkretisierung stellt sich die Kombination aus einem Rotationstisch und einem Goniometer als zielführend heraus, da damit nahezu eine gesamte Hemisphäre normal zur Oberfläche adressiert werden kann. Für die ausgewählte Variante wird eine Unsicherheitsbetrachtung nach der technischen Regel GUM durchgeführt. Diese wird zunächst für einen konservativen Fall durchgeführt, bei welchem die angenommenen Abweichungen den Datenblattwerten der Hersteller entsprechen. Nachfolgend werden die Abweichungswerte in den Berechnungen angepasst und um die Faktoren fünf und zehn geringer angenommen. Unter dieser Annahme wird eine 3-D-Positionierunsicherheit des Rotationssystems von 280 nm beziehungsweise 160 nm in eine Koordinatenrichtung errechnet, mit der ein Einsatz grundsätzlich erfolgversprechend erscheint. Die erlangten Ergebnisse werden schließlich in Form von Konstruktionsrichtlinien zusammengefasst, die für weitere Entwicklungen als Basis dienen können. In nachfolgenden Arbeiten ist eine detaillierte Konstruktion des Rotationssystems unter Einbeziehung konkreter Tast- und Bearbeitungssystemen anzustreben. Alternative Aufbauvarianten unter Nutzung der Rotation des Objekts sind vergleichend zu evaluieren.

Zur spektralen Analyse eines lichtemittierenden Substrates während des Beschichtungsprozesses von Terbium (Tb)-dotierten Dünnfilmen durch RF Magnetronsputtern wird ein optomechanisches Gerät entwickelt, konstruiert und getestet. Das Gerät soll räumliche Scans der Substratoberfläche und dem, sich darunter befindenden, Plasma ermöglichen. Räumliche Verteilungen der Emissionsintensität sollen dadurch messbar- und das Tb-Spektrum von dem plasmaüberlagerten Substratspektrum trennbar gemacht werden. Nach einer Einführung in die theoretischen- und praktischen Rahmenbedingungen erfolgt die Präzisierung der Aufgabenstellung und eine kurze Recherche zu bereits vorhandenen Lösungen von ähnlichen Problemen. Ein Prototyp wird vorgestellt und geprüft. Nach der Diskussion und Evaluierung von Teillösungen wird ein optomechanisches System entwickelt, konstruiert, analysiert und mit dem Prototyp verglichen.

Das Kilogramm ist die letzte SI-Basiseinheit, die durch ein Artefakt definiert ist. Da Artefakte nicht langzeitstabil sind, werden Möglichkeiten untersucht das Kilogramm neu zu definieren. Um dies erreichen zu können, müssen bestehende Systeme zur Massebestimmung verbessert werden. Ein Ansatz hierfür besteht darin die Gesamtsteifigkeit von monolithisch gefertigten Wägezellen in Vakuummassekomparatoren durch eine Verschiebung der Schwerpunkthöhen zu minimieren. Die Entwicklung der dazu notwendigen hoch reproduzierbaren Justierung ist das Ziel dieser Arbeit. Das System soll innerhalb der Vakuumkammer automatisch und ohne weitere Zuleitung in die Vakuumkammer arbeiten. Im Rahmen der Arbeit werden verschiedene physikalische Aktorprinzipien in Verbindung mit deren Energieversorgung und Steuerung behandelt. Darauf aufbauend werden Technische Prinzipe ausgearbeitet. Nach einer Auswahl mit Hilfe einer gewichteten Bewertung, Simulationen und Vorversuchen wird ein geeignetes Technisches Prinzip auf Basis von Formgedächtnislegierungen theoretisch beschrieben. Zur experimentellen Untersuchung wird ein Versuchsstand konstruiert und aufgebaut. Als eines der Ergebnisse der Arbeit werden im Rahmen der Versuche fundierte Kenntnisse über das Verhalten von Formgedächtnisdrähten in einem Agonist-Antagonist-Aufbau dokumentiert. Die Ergebnisse ermöglichen Aussagen über die Gültigkeit des theoretischen Modells und die Eignung des Aktorkonzeptes für die Justieraufgabe.

Nachgiebige Mechanismen besitzen eine Vielzahl an positiven Eigenschaften. Dies macht sie besonders interessant für Anwendungen in der Präzisionstechnik, aber auch für die Robotik, Mikroelektronik und Medizintechnik sowie für die Anwendung im Vakuum. Zur Synthese nachgiebiger Mechanismen mit konzentrierter Nachgiebigkeit existieren verschiedene Methoden. Eine Methode beruht darauf, Analogien bezüglich Starrkörpermechanismen zu verwenden. Dabei werden die Gelenke des Starrkörpermechanismus durch Festkörpergelenke ersetzt. Im Vergleich zu dem Starrkörpermechanismus kommt es aufgrund der Eigenschaften der Festkörpergelenke zu Abweichungen im Bewegungsverhalten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Synthese eines monolithischen nachgiebigen Koppelmechanismus, der als Basis eines hochpräzisen rotatorischen Positioniersystems mit zwei rotatorischen Freiheiten dienen soll. Es ist eine unabhängige Positionierung eines Abtriebsgliedes in beiden Freiheiten zu realisieren. Innerhalb des zu realisierenden Bewegungsbereichs von ±2˚ soll eine reproduzierbare Schrittweite von 10" ermöglicht werden. Zugleich soll die maximale Drehachsenverlagerung 100 [my]m nicht überschreiten. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine zweiteilige Studie angefertigt, die geeignete Starrkörpermechanismen aufzeigt, bei denen die Drehachsenverlagerung minimal ist. Dabei befasst sich der erste Teil mit einer längenbasierten und anschließend einer winkelbasierten Skalierung mehrgliedriger Mechanismen. Im zweiten Teil werden für geeignete viergliedrige Mechanismen mehrere Variantenstudien durchgeführt. Im Rahmen dieser Studie entstehen neun Starrkörpermechanismen zur Realisierung der geforderten Bewegung. Im Hinblick auf eine minimale Drehachsenverlagerung stellen sich hierbei zwei viergliedrige Mechanismen als besonders geeignet heraus. Diese werden unter Variation der Gelenkorientierung der Koppelgelenke jeweils in zwei nachgiebige Mechanismen überführt. Zur Umsetzung der Gelenkbereiche werden Polynomkonturen sechster Ordnung verwendet. Diese erlauben im Vergleich zu anderen Gelenkkonturen eine niedrigere Drehachsenverlagerung bei zugleich niedrigerer Dehnung der Gelenkbereiche. Anschließend erfolgt eine simulative Untersuchung des Bewegungsverhaltens und der Drehachsenverlagerung mittels FEM-Simulation. Es wird der nachgiebige Mechanismus mit der geringsten Drehachsenverlagerung, 15 [my]m, als Positioniersystem umgesetzt. Den Abschluss der Arbeit stellt die Integration des konstruierten Positioniersystems in das bestehende translatorische Positioniersystem dar.

In Kaffeevollautomaten muss Wasser in flüssigem und gasförmigem Zustand zuverlässig auf verschiedene Fluidwege geleitet werden. Zur Schaltung dieser Fluidwege dient ein Mehrwegeventil. Aufgabe der Arbeit ist die Erweiterung des bestehenden Konzepts einer neuen Variante eines derartigen Ventils. Dieses soll durch die Verwendung eines veränderten Dichtkonzepts eine höhere Robustheit und durch zusätzliche Fluidwege erweiterte Funktionen gegenüber dem Vorgänger aufweisen. Ziel der Arbeit ist es insbesondere, die Robustheit des Ventilkonzepts durch Einbeziehen bisheriger Erkenntnisse aus der Erprobung des Vorgängerventils noch weiter zu erhöhen. Hierzu wird zunächst das neue Dichtkonzept untersucht. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf den Einbauräumen der Dichtungen im Ventil. Für diese wird eine Toleranzanalyse unter Einbeziehung thermischer Veränderungen durchgeführt. Daneben werden Konzepte zur Lösung bekannter Probleme des bisherigen Ventils erstellt. Das betrifft die Schwergängigkeit dieses Ventils, für welche die hohe Reibung zwischen Dichtelementen und relativ dazu bewegten Bauteilen verantwortlich gemacht wird. Hier wird zunächst eine Analyse des Problems durchgeführt. Daraufhin werden Lösungsansätze gesammelt, die nach einer Vorauswahl konkretisiert und anschließend bewertet werden. Ein weiteres Problem resultiert aus der direkten Kopplung des Ventilantriebs an den Antrieb einer anderen Baugruppe. Es besteht darin, dass derzeit Ventilausgänge ohne Notwendigkeit geöffnet werden, wodurch teilweise unerwünschte Effekte auftreten. Hier wird nach der bereits beschriebenen Vorgehensweise nach konstruktiven Möglichkeiten gesucht, das Ventil zeitweise von seinem Antrieb zu entkoppeln. Zuletzt werden Lösungsansätze für das unbeabsichtigte Einsaugen von Milch durch den Milchschäumer gesammelt. Dieses Problem wird durch das Kollabieren abkühlenden Dampfes in den internen Fluidwegen des Kaffeevollautomaten verursacht, wodurch ein Unterdruck entsteht. Hierfür werden Möglichkeiten betrachtet, dies durch Veränderungen am Ventil zu verhindern. Die Ergebnisse der Arbeit bestehen in einer genaueren Analyse des Dichtungseinbauraumes sowie einer großen Zahl an bewerteten, theoretischen Lösungsansätzen für bekannte Probleme des Vorgängerventils. Die Detaillierung dieser Konzepte sowie die endgültige Konstruktion des neuen Ventils stehen noch aus. Auch die Praxistauglichkeit dieser theoretischen Lösungen muss im Weiteren empirisch belegt werden.

Diese wissenschaftliche Arbeit dient der systematischen Konzipierung einer integrierte Messeinrichtung zur berührungslosen Scheitelmessung von optischen Elementen. Hierfür wird eine allgemeingültige Funktionsstruktur des zu entwickelnden technischen Produktes abgeleitet und darauf aufbauend ein Lösungsprinzip für die Messaufgabe konkretisiert. Dieses stellt die Grundlage für die Erarbeitung funktionsfähiger Lösungskonzepte dar. Widerspruchsfreie Kombinationen der Gestaltungsvariationen spannen ein breites Feld potenzieller Lösungen auf, das mithilfe geeigneter Annahmen zielstrebig eingeschränkt wird. Anhand von Kriterien aus den Anforderungen an die Messeinrichtung erfolgt die Bewertung und Auswahl des favorisierten Lösungskonzepts. Insbesondere wird hierbei auf eine fehlerarme Anordnung geachtet. Das ausgewählte Lösungskonzept stellt die Basis für die weiteren Schritte des konstruktiven Entwicklungsprozesses dar.

Um funktionsrelevante Bauteile in Maschinen vor Beschädigungen bei Transport oder Erdbeben zu schützen, müssen hochentwickelte Endlagendämpfer vorgesehen werden. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Endlagendämpfers, der die Bewegung schwerer Massen innerhalb sehr kleiner Wege stoppt. Dazu werden zunächst die werkstoffwissenschaftlichen Grundlagen des Materials erörtert. Anschließend werden Materialversuche vorgestellt, die für eine genaue Beschreibung des Materialverhaltens und die Auslegung eines Endlagendämpfers notwendig sind. Nachfolgend werden verschiedene konstruktive Lösungsprinzipien für Endlagendämpfer erarbeitet und das optimale Prinzip entsprechend zuvor definierter Kriterien ausgewählt. Für die Auslegung des Endlagendämpfers wird anhand von Literaturwerten und den durchgeführten Versuchen zunächst ein Berechnungsmodell entwickelt, das das Materialverhalten wiedergibt. Die folgende Berechnung und Optimierung des Endlagendämpfers erfolgt unter Betrachtung der Steifigkeit als auch der Dämpfung. Diese Optimierung erfolgt für mehrere Parameter unter der Zuhilfenahme der Software "Matlab". Die gefundene Lösung wird in einem konzeptionellen Entwurf weiter präzisiert, dabei wird der Fokus auf Funktions- und Koppelstellen gelegt. Anhand einer Risikoanalyse wird der Einsatz im finalen Produkt bewertet und die Verwendung weiterer, potentiell geeigneter Materialien diskutiert. Daraus folgt, dass dem ausgewählten Material eine gute Eignung für die Verwendung in einem Endlagendämpfer zugeschrieben werden kann.

Der Prozess der Herstellung von Computer Chips in elektronischen Geräten ist sehr komplex. Der entscheidende Abschnitt in diesem Prozess ist dabei die Fotolithographie. Ein Lithographiesystem enthält ein bestimmtes Bauteil, das wichtig für die Präzision der Belichtung des Wafers ist. Auf diesem Teil befinden sich keramische Elemente mit Abmessungen im Mikrometerbereich. Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, die Steifigkeit dieser keramischen Elemente experimentell zu untersuchen. Diese Steifigkeit ist ein Eingangsparameter für FEM Modelle, die zur Optimierung der Belichtung der Lithographiesysteme entwickelt werden. Die Herausforderung dieser Aufgabe liegt in der Messung von Verformungen im Nanometerbereich. Um eine geeignete Messmethode auswählen zu können, werden als erstes Grundlagen erarbeitet. Informationen über infrage kommende Messsysteme werden gesammelt und anschließend systematisch verglichen. In dieser Abschlussarbeit werden zwei verschiedene Methoden zur Untersuchung der Steifigkeit der keramischen Elemente angewendet: Die computerbasierte Auswertung von maschineninternen Messungen und die Messung von einzelnen Steifigkeiten in einem Messaufbau. Das Messprinzip des Messaufbaus wird erklärt und die Messergebnisse werden präsentiert. Die Verlässlichkeit der Ergebnisse wird untersucht und Empfehlungen für mögliche zukünftige Projekte zu diesem Thema werden gegeben.

Die additive Fertigung und im Speziellen das Direkte-Metall-Laser-Sintern (DMLS) gibt dem Nutzer eine große Designfreiheit bei der Konstruktion von Bauteilen in der Schmuckbranche und in der medizinischen Implantattechnik. DMLS ermöglicht die Herstellung individuell angepasster Werkstücke innerhalb kürzester Zeit. Obwohl der eigentliche Prozess des Lasersinterns automatisch abläuft, sind zur Fertigstellung des Produkts jedoch manuelle Eingriffe des Bedieners notwendig. Vor allem das Auspacken und Säubern der Teile erfolgt bisher hauptsächlich manuell. Da die Teile beim DMLS Schicht für Schicht aus einem metallischen Pulverwerkstoff aufgebaut werden, sammelt sich ungenutztes Pulver in und auf den Bauteilen an. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, ein neuartiges Modul zu entwickeln, welches das ungenutzte Pulver mit maximalem Automatisierungsgrad von den Bauteilen entfernt und für die Weiterverarbeitung bereitstellt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde der Stand der Technik hinsichtlich geeigneter Reinigungsverfahren untersucht und eine Bewertung gefundener Verfahren durchgeführt. Weiterhin wurden Versuche geplant und Versuchsstände konzipiert. Die vier vielversprechendsten Reinigungsverfahren wurden experimentell auf ihre Wirksamkeit untersucht. Dies geschah durch die Analyse und den Vergleich des relativen Massenverlustes ausgewählter Proben. Zudem wurden die Resultate der jeweiligen Reinigungsverfahren unter dem Lichtmikroskop untersucht. Dabei wurde die Vibrationsreinigung mit Druckluft-Kugelvibratoren unter technisch wirtschaftlichen Gesichtspunkten als effektivste Reinigungsmethode bestimmt. Des Weiteren wurde das Restpulverentfernungsmodul mit Druckluft Kugelvibratoren konzipiert. Hierfür wurden mittels einer Gesamtfunktion, Verfahrens- und Funktionsstruktur und unter Zuhilfenahme einer Morphologischen Matrix, drei Technische Prinzipe entwickelt und bewertet. Das Ergebnis des Entwicklungsprozesses und der Abschluss der Bachelorarbeit ist das konkretisierte Technische Prinzip des Restpulverentfernungsmoduls, welches die geforderten Ansprüche bestmöglich erfüllt.

Im modernen Präzisionsmaschinenbau werden Gestelle aus hydraulisch gebundenem Beton als Alternative zu Natursteinkomponenten verwendet. Diese sind auf Grund einer hohen geforderten Abstützmasse zur Verbesserung der Schwingungseigenschaften grundsätzlich überdimensioniert. Im Gegensatz hierzu stehen bewegte Bauteile, die auf Grund der geforderten Dynamik maximal beansprucht werden. Nach heutigem Stand der Technik werden diese Komponenten in Leichtbauweise aus Metall, Keramik oder Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Aufgrund der mit Aluminium oder Stahl vergleichbaren spezifischen Steifigkeit lassen sich auch Leichtbaukomponenten für dynamische Anwendungen aus Beton herstellen. Aus den im Bauwesen standardisierten Druckschwingversuchen mit in Längsrichtung verspannten Betonzylindern lassen sich keine verwertbaren Aussagen über die Betriebsfestigkeit entsprechender Bauteile ableiten. Die komplexen Beanspruchungen der filigranen Strukturen erfordern eine Bauteilprüfung unter realitätsnahen Lasten. Im Technischen Versuch gibt es eine Vielzahl an verwendbaren Prüfmaschinen. Die Anschaffungskosten flexibler Prüfmaschinen sind jedoch sehr hoch. Da sich der Zeitraum der geplanten Versuche über mehrere Jahre erstreckt und die Geometrie der Prüfkörper fest steht, soll eine Spezialprüfmaschine für die Bestimmung der Betriebsfestigkeit entwickelt werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Spezialprüfmaschine für die dynamische Prüfung von Betonleichtbauteilen mit Abmessungen unter 1 m konzipiert. Zur Bestimmung der Anforderungen an die Prüfmaschine wurden die mechanischen Eigenschaften des Prüfkörpers mit Hilfe der FE Methode simuliert. Die ermittelten Verformungen, Bruchgrenzen und Eigenfrequenzen dienen zur Auslegung der Antriebe sowie der Dimensionierung von Maschinenkomponenten. Es werden verschiedene Maschinen- und Antriebskonzepte entwickelt. Für ausgewählte Antriebsvarianten werden die notwendigen Komponenten zur oszillierenden Kraft- und Wegerzeugung ausgewählt und anhand von technischen und wirtschaftlichen Kriterien miteinander verglichen. Für das favorisierte Maschinenkonzept werden die Anforderungen an die Koppelstellen zum Prüfkörper definiert und die mechanischen Komponenten in dauerfester Dimensionierung entwickelt. Abschließend wurden alle nötigen Fertigungs- bzw. Bestellunterlagen zur Herstellung der Eigenfertigungsteile und Realisierung der Koppelstellen erstellt.

Das Kilogramm ist die bis heute einzige Basis-SI-Einheit, die auf ein Artefakt zurückzuführen ist. Artefakte sind nicht langzeitstabil, daher ist es unerlässlich eine Neudefinition des Kilogramms zu erreichen. In der vorliegenden Arbeit werden die Schwächen von Lastaufnahmesystemen in Massekomparatoren aufgezeigt und Verbesserungsmöglichkeiten beschrieben. Um das Kilogramm besser darstellen zu können, muss die relative Standartabweichung beim Vergleich von Massenormalen, wie zum Beispiel einer 1kg-Siliziumkugel, verringert werden. Dazu bedarf es einer Funktionstrennung von Lastaufnahmesystem und Positionssicherung, um die Massenormalen nicht durch zu hohe Hertzsche Pressung zu beschädigen und gleichzeitig optimal zu positionieren. Es wurden verschiedene Technische Prinzipe ausgearbeitet und bewertet. Die Auswahl des Prinzips mit der besten Bewertung wurde mit einer Kombination der vorher aufgezeigten Verbesserungsmöglichkeiten ausgestattet. Die konstruktive Umsetzung wurde nach den Methoden der Feinwerktechnik erarbeitet und dabei auf eine hochvakuumgerechte, nicht ferromagnetische Konstruktion geachtet. Um Reibung und Abweichungen in der Präzision zu minimieren wurden verschiedene konstruktive Möglichkeiten von Doppelparallelfederführungen behandelt. Dabei wird eine monolithische Variante numerisch Untersucht, um die Funktion der Festkörpergelenke der Doppelparallelfederführung zu gewährleisten. Die Ergebnisse der Arbeit sind abgeleitete Konstruktionsrichtlinien für die Entwicklung Lastaufnahmesysteme und die Beschreibung eines Versuchsaufbaus. Anhand dessen können experimentelle Untersuchungen angestellt werden um detaillierte Erkenntnisse über die Verbesserung des Lastaufnahmesystems zu erhalten.

Zur Prüfung der Lage von Komponenten in der Optikmontage werden fokussierbare Autokollimationsfernrohre verwendet. Mit solchen ist es möglich, sowohl die Ausrichtung (Richtungsmessung), als auch die laterale Position (Fluchtungsmessung) von Messobjekten zu ermitteln. Die gleichzeitige Messung von Fluchtung und Richtung ist bei den bisher verwendeten Autokollimationsfernrohren nicht möglich, was gewisse Justierprozesse erschwert. Ziel der Bachelorarbeit war die Entwicklung eines Gerätes, das die simultane Messung von Fluchtung und Richtung einer spiegelnden Zielmarke erlaubt. Der Aufbau der Arbeit orientiert sich an den entwicklungsmethodischen Grundsätzen des Konstruktiven Entwickungsprozesses (KEP), entsprechend der "Ilmenauer Schule". Der Einführung und der Präzisierung der Aufgabenstellung folgt die Funktions- und Prinzipsynthese, die den Hauptteil der Arbeit darstellt. In dieser werden Lösungen für optische und mechanische Teilfunktionen erstellt, kombiniert und bewertet. Das Ergebnis der Bewertung ist ein optisches Gesamtprinzip, dessen Funktionsfähigkeit mit Versuchsaufbauten nachgewiesen wird. Es folgen abbildungsoptische Berechnungsgrundlagen und Fehlerrechnungsgleichungen für das gewählte optische Prinzip, sowie eine Diskussion und Klassifizierung möglicher Fehlerursachen. Zusammenfassung und Ausblick schließen die Arbeit ab. Mit der Bachelorarbeit werden notwendige Voraussetzungen für die Festlegung der optischen Parameter und die mechanische Konstruktion des Messgerätes geschaffen.

Durch die steigenden Anforderungen an die Unsicherheit in der Drehmomentmessung in Wissenschaft, Forschung und Technik und insbesondere in der Feinmechanik, entstand die Notwendigkeit, eine neue Drehmoment-Normalmesseinrichtung zur präzisen Drehmomentmessung zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption und Umsetzung eines Gegendrehmomentgeräts, das in einer neuen Drehmoment-Normalmesseinrichtung auf Basis bewegter Massen verwendet wird, welche aktuell im Fachgebiet Feinwerktechnik der TU Ilmenau entwickelt wird. Diese Drehmoment-Normalmesseinrichtung hat einen Messbereich von 1 mNm bis 1 Nm und soll eine kleinere relative Unsicherheit Ur ≤ 1x10-5 (k = 2) erreichen. Zu Beginn des in der Arbeit gezeigten Entwicklungsprozesses des Gegendrehmomentgerätes, werden die Grundlagen und der Stand der Technik gezeigt. Nach spezifischen Anforderungen in einer Anforderungsliste, werden verschiedene mögliche Lösungen auf Basis von physikalischen und technischen Grundlagen entwickelt und bewertet. Aus dieser Bewertung wird die optimale Lösung ausgewählt, umgesetzt und überprüft.

Heute besteht eine zunehmende Nachfrage nach Kleinstdrehmomenten in verschiedenen Bereichen wie zum Beispiel: bei kleinsten Schrauben, Mikrogetrieben, Mikrowerkzeugen, Zahnimplantaten, Implantatschrauben aus Knochenmaterial. Dieser Bereich der Feinwerktechnik beschäftigt sich mit sehr kleinen und präzisen Produkten. Auch bei Kleinstdrehmomenten ist es wichtig zu wissen, mit welchem Drehmoment eine Verschraubung festgezogen wurde [1]. Die bestehende Drehmoment-Normalmesseinrichtungen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) nutzen ein Hebelarm-Masse-System auf Basis des Dead Weight Principle und erzeugen Drehmomente von 1 mNm bis 1Nm mit einer relativen Messunsicherheit von Ur ≤ 1x10-4 (k = 2) [2]. Und Ziel dieser Arbeit ist es, einen Versuchsaufbau zu konzipieren, der zur Realisierung der Drehmomenten auf Basis bewegter Massen nach dem Jockey-Weight-Principle und mit einer kleineren relativen Messunsicherheit Ur ≤ 1x10-5 (k = 2) begrenzt wird, um kleine Drehmomentaufnehmer zu kalibrieren. Die Grundlagen und der Stand der Technik werden zu Beginn dieser Arbeit gezeigt. Nachdem die spezifischen Anforderungen in einer Anforderungsliste erstellt worden sind, werden die Prinzipe dargestellt und bewertet. Schlagwörter: kleines Drehmoment, relative Messunsicherheit, Drehmoment-Normalmesseinrichtungen

Eine häufige Aufgabe im Rahmen der Prozessüberwachung von Serienteilen in der Automobilindustrie ist die Prüfung von Bohrungsmerkmalen wie Bohrungsdurchmesser und Bohrungslage. Für diesen Zweck setzt man meist Mehrstellenmessvorrichtungen ein. Ein einmal festgelegtes Prüfkonzept kann hierbei aber nur mit großem Aufwand an geänderte Messaufgaben angepasst werden. Dieses Problem zu minimieren ist Ziel dieser Bachelorarbeit. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Messkopfs zur simultanen Überprüfung von Abweichungen des Ist- vom Soll-Durchmesser und der Ist- von der Soll-Lage bei Zylinderbohrungen mittels taktiler Messung. Für eine universelle Verwendung ist der Einsatz des Messkopfs für die Prüfung von Zylinderbohrungen für einen Durchmesserbereich von 6 bis 90 mm vorzusehen. Weiterhin soll eine Kontrolle der Bohrung auf Rundheitsabweichungen optional möglich sein.

In der folgenden Arbeit wird auf die Grundfunktion eines Phasenautofokus-Moduls einer digitalen Mittelformatkamera eingegangen. Dabei werden die essentiellen Elemente der algorithmischen Auswertung beschrieben. Die Betrachtung des Modells einer idealen Kante liefert Aufschluss über die Messfehler, die aus der algorithmischen Auswertung resultieren. In diesem Zusammenhang wird auf die signaltheoretischen Hintergründe der Abtastung und der Rekonstruktion von Bildsignalen eingegangen. Anhand synthetischer Flächenbilder, die auf der Basis des optischen Modells des Moduls berechnet wurden, werden weitere Modifikationen am Algorithmus vorgenommen, um die Messgenauigkeit zu steigern. Die daraus resultierenden Erkenntnisse werden durch die Verarbeitung realer Bilder, die mithilfe eines Prototyps des Moduls aufgenommen werden, verifiziert. Ein Direktvergleich des ursprünglichen und des optimierten Algorithmus für reale und synthetische Bilder soll die Gültigkeit des Modells sicherstellen sowie die Fähigkeit der Optimierung verdeutlichen. Ferner werden die Erkenntnisse auf eine Auswertung von Zeilenbildern übertragen. Ein Ausblick liefert Ansätze zur Erweiterung des Gültigkeitsbereiches, indem die Kompensation von Abbildungsfehlern und Designvorgaben an das optische System diskutiert werden.

Diese Arbeit befasst sich mit einem Beitrag zur Entwicklung einer Drehmoment-Normalmesseinrichtung mit einem Messbereich von 1 mNm bis 1 Nm am Fachgebiet Feinwerktechnik der Technischen Universität Ilmenau. Im Rahmen eines Forschungsprojektes, welches die Minimierung der relativen Unsicherheit von aktuell Ur ≤ 10-4 auf Ur ≤ 10-5 (k=2) zum Ziel hat, sollen die Kupplungen zwischen Drehmoment- und Gegendrehmomenteinrichtung sowie dem zu kalibrierenden Drehmomentaufnehmer entworfen werden. Zunächst sollen Grundlagen über die physikalische Größe Drehmoment und der Aufbau einer Drehmoment-Normalmesseinrichtung den Einstieg in die Thematik erleichtern. Anschließend werden unter Berücksichtigung von Vorschriften, Normen und Fachgebietsvorgaben Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt und anhand dieser Kritikpunkte bewertet. Die zweckmäßigste Lösung wird konstruktiv ausgearbeitet und in einem 3D-CAD-Modell umgesetzt.

In vielen technischen Bereichen wie der Präzisionsmesstechnik und der Halbleitertechnologie sind hochgenaue Führungen notwendig. Aufgrund ihrer Vorteile finden hier vorwiegend aerostatische Präzisionsführungen Anwendung. Der Einsatz dieser Führungen wirft jedoch unter Vakuumbedingungen größere technische Probleme auf, die sich durch die Notwendigkeit der Abführung des Betriebsgases ergeben. Planare Wälzführungen eignen sich im Gegensatz zu aerostatischen Führungen für diesen Einsatzbereich besonders gut, da sie ohne Hilfsmedien auskommen. In dieser Arbeit werden Läuferkonzepte entwickelt und die Beeinflussung der Führungseigenschaften untersucht. Diese Problematik wird mit Hilfe der FE-Methode abstrahiert und simuliert. In einem speziell für diesen Anwendungsfall entwickelten Modell sind alle geometrischen Parameter und deren Gestaltabweichungen berücksichtigt. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Parameter wie Bewegungsbereich, Kugelanzahl sowie Werkstoffe und alle in Bezug stehenden geometrischen Eigenschaften variiert. Es werden Läuferkonzepte basierend auf der berechneten Steifigkeit der Führung, dem Verhältnis Steifigkeit / Läufermasse und den ertragbaren mechanischen Spannungen erstellt und bewertet. Als Ergebnis dieser Arbeit werden Optimierungsproblematiken definiert und Läuferabmessungen optimierter Geometrie für spezielle Anwendungen empfohlen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Arretierungs- und Separationsmechanismus für die GOSSAMER-1 Technologiedemonstration des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik am Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig sowie der ESA. Ziel der Konstruktion ist eine Einbindung in das aktuelle Tip-Reel Entfaltungskonzept für Sonnensegel, das eine Arretierung des Segelmasts und anschließende Separation vom Entfaltungsmechanismus vorsieht. Die Entwicklung wird durch Parabelüge gestützt und das Projekt mit einem On-Orbit Entfaltungsversuch im Sommer 2014 abgeschlossen. Die Anforderungen an die Konstruktion wurden, aufbauend auf früheren Entwürfen, erhöht und an das aktuelle Konzept angepasst. Der Separationsring wurde unter dem Aspekt der Zuverlässigkeit sowie der Gewichts- und Kostenefzienz entwickelt und durch analytische sowie numerische Berechnungen ausgelegt. Die Funktionalität des Konzepts ist durch abschließende on-ground Tests an einem Prototypen gewährleistet worden.

Diese Bachelorarbeit befasst sich mit Prinziplösungen zur Änderung eines frontangetriebenen zum heckangetriebenen Rollstuhl durch ein reversierbares Sitzsystem. Ausgangspunkt für das System ist hierbei der aktuelle Stand der Lösungen auf dem Markt. Diese sollen unter dem Gesichtspunkt der Zielgruppen und Antriebskonzepte analysiert und verglichen werden. Grundlage für die Weiterentwicklung sind die bisherigen Schnittstellen zwischen Sitzrahmen und Fahrbasis. Bei der Konzeptionierung wird die Anforderungsliste, der graphische Forderungsplan und die Funktionsstruktur beschrieben. In der Kombinationstabelle werden die Variationen der Prinzipelemente systematisch dargestellt. Anschließend werden mehrere mechanische Prinzipien zur Verstellung für ein reversierbares Sitzsystem abgeleitet, neu entwickelt und evaluiert. Die Entwicklung der Lösungsprinzipe umfasst die Kombinationen der einzelnen Prinzipelemente, bei welchen auf ein sehr einfach aufgebautes und mit wenig Zeit- und Arbeitsaufwand realisiertes System Wert gelegt wird. Die Erläuterungen der einzelnen Lösungsprinzipe erfolgt über graphische Darstellungen und der Herausarbeitung von Vor- und Nachteilen. Mit Hilfe von sechs Kriterien wird eine gewichtete Bewertung der einzelnen Lösungen vorgenommen und in einer Wertempfindungstabelle dargestellt. Das Ergebnis ist die Reihenfolge der technischen Wertigkeit. Die am besten bewerteten Lösungsprinzipe Kugelsperrbolzen und Schnellspanner führen im Standardsegment der Elektrorollstühle zur Erleichterung der Wahl des Antriebssystems und damit verbunden zu einer schnellen und kostengünstigen Realisierung der Variationen vor Ort.

Zur Untersuchung des kinematischen Verhaltens von Kugelpaketen in planaren Wälzführungen, werden an einem vorhandenen Versuchsaufbau gezielt einzelne Parameter verändert und deren Einfluss bewertet. Dabei werden Kugelanzahl, Kugelposition und Käfigposition variiert. Es werden weiterhin Versuche mit Zusatzgewichten, geänderten Kontaktstellen zwischen Käfig und Gestell, einem geneigten System und Langzeitversuche durchgeführt. Zusätzlich werden auftretende Störeinflüsse durch den Messaufbau, die Messauswertung und Abnutzungserscheinungen betrachtet. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollen zur Verbesserung der Führungseigenschaften und des Positionierverhaltens von planaren Wälzführungen beitragen.

Mit einem vorhandenen Versuchsaufbau wird die Kraft-Weg-Kennlinie einer planaren Wälzführung mit drei Kugeln bei Verfahrbewegungen bis 150 mym aufgenommen. Dabei werden Bewegungsparameter wie Geschwindigkeit und Beschleunigung variiert. Weiterhin wird der Einfluss eines Kugelkäfigs auf die Kraft-Weg-Kennlinie der Führung untersucht. Die Kennlinie wird dazu mit spielfreien und spielbehafteten Käfigen aus Polyamid, Polyoxymethylen und Polytetraflourethylen aufgenommen. Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen für die Konstruktion von Kugelkäfigen gezogen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem konstruktiven Entwurf einer linear beweglichen Reflektoreinheit. Die Reflektoreinheit besteht aus einem Plan- und einem Tripelspiegel. Über einen Verfahrweg von 500 mm werden dabei verschiedene Messpunkte angefahren. Die Anordnung der Spiegel ist so zu wählen, dass zwei Längenmesssysteme identische Entfernungsänderungen erfahren. Dabei wird die Reflektoreinheit in einer Kammer betrieben, in der verschiedene Umgebungsbedingungen simuliert werden können. Die Bachelorarbeit umfasst das Zusammentragen aller Forderungen an die linear bewegliche Reflektoreinheit. Auf dieser Grundlage erfolgen die Konzeption, Auslegung sowie die konstruktive Umsetzung des Systems.

Im Mittelpunkt dieser Masterarbeit steht die im Rahmen des Graduiertenkollegs "Lorentzkraft" der TU Ilmenau entwickelte, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Wirbelströmen. In diesem Zusammenhang wurde ein Prüfstand entworfen, der experimentell einen Funktionsnachweis für das gefundene Wirkprinzip erbringen soll. Inhalt dieser Arbeit ist dabei die Optimierung und Erweiterung des aufgebauten "Lorentzkraft-Wirbelstrom-Messplatzes". Dem voraus geht eine eingehende Systemanalyse, um Optimierungspotential zu finden und zielgerichtet Verbesserungsansätze zu entwickeln. Diese sind daraufhin konstruktiv umgesetzt und im Messaufbau integriert worden. Anschließend wurde durch Messungen die verbesserte Funktion nachgewiesen. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine "verstellbare Magnethalterung" zur vollständigen Durchflutung des Prüfkörpers realisiert. Dies führt zu einer wesentlichen Erweiterung des Arbeitsbereichs des "Lorentzkraft-Wirbelstrom-Messplatzes". Zusätzlich sind theoretische Betrachtungen angestellt und untersucht worden, inwieweit der aufgebaute Prüfstand einem aus funktionaler Sichtweise optimalen System gleicht.

In dieser Arbeit werden die Untersuchungen zur Bestimmung der Hebellänge in einer Drehmoment-Normalmesseinrichtung mit einer neuen Messmethode vorgestellt. Zu messende Größen sind dabei ein Weg und eine Winkeländerung. Das Ziel ist, eine geringere relative Messunsicherheit zu erhalten, als durch eine herkömmliche Messung in einer 3D-Koordinatenmessmaschine. Dazu wird zu Beginn die bestehende Drehmoment-Normalmesseinrichtung der Physikalisch Technischen Bundesanstalt vorgestellt und analysiert. Im Anschluss wird ein Einblick zum aktuellen Stand der Technik der Längen- und Winkelmessung gegeben und die Grundlagen für Berechnungen und Konstruktion dargestellt. Darauf aufbauend werden Prinzipe erarbeitet, welche durch geschickte Anordnung der Messgeräte eine möglichst genaue Messung erlauben. In einer ersten Abschätzung werden dazu Werte, wie geometrische Abmessungen und Messbereiche, festgelegt und schließlich in einem Messunsicherheitsbudget auf ihre Leistungsfähigkeit hin überprüft. Das genaueste Prinzip bildet die Grundlage für die anschließende Erstellung der Konstruktion. Das Hauptaugenmerk liegt darauf, durch geeignete Justierungen die Einstellgenauigkeit der Variablen sicherzustellen. Abschließend wird mit Hilfe dieser festegelegten Größen die erreichte relative Messunsicherheit bestimmt und ausgewertet.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Justierung und Inbetriebnahme eines Mikro-Opto-Elektro-Mechanische Systems (MOEMS) in Form eines Mikrospiegels. Der MOEMS-Spiegel ist Bestandteil eines sich in der Entwicklung befindlichen Laser-Scanning-Microskops (LSM), des Sonderforschungsbereiches 622 der TU-Ilmenau. Für die Funktion des LSM ist es wichtig, dass ein kollimierter Laserstrahl, der über den MOEMS-Spiegel in Richtung Fokussieroptik des LSM abgelenkt wird, kollinear zur optischen Achse der Fokussieroptik einfällt. Fokussieroptik und MOEMS-Spiegel müssen dabei so zueinander justiert werden, dass diese Fehler möglichst gering ausfallen, für den Fall das der MOEMS-Spiegel sich in seiner Ruhelage befindet. Hierzu werden zunächst Verfahren zur Bestimmung der Verkippung sowie der exzentrischen Lage des Einfallstrahls diskutiert und anschließend konstruktiv umgesetzt, um eine dementsprechende Justierung vorzunehmen. Zur Winkeldetektion wird eine Anordnung aus Tripelprisma, Teilerwürfel und Planspiegel (als Referenz) realisiert, wobei ein Beobachtungsfernrohr zur Beurteilung der Verkippung dient. Teilerwürfel und Tripelprisma sind in dieser Anordnung bezüglich des Referenzspiegels invariant gegenüber Kippung. Für die Bestimmung der Exzentrizität wird das Verhalten einer Einzellinse, beim Abbilden eines ausgedehnten, parallelen Lichtbündels genutzt. Befindet sich das eintreffende Bündel am Rand der Linse, so wird dies unter einem stärkeren Winkel in Richtung optischer Achse abgelenkt. Dieser Winkel lässt sich detektieren, wenn das abbildende System entlang des eintreffenden Lichtbündels verschoben wird und das Auswandern der Abbildung beobachtet wird. Der MOEMS-Spiegel selbst, wird über elektrostatische Felder in Schwingung versetzt, die durch eine rechteckförmige Gleichspannung erzeugt werden. Das benötigte Steuersignal wird hiebei über eine Hardware der Firma dspace erzeugt, welche mit Matlab Simulink programmiert wird. Lenkt der MOEMS-Spiegel im resonant schwingenden Zustand einen Laserstrahl ab, so erzeugt dieser auf der Bildebene eine Lissajousfigur, welche in ihrer Form durch Änderung des Steuersignals verändert werden kann. Wird hierzu der Laser zeitsynchron gepulst, so ist es möglich ein Bild zu erzeugen, ähnliche einem Projektor.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Bestimmung von Führungsabweichungen von Präzisionsführungen wie sie in mechanischoptischen Baugruppen Verwendung finden. Die Ermittlung dieser qualitätsbestimmenden Eigenschaften erfolgt anhand zweier praktischer Beispiele. Das erste Untersuchungsobjekt ist ein Flucht- Autokollimationsfernrohr (FAKF), bei dem die Ermittlung der Führungseigenschaften einer Gleitführung, welche zur Manipulation einer Schiebelinsengruppe dient, erfolgt. Hierfür werden geeignete Prüfmethoden zur indirekten Ermittlung der Führungseigenschaften aufgezeigt und bewertet. Bei der indirekten Methode dient das Modell der Ursache in Form von Führungsfehlern und der daraus resultierenden Wirkung in Form von Ablagen als Beschreibungsgrundlage der auftretenden Führungsabweichungen. Mittels einer mathematisch physikalischen Transformationsvorschrift, deren Grundlage die geometrische Optik ist, können die Führungsfehler durch ermittelte Ablagen bestimmt werden. Die Präzisionsfokusverstelleinrichtung zur axialen Translation einer Linse eines Hochleistungsobjektives dient als zweites Untersuchungsobjekt. Hier werden Methoden zur direkten Ermittlung der Führungseigenschaften der Membranfederführung aufgezeigt und bewertet. Die Bestimmung der Führungsabweichung erfolgt unmittelbar an der Baugruppe.

In dieser Arbeit werden die experimentellen Untersuchungen zur Steifigkeit einer planaren Wälzführung vorgestellt. Der Einfluss der Variation der Kugelanzahl und der Kugelanordnung auf die Steifigkeit wird in Experimenten erforscht. An einem bestehenden Versuchsaufbau werden zunächst parasitäre Einflüsse untersucht und eine Versuchsstrategie entwickelt, um diese Einflüsse gering zu halten und die Versuche reproduzierbar zu machen. In Vorversuchen wird die Referenzsteifigkeit bei einer geometrisch bestimmten Kugelanordnung (3 Kugeln) bestimmt, mit der Hertz'schen Theorie verglichen und durch einen Korrekturfaktor angeglichen. In den Hauptversuchen wird die errechnete Steifigkeit aus den gemessenen Werten mit der Hertzschen Steifigkeit, durch den Korrekturfaktor erweitert, verglichen und aus dem Verhältnis von theoretischer Steifigkeit zu der errechneten Steifigkeit aus den gemessenen Werten der Steifigkeitsanteil der Kugelanordnung bestimmt. In der Versuchsplanung werden die Hauptversuchsreihen zur Variation der Kugelanzahl und der Anordnung, sowie Nebenversuche geplant. Diese werden im Anschluss ausgewertet.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Konzeption eines Versuchsaufbaus zur Drehmomentrealisierung und die kritische Auseinandersetzung mit den während des Betriebes auftretenden Messunsicherheiten. Dazu werden zu Beginn die thematischen Grundlagen erläutert, bestehende Systeme, wie die Drehmoment-Normalmesseinrichtung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, analysiert sowie die zu beachtenden Kalibriervorschriften dargelegt. Ebenso ist ein Einblick in die relevanten Berechnungsvorschriften auf Grundlage des Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement zum Unsicherheitsbudget gegeben. Durch konstruktionsmethodische Aufarbeitung der Aufgabenstellung und der Literaturrecherche in Form einer Anforderungsliste sind die relevanten Systemparameter fixiert worden. Die Prinzipfindung der Teilsysteme Tarierung, Klemmung und Koppelstelle zu den Belastungsmassen ist durch eine mehrstufige Bewertung der erarbeiteten Varianten konkretisiert worden. Die nachfolgenden Berechnungen zum Unsicherheitsbeitrag der Einzelgrößen an der Messunsicherheit des Gesamtsystems zeigen die Haupteinflussgrößen Länge, Masse und Luftdichte als kritische Werte auf. Anhand dieser theoretischen Grundlagen, der durchgeführten belastungsorientierten Auslegung sowie der dem Messbereich angepassten Dimensionierung der Justierstelle ist die vorliegende Konstruktion erstellt worden. Die Auslegung der Koppelstelle zu den Belastungsmassen, des Hebelarms, der Klemmung und der Tarierung wird anschließend erläutert und einer Konstruktionskritik unterzogen sowie mögliche Alternativen aufgezeigt.

Inhalt dieser Arbeit ist die Konstruktion eines Versuchsaufbaus, mit welchem Langzeitmessungen an Materialien, die in der Präzisionsmesstechnik eingesetzt werden, vorgenommen werden können. Damit sollen das Verformungsverhalten sowie das Auftreten von elastomechanischen Nachwirkungen untersucht werden. Die Proben sollen unter unterschiedlichen Umweltbedingungen, wie veränderte Luftfeuchte oder verschiedenen Temperaturen, gelagert werden können. Es werden die Materialien beschrieben, welche zur Messung genutzt werden sollen. Des Weiteren wird aufgezeigt, weshalb die interferometrische 3D-Oberflächenmessung die beste Lösung ist, um die Messung durchzuführen. Das Messmittel wurde im Verlauf dieser Arbeit auf die Möglichkeit der Vermessung von konvexen Oberflächen hin überprüft. Die Ergebnisse aus diesem Test wurden in der Konstruktion des Messaufbaus umgesetzt. Der Messaufbau entspricht im Wesentlichen einem 3-Punkt-Biegeversuch. Bei der Konstruktion sind Probleme wie Stoßminderung, Aufrechterhaltung der Kraft bei Verschiebung im nm-Bereich, Einhalten des Bauraumes oder das Halten der Probekörper bei geringen Kräften und deren Lösungen beschrieben.

Die fortschreitende Entwicklung der Präzisionsbearbeitung und Präzisionsmesstechnik benötigt im zunehmenden Maße vakuumtaugliche Führungen für planare Positioniersysteme. Aktuell werden vorwiegend aerostatische Führungen in planaren Positioniersystemen verwendet. Als Alternative für den Einsatz im Vakuum eignen sich planare Wälzführungen. Momentan liegen keine Erfahrungswerte für planare Wälzführungen vor. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Verhältnis aus Anzahl tragender Kugeln zur Gesamtanzahl der Kugeln (Traganteil) in der planaren Wälzführung. Es werden Möglichkeiten zur Verbesserung des Traganteils durch eine Sortierung der Kugeln untersucht. Für eine experimentelle Untersuchung des Traganteils werden systematisch die wesentlichen Punkte des Versuchsaufbaus spezifiziert, wie z. B. Messsysteme, Abstufung der Zusatzmassen. Abschätzungen zu Messabweichungen auf das Messergebnis werden aufgezeigt. Eine Messabweichung stellt die Durchbiegung des Läufers unter der Änderung der Normalbelastung dar. Abschließend wird eine Versuchsstrategie zur experimentellen Untersuchung, hinsichtlich der Anzahl und der Anordnung der Kugeln im Messaufbau, für die ersten Vorversuche vorgestellt.

Die in diesem Bericht aufgeführten Arbeiten beziehen sich auf Gestellsysteme für Testgeräte der Firma Tetra GmbH. Zunächst erfolgt eine Einführung in Gestellsysteme, verwendete Werkstoffe, Bauformen und die Technik des Gießens von Betongestellen. Daraufhin wird die Abformmasse charakterisiert und die Eigenschaften von selbstverdichtendem Beton werden aufgeführt. Es werden Oberflächenschutzsysteme für Beton systematisiert, erprobt und nach verschiedenen Kriterien bewertet. Die bei der Tetra GmbH bestehenden Gestellsysteme werden hinsichtlich verschiedener Gesichtspunkte analysiert. Darauf folgt eine Neukonstruktion eines Untergestells für Testgeräte der Tetra GmbH aus selbstverdichtendem Beton sowie die zugehörige Schalung in Modulbauweise. Die Schalung wird erprobt und die Konstruktion des Untergestells überarbeitet.

In dieser Arbeit steht ein Testsystem zur Simulation von Kolbenreibung im Mittelpunkt. Dies soll das bestehende Produktspektrum für Tribologisches Testequipment der Firma Tetra GmbH erweitern. Der Ansatz ist dabei, anstatt an einer geschlossenen Zylinderlaufbuchse, den Reibkontakt an mehreren Laufbuchsenausschnitten herzustellen. Dies erlaubt die Veränderung der wirkenden Normalkraft. Die wichtigsten Anforderungen an das Gerät werden abgeleitet und in Form einer Anforderungsliste zusammengefasst. Darauf aufbauend werden systematisch Lösungsansätze erarbeitet aus denen, durch Vergleich und Bewertung, ein optimales Gerätekonzept festgelegt wird. Dabei stehen die Baugruppen zur Normalkrafteinprägung, zur Kraftmessung sowie zur Einleitung der Relativbewegung im Fokus. Anschließend werden diese Baugruppen konstruktiv neugestaltet und fertigungsgerecht dokumentiert.

Naturhartgestein (Granit) wird vorwiegend für hochpräzise Führungsbahnen und Funktionsflächen für Luftlager Applikationen eingesetzt. Diese Oberflächen werden häufig für hochpräzise Positioniersysteme, wie Koordinatenmessmaschinen, verwendet. Die Materialeigenschaften von Naturhartgestein sind besser als die von Stahlguss oder Gusseisen, aufgrund der guten thermischen und mechanischen Langzeitstabilität. Der größte Nachteil von Naturhartgestein ist dessen schlechte Bearbeitbarkeit sowie die hohen Material- und Maschinenkosten, verursacht durch die Verfügbarkeit und Härte des Materials. Heutzutage kann Beton als eine Alternative zu Naturhartgestein gesehen werden, da dieser mit vergleichbaren Materialkennwerten durch Urformen geschaffen werden kann. Neben verschiedenen Vorzügen ist der ausschlaggebende Vorteil gegenüber Naturhartgestein dessen geringen Kosten. In der Feinmechanik wird Beton allerdings nur als Maschinenfundament und Supportvolumen für Naturhartgesteinplatten mit Führungsbahnen eingesetzt. - Die Ursache hierfür ist die Schwierigkeit zur Schaffung von glatten und eben Flächen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Technologie zum Urformen von glatten und für Luftlagerelemente annehmbare Führungsbahnen entwickelt. Die Untersuchungen zeigten, dass durch den Einsatz eines speziellen Betons (SVB) das Präzisionsabformen von Beton außergewöhnlich gut ist. Ohne Nachbearbeitung (wie Schleifen) konnten Funktionsflächen mit einer Rauheit (Ra) unter 0,2 [my]m geschaffen werden, was bedeutsam besser als die Anforderungen der Hersteller von Luftlagerelementen ist (Ra=0,4 [my]m).

In der Präzisionsbearbeitung und Präzisionsmesstechnik werden in zunehmendem Maße vakuumtaugliche Führungen benötigt. Planare Wälzführungen stellen eine mögliche vakuumtaugliche Alternative für die in planaren Positioniersystemen verwendeten aerostatischen Führungen in Aussicht. Da bislang keine Erfahrungen vorliegen, sollen die Eigenschaften planarer Wälzführungen durch experimentelle Untersuchungen qualifiziert werden. Zu diesem Zweck ist ein Messstand zu konzipieren. In ersten Versuchsreihen sollen der Anteil der tragenden Kugeln und die Verkippung untersucht werden. Zur Erfassung der gesuchten Größen wurde eine systematische Prinzipfindung durchgeführt und die durch den Messstand zu erfüllenden Funktionen analysiert. Über die Messung der Steifigkeitskennlinie der Führung, welche aus der Hertz'schen Theorie abgeleitet wurde, ist die Anzahl der tragenden Kugeln ermittelbar. Die mechanischen Funktionen des Messstandes wurden konkretisiert und gemeinsam mit dem Messaufbau in ein Gesamtkonzept integriert.

In Zoomobjektiven werden optische Baugruppen entlang der optischen Achse relativ zueinander verschoben. Dabei sind nur geringe Quer- und Winkelabweichungen zulässig. Die Bewegung muss spiel- und ruckfrei verlaufen. Ein selbstständiges Verändern der vorgenommenen Einstellung durch Wirkung des Eigengewichts soll vermieden werden. Darüber hinaus sind weitere Anforderungen gemäß Lastenheft zu erfüllen. - Ausgehend von einer Analyse der vorhandenen Führung optischer Baugruppen in Objektiven werden in der Arbeit alternative Lösungsansätze unter Verwendung von marktgängigen Linearführungen entwickelt. Zur messtechnischen Überprüfung der Funktionsfähigkeit der gefundenen Lösungen wird ein Versuchsstand konstruiert, sowie ein Versuchsplan erstellt.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Umkonstruktion einer Spiegelbewegungseinrichtung innerhalb einer Funduskamera. Auftraggeber dieser Arbeit ist die Carl Zeiss Meditec AG. Das Anschlagverhalten der Bewegungseinrichtung soll so verändert werden, dass bisher aufgetretene Geräusche und resultierende Kräfte deutlich reduziert werden können. Hierzu wurden zwei Wege verfolgt. Die erste Frage war, ob man die Anschlageffekte durch Optimierung der Baugruppe ausreichend reduzieren kann. Andererseits wird untersucht, ob es eine anschlagfreie Ausführung einer Spiegelbewegungseinrichtung unter den vorgegebnen Randbedingungen geben kann. Die Optimierung zielte speziell darauf ab, die Energiezufuhr im Verlauf der Bewegung so umzuverteilen, dass die Anschlagenergie deutlich sinkt. Die anschlagfreie Variante wird mittels rechnergestützten Dynamikanalysen zuerst auf Realisierbarkeit untersucht und später mit deren Hilfe dimensioniert. Daraus wird ein Versuchsaufbau abgeleitet. Die Optimierungsversuche ergaben keine ausreichenden Verringerungen der Anschlageffekte. Die Simulationen zeigten, dass eine anschlagfreie Spiegelbewegungseinrichtung realisiert werden kann, das 3D-Modell eines Versuchsaufbaus wurde erstellt und der Aufbau in Auftrag gegeben. Eine Überprüfung der Simulation war auf Grund des bis zur Abgabe nicht fertiggestellten Versuchsaufbaus nicht möglich.

Miniaturprojektoren sind in der Lage hohe Bildgrößen trotz kompakter Gerätemaße darzustellen. Da diese Geräte handgeführt benutzt werden können, ist die Bildweite nicht konstant. Weiterhin sind, bedingt durch die geringe Helligkeit, die Bildweiten relativ klein und das Öffnungsverhältnis der Projektionsoptik relativ groß, sodass der Schärfentiefebereich sehr klein ist. Zur Entlastung des Nutzers wird ein System benötigt, welches die permanente Anpassung der Gegenstands- an die Bildweite, den Fokussiervorgang, automatisch durchführt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dazu eine massenproduktionstaugliche Gesamtlösung dieses Systems erstellt. Dazu wurden sowohl die spezifischen Eigenschaften der bisherigen Sensorsysteme als auch ein neues Messprinzip zur Ermittlung der notwendigen Gegenstandsweite untersucht. Weiterhin wurden mögliche Antriebssysteme ausgewählt, hinsichtlich ihrer Eigenschaften verglichen und bezüglich der Anforderungen bewertet.

Ziel der Diplomarbeit ist die Entwicklung und Erprobung eines Messkopfes zur Messung von Bohrungen, mit dem Aussagen über die Rundheit, den Durchmesser, die Achslage und die Form einer Bohrung mit einer Reproduzierbarkeit kleiner 1 æm möglich sind. Hierzu wurde in einem ersten Schritt eine intensive Internet-, Literatur- und Patentrecherche zu Möglichkeiten der Bohrungsmessung durchgeführt. Für die Messung von Bohrungen konnten dabei die folgenden wesentlichen Messprinzipien gefunden werden, mit denen prinzipiell eine Aussage über die gewünschten Qualitätsmerkmale möglich ist: die taktilen Messverfahren, die Verfahren unter Ausnutzung von elektrischen und magnetische Feldern, die Verfahren unter Ausnutzung von elektromagnetischen Wellen und die Verfahren unter Ausnutzung von Strömungsmedien. Im Anschluss an diese Recherchen zum Stand der Technik wurde eine Bewertung der Messprinzipien durchgeführt, wobei sich herausgestellt hat, dass mit der pneumatischen Längenmesstechnik das optimale Messprinzip zur Lösung der Aufgabenstellung gegeben ist. In einem nächsten Schritt wurden Prinzipien zur kinematischen Struktur und zu einer Eigenfehlermessung zur Umsetzung des Messprinzips in einem Versuchsstand über die Anwendung einer kombinatorischen Lösungsfindung herauskristallisiert. Mit den gefundenen Prinzipien konnte so die Konstruktion eines Versuchsaufbaus mit sich anschließender, ausführlicher Betrachtung der Fehlereinflussmöglichkeiten erfolgen. Nach Fertigstellung des Versuchsaufbaus konnte in ersten Messungen der Charakter der Abhängigkeit zwischen Spaltabstand und Staudruck nachgewiesen werden. Die sich anschließenden Reproduzierbarkeits- und Prozessfähigkeitsmessungen ohne Verschiebung des Messobjekts haben gezeigt, dass der Messprozess für die Ermittlung der Merkmale Rundheit, Durchmesser und Mittelpunktlage stets fähig und für eine empirische Standardabweichung kleiner 0,2 æm reproduzierbar ist, womit die Funktionsfähigkeit des Messprinzips zur Lösung der Aufgabenstellung nachgewiesen werden konnte. Weiterhin wurden Untersuchungen zur exzentrischen Lage zwischen Messmittel und Messobjekt durchgeführt, um den Einfluss dieser auf das Messergebnis zu erfassen. Hierbei konnte ein Temperatureinfluss herauskristallisiert werden.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption eines Systems, welches einen vollautomatischen Endeffektorwechsel in einem Halbleiter-EFEM realisiert. Dabei wurden die mechanische und elektrische Schnittstelle zwischen Roboter und Endeffektor, die Lagerung ungenutzter Endeffektoren, ein Sicherheitskonzept für das Wechselsystem sowie eine Testumgebung bearbeitet. Für das System wurde ein Wechselverfahren konzipiert und ein optimales Wechselprinzip abgeleitet. Die Schnittstelle zwischen Roboter und Endeffektor wurde bezüglich des Aufbaus, der Art und Lage der Koppelelemente, notwendiger Aktorik und Sensorik, der Übertragung elektrischer Signale sowie Justierung präzisiert. Für die Lagerung der Endeffektoren wurde ein Konzept für ein geeignetes Magazin erstellt. Das Konzept beinhaltet die Festlegung des Aufbaus und der Anordnung des Magazins im EFEM sowie die Erarbeitung einer Schnittstelle zum EEF. Die erarbeiteten Verfahrensschritte des Endeffektor-Wechselsystems wurden bezüglich der Abläufe und Verfahren präzisiert und unter Berücksichtigung der erarbeiteten Aktorik und Sensorik zu komplexen Prozessen mit hoher Systemsicherheit zusammengestellt. Für die Inbetriebnahme und Testphase des Wechselsystems wurde eine Testumgebung erarbeitet. Diese beinhaltet Festlegungen und Empfehlungen für Testinhalte, Testabläufe und verwendete Funktionselemente sowie Messmittel.

Die Entwicklung eines Positioniersystems fordert eine stetige Erhöhung der Positioniergenauigkeit, die von der auf diesem System eingesetzten Maßverkörperung abhängt. Ziel dieser Arbeit war die Konzeption eines Messstandes, der die Vermessung von Maßverkörperungen mit den Abmessungen von 250 mm×250 mm mit einer Restunsicherheit < 0,1 [my]m erlaubt. Zur Untersuchung der Messbarkeit der Fertigungsfehler auf der Maßverkörperung wurden die Fertigungsverfahren und die dabei auftretenden Fehler zunächst untersucht und dabei ihre Einflüsse auf die Messsignale berücksichtigt. Das Messprinzip des zu konzipierenden Messstandes basiert auf dem Prinzip des Längenkomparators. Nach dem Vergleich der Längenmessverfahren anhand des Messbereiches und der Messauflösung wurden die inkremental- und interferenzoptischen Messverfahren für diesen Messtand gewählt. Danach erfolgte die Analyse der verschiedenen Konzepte für diesen Messstand. Nach dem Vergleich wurde ein optimales Lösungskonzept ausgewählt. Weiterhin wurden die auftretenden Fehler des mechanischen und optischen Grundaufbaus und die systematischen Fehler der gewählten Messsysteme untersucht. Die Umweltbedingungen können die Messgenauigkeit des Messsystems besonders bei der Laserinterferometermessung stark beeinflussen. Abschließend wurde die Summe der Restunsicherheiten dieses Messstandes bestimmt.

Ein neues 3D Messkonzept der Nanomessmaschine NMM 1&hardcy; der Technischen Universität Ilmenau nutzt einen tetraedrischen Spiegelträger aus Zerodur® als Positioniertisch. Dabei reflektieren die mit Aluminium beschichteten Spiegelflächen die von raumfesten Messinterferometern gesendeten Laserstrahlen zur interferrometrischen Positionsbestimmung von Tisch mitsamt Objekt in Nanometerdimensionen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Analyse, Simulation und Optimierung des Spiegelträgers. Dazu wurde die kommerzielle Finite-Elemente-Methode-Software ANSYS verwendet, um die statischen und dynamischen Eigenschaften des bestehenden Spiegeldesigns mit seiner 3-Punkt-Auflage mit Kugel-V-Nut-Paarungen unter dem Einfluss der Randbedingungen Gravitation und Beschleunigung durch Aktuatoren zu ermitteln. Als Optimierungswerkzeug wurde ein Topologieoptimierungsalgorithmus von Lopes (2005) in der Programmiersprache "ANSYS Parametric Design Language&hardcy; (APDL) genutzt. Dieser Algorithmus ist in der Lage, Optimierungsprobleme mit inerten Kräften zu lösen, indem er die Optimierungsmethode Optimality Criteria (OC), das Materialmodel Simple Isotropic Material with Penalization&hardcy; (SIMP) und die Kontinuitätsmethode zur Vermeidung lokaler Minima anwendet. Desweiteren wurde der Algorithmus an das bestehende Problem angepasst und durch Fertigungrichtlinien erweitert, welche Hinterschneidungen in der Materialverteilung verbieten. Der Sinn dieser Fertigungsrichtlinien besteht darin, die Nachbearbeitung der berechneten Materialverteilung im Hinblick der Erstellung eines fertigbaren Entwurfes zu vereinfachen, da die Möglichkeiten zur Bearbeitung von Zerodur® auf typische Prozesse der Glasbearbeitung sind. Dazu gehören z.B. das Herausbohren der Grobstruktur und die anschließende Bearbeitung mit CNC-Schleifmethoden. Die durch die Optimierung erhaltenen Designvorschläge mit und ohne Hinterschneidungen wurden zur Erstellung von CAD-Modellen in SolidWorks genutzt. Anschließend wurden die verschiedenen Spiegelträgervarianten erneut in ANSYS auf ihre Mindesteigenschaften hin analysiert. Dazu zählen die erreichte Massenreduzierung, die Eigenfrequenz, von-Mises-Spannungen und die Verformung der Spiegelfläche senkrecht zur Oberfläche. Abschließend wurden die Spiegelkonzepte einer Bewertung mit festgelegten Kriterien und Wichtungen unterzogen, um das beste Konzept zu ermitteln.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines universellen Entwicklungsalgorithmus zur Struktursynthese von Positioniereinrichtungen, welche ersatzweise in dieser Arbeit als Getriebe angesehen werden. Ausgehend vom Satz von GRÜBLER, können für serielle und parallele Getriebe Berechnungen zu deren Freiheitsgrad erfolgen. Mit diesem Werkzeug können systematisch verschiedene Getriebekonfigurationen erzeugt werden. Für die geforderte ebene Positionieraufgabe, ergibt sich eine Variantenvielfalt, die von Hand nicht analysiert werden kann. Dafür wurde ein Sortierungsverfahren vorgestellt, das geeignete Lösungen ausfiltert. Dabei werden verschiedene strukturelle Eigenschaften von Getrieben auf- oder abgewertet, so dass sich manuell verwertbare Lösungsmengen erzeugen lassen. Eine Endauswahl von vier Varianten wird analysiert und einer Grobkonstruktion unterworfen, so dass sich Antriebsparameter, benötigte Aufstellflächen und die Gestalt einzelner Bauelement abschätzen lassen.

Durch gestiegene Qualitätsanforderungen, verkürzte Taktzeiten und diverse Zertifizierungen (wie z. B. die ISO 9001:2000) müssen moderne Messgeräte hochgenau, schnell und reproduzierbar arbeiten. Dabei geht der Trend zu berührungslosen Messverfahren, die aufgrund des fehlenden mechanischen Kontakts zwischen Messobjekt und Messgerät das Messobjekt nicht beeinflussen und eine schnelle Messwertaufnahme ermöglichen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung eines taktilen Messgerätes für rotationssymmetrische Teile um ein berührungsloses Messverfahren. Eine Marktanalyse sowie eine Literatur- und Patentrecherche bilden die Grundlage für den konstruktiven Entwicklungsprozess. Mit Hilfe einer Konstruktionskritik wird die Eignung des taktilen Grundaufbaus für ein berührungsloses Messverfahren überprüft. Im Folgenden werden verschiedene Messverfahren systematisch auf ihre Eignung für die Messaufgabe untersucht, für das gewählte Messverfahren verschiedene Anordnungen bewertet und eine Fehlerbetrachung durchgeführt. Ausgehend vom gewählten Messverfahren wird das technische Prinzip aufgestellt, wobei die vorangegangene Konstruktionskritik einfließt. Abschließend wird die Umsetzung des technischen Prinzips in die konkrete Gestalt des Messgerätes beschrieben, eine Fehlerbetrachtung durchgeführt und ein kompletter Zeichnungssatz erstellt.

Teilkreise dienen als Winkelmaßverkörperung in Winkelmessgeräten. Die Genauigkeit der Winkelmesseinrichtung wird maßgeblich von der Zentrierung des Teilkreises bestimmt. Es soll ein optimales Korrekturprinzip für die auftretenden Winkelmessfehler konstruktiv in einen experimentellen Versuchsstand für die automatisierte Zentrierung von Teilkreisen für fotoelektrische, inkrementale Drehgeber umgesetzt werden, dass in den vorhandenen MRB-Justageautomat integriert werden kann. Zielforderung ist eine geometrische Restexzentrizität <2,5æm. - Ausgehend von der Beschreibung der Hauptursachen von Winkelmessfehlern bei Drehgebern - geometrische Exzentrizität und Teilungsfehler - werden verschiedene Verfahren dargestellt, die die auftretenden Winkelmessfehler durch Zentrier- bzw. Kompensationsmechanismen berücksichtigen. Als Ergebnis kann die Zentrierung mit zwei diametral angeordneten, fotoelektrischen Ablesesystemen, welche durch Zentrierung des Teilkreises über die geometrische Exzentrizität hinaus einen Anteil des langperiodischen Fehleranteils des Teilungsfehlers berücksichtigt, als optimales Korrekturverfahren benannt werden. - Für das gewählte Verfahren werden Algorithmen zur Auswertung der Messsignale der fotoelektrischen Ablesesysteme zur Bestimmung der Zentrierkenngrößen, d.h. die Bestimmung des Exzentrizitätsvektors entwickelt und mit Hilfe einer Simulation in Labview überprüft. Ferner wird gezeigt, wie aus den Messsignalen der Ablesesystemen die diametrale Anordnung der Ablesesysteme überprüft bzw. justiert werden kann. Mit diesen Voraussetzungen und weiteren relevanten konstruktiven Randbedingungen wurde das Verfahren in eine Funktionsstruktur überführt und konstruktiv umgesetzt. Die Durchführung des automatisierten Zentrierverfahrens mit dem MRB-Justageautomat ist als Ablaufplan beschrieben. Die zu erwartende Genauigkeit des Versuchsstandes kann mit Hilfe der konstruktiven Parameter und Ergebnissen der Simulation geschätzt werden und sie erfüllt die Zielforderung an die geometrische Restexzentrizität.

Die vorliegende Arbeit analysiert die Möglichkeiten der Justage von Abbildungsfehlern (Koma, sphärische Aberration und Astigmatismus) in Mikroskopobjektiven unter Berücksichtigung des Beugungsbilds (Sterntest). Da es sich bei den betrachteten Mikroskopobjektiven der Baureihen OM-2 (9x) und OX-1 (40x) um Mikroskopobjektive der Firma LOMO (St. Petersburg) handelt, wurde ein Teil der Arbeit in Zusammenarbeit mit der Staatlichen St. Petersburger Universität für Informationstechnologie, Mechanik und Optik verfasst, die über gute Kontakte zur oben genannten Firma verfügt. Die Analyse und Justage der Mikroskopobjektive erfolgt mit einem auf dem CMM Messmikroskops der Firma Leitz aufbauenden Versuchsstand. Über einen entsprechenden Adapter ist der Anschluss der Mikroskopobjektive von LOMO möglich. Der visuelle Einblick dieses Mikroskops wurde mit einer USB 2.0 CCD Kamera (752x 582Pixel) ersetzt. Diese Kamera wird mit einem Adapter und einer Tubusverlängerung an dem Mikroskop befestigt und ermöglicht die Digitalisierung der Bilder. Das Fachgebiet Qualitätssicherung der Fakultät Maschinenbau stellte die verwendete Kamera mit der dazugehörigen Software (Treiber) leihweise zur Verfügung. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass zur Auswertung des Bilds eine weitere Vergrößerungsstufe notwendig ist, die man beispielsweise mit einem Okular realisieren kann. Mit Hilfe einer speziellen Bildverarbeitungssoftware kann das Beugungsbild analysiert werden. Dieses Programm wurde mit LabVIEW 7.1 erstellt und ermöglicht unter Zuhilfenahme eines weiteren Programms (C++) den Zugriff auf die von der Kamera aufgenommenen Bilder. Die Punktverwaschungsfunktion (PSF), die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) und die Grauwertverteilung des betrachteten Bilds werden zur Analyse grafisch dargestellt. Das vorhandene reale Beugungsbild kann außerdem mit einem theoretischen idealen Bild verglichen werden. Die Software ermöglicht in Verbindung mit der entwickelten Justagebaugruppe die feinfühlige Justierung der Koma im Mikroskopobjektiv. Um dies zu ermöglichen, wurden aus der Modulationsübertragungsfunktion und der Punktverwaschungsfunktion zwei Justierkriterien abgeleitet, die den Justageerfolg verdeutlichen.