Static and dynamic characterization of etched copper-beryllium flexures in an electrostatic force compensation balance with a parallel four-bar-linkage mechanism. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
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.
Optimierung eines monolithischen Mechanismus für Präzisionskraftmesssysteme hinsichtlich des Einflusses von Fertigungsabweichungen. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
In der Präzisionskraftmesstechnik werden höchste Auflösungen, geringste Messunsicherheiten und die Rückführbarkeit der Messergebnisse auf eine Naturkonstante angestrebt. Häufig werden deshalb monolithische nachgiebige Mechanismen mit konzentrierten Nachgiebigkeiten als Verformungskörper eingesetzt, da diese höchst reproduzierbare Bewegungen ermöglichen. Die vorhandene Steifigkeit dieser Mechanismen ist trotz der Reduzierung der Wandstärke der verwendeten Gelenkdünnstellen auf ein technologisches Minimum von 50 µm ein limitierender Faktor hinsichtlich Messunsicherheit und Auflösung. Aus diesem Grund werden zusätzliche Maßnahmen zur weiteren Reduzierung der Steifigkeit notwendig. Die zur Steifigkeitskompensation notwendige Gegenkraft bzw. das Gegenmoment wird nach dem Stand der Technik entweder durch Masse-, Feder- oder Magnetwirkung erzeugt. Aufgrund des Fehlens geeigneter Lösungen für hochpräzise rückführbare Kraftmessungen wurde ein neuer Mechanismus entwickelt. Dieser basiert auf dem in einer Wägezelle verwendeten Grundprinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation und besitzt eine federbasierte Steifigkeitskompensation. Die experimentelle Untersuchung des Mechanismus hat gezeigt, dass Fertigungsabweichungen eine initiale Auslenkung bewirken und so die Funktion einschränken. Zur Lösung dieses Problems wird im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein geeignetes Finite Elemente Modell des Mechanismus mit rechenzeitoptimierter Vernetzung entwickelt. Basierend auf einem systematischen Versuchsplan werden Simulationsreihen durchgeführt, welche die Abweichungen der Positionen der Gelenke des Kompensationsmechanismus und die Dicken der Blattfederelemente der Kompensationsfeder als Haupteinflussfaktoren für die initiale Auslenkung charakterisieren. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden drei optimierte Technische Prinzipe entwickelt und hinsichtlich ihrer Eigenschaften numerisch untersucht. Aus einer Bewertung mit gewichteten, objektivierten Bewertungskriterien geht hervor, dass die Kompensation der initialen Auslenkung durch Einprägung eines mechanisch erzeugten Moments in den Mechanismus die beste Option darstellt. In weiterführenden Arbeiten wird der Mechanismus mit dem optimierten Konzept gefertigt, experimentell untersucht und weiter optimiert.
Steifigkeitskompensation nachgiebiger Präzisionsführungen mit maximiertem Arbeitsbereich. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
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.
Entwicklung einer Vorrichtung zur temporären lösbaren Verbindung elektrischer Leitungselemente an hochempfindlichen Geräten. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Genauigkeitsanforderungen in Bereichen wie der Präzisionsmesstechnik steigen ständig. Dafür müssen Präzisionsgeräte über eine besonders hohe Empfindlichkeit verfügen, um kleinste Veränderungen in den Messgrößen erfassen zu können. Beispiele sind Präzisionswägezellen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Diese werden beispielsweise in Massenkomparatoren eingesetzt. Um den Einfluss von äußeren Störgrößen zu minimieren, werden Präzisionswägezellen in hermetisch abgeschlossenen Kammern betrieben. Verbleibende Störeinflüsse wie die Bodenneigung werden durch gezielte Justierungen kompensiert. Für die Zuführung der notwendigen Energie für die Einleitung des Justiervorgangs müssen in der Regel elektrische Verbindungen zwischen dem Justiersystem und der Steuerung außerhalb der Kammer sichergestellt werden. Diese Verbindungen sind so zu gestalten, dass sie nur geringe Kräfte und Momente übertragen. Nach Abschluss der Justierung müssen die Verbindungen gelöst werden, um selbst geringe Störungen im Messvorgang zu vermeiden. Ziel der Arbeit ist eine Vorrichtung zur Realisierung einer störungsarmen und lösbaren elektrischen Verbindung. Zunächst wird die auf dem Prinzip der magnetischen Kraftkompensation basierende Wägezelle mit ihren Justiermöglichkeiten und Störgrößen näher betrachtet und daraus Anforderungen an die Verbindung formuliert. Bei der Entwicklung wird darauf geachtet, dass die auftretenden parasitären Kräfte, die beim Justiervorgang und bei der Kopplung entstehen, zulässige Werte nicht überschreiten. Es werden mehrere Lösungsprinzipien entwickelt, die auf verschiedenen funktionalen Strukturen basieren. Nach der Auswahl des optimalen technischen Prinzips, anhand einer technisch fundierten Bewertung, wird die Vorrichtung konstruktiv ausgearbeitet. Für die Konstruktion wird eine symmetrische Vorrichtung ausgewählt, die an beiden Seiten der Präzisionswägezelle montiert ist und mit Piezolinearantrieben angesteuert wird. Das elektrische Kontaktelement für jeden elektrischen Pol wird als nachgiebiges Element gestaltet. Dieses wird durch einen Greifer aufgenommen und vorgespannt, und durch einen Piezoantrieb bis zur Anschlussstelle an der Wägezelle geführt. Die Verbindung wird durch die Vorspannung des Kontaktelements an der Anschlussstelle gesichert. Durch die symmetrische Anordnung der Vorrichtung werden parasitäre Momente durch die asymmetrische Beanspruchung minimiert. Nach der Justierung kann die Verbindung wieder gelöst werden, so dass Störeinflüsse minimiert werden.
Static characterization and optimization of a folded parallelogram flexure guide. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
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.
Entwicklung eines Greif-Schwenk-Systems zum hochgenauen und reproduzierbaren Greifen ungefasster optischer Bauelemente. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Diese wissenschaftliche Arbeit dient der Entwicklung eines Systemkonzepts zum präzisen Greifen ungefasster optischer Bauelementen. Die hauptsächlichen Anforderungspunkte zum entwickelnden System stellen dabei neben der geforderten absoluten und reproduzierbaren Positioniergenauigkeit auch Aspekte der Bauteilkontamination. Die resultierenden Ansprüche an das Konzept sind vordergründig Spielfreiheit und Verschleißfreiheit. Das gezeichnete Anforderungsprofil erfordert eine Lösung, die über den aktuellen Stand der Technik hinaus geht. Der maßgebliche technische Ansatz, der in dieser Arbeit Eingang findet, basiert auf dem Einsatz nachgiebiger Mechanismen, die die Anforderungen an spiel-, reibungsfreie hochreproduzierbare Bewegungen und somit an eine kontaminationsfreie Konstruktion erfüllen. Die strukturierte Erarbeitung der technischen Lösung dieser Arbeit stellt eine Erweiterung des bestehenden Standes der Technik dar und folgt der bekannten Methode des Konstruktiven Entwicklungsprozesses. Mit den erhaltenen Ergebnissen wird ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung der auf nachgiebigen Mechanismen basierenden Systeme im Allgemeinen als auch zur Weiterentwicklung hochpräziser reproduzierbarer Systeme zum Greifen von ungefassten optischen Bauelemente im Besonderen geleistet.
Experimental investigation of a monolithic stiffness-compensating mechanism based on a preloaded spring. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
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.
Mass exchange system for the QEMMS. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Die neue Kibble-Waage des National Institute of Standards and Technology erfordert ein Massenwechselsystem, für vier bis sechs Testmassen. Es dient dazu, die Testmassen innerhalb der Vakuumkammer zu speichern, sie zwischen Speicher und Waagschale zu transportieren und mit akzeptabel kleinen Positionsabweichungen auf der Waagschale zu platzieren. Die Auslegung des Systems wird durch Randbedingungen und Vorgaben aus dem Institut beeinflusst, die zunächst untersucht werden. Darauf aufbauend wird eine theoretische Betrachtung aller möglichen Ausführungen vorgenommen. Nach einer weiteren Eingrenzung der Bedingungen durch eine Analyse der Platzverhältnisse, der Platzierungsfehler und einer Marktrecherche für vakuumtaugliche Translations- und Rotationstische verbleiben neun praktisch umsetzbare Varianten. Diese werden anhand von technischen Prinzipen unter Beachtung der durch das Gesamtkonzept gegebenen Platzverhältnisse näher analysiert. Aus einer systematische Bewertung gehen drei Varianten hervor, die näher untersucht werden. Abschließend wird eine Empfehlung für ein System ausgesprochen, das eine Reihenschaltung einer horizontalen und einer vertikale Verschiebung vorsieht.
Numerical analysis on main flexure pivots for Kibble balance mechanisms. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
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.
Entwicklung einer Transfereinrichtung für nanoskalige Maßstabsverkörperungen auf freigestellte Mikrosysteme. - Ilmenau. - 134 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Auf dem Gebiet der Nanofabrikation wird aktuell intensiv an einem neuartigen Messkonzept geforscht. Dieses soll Positionier- und Messaufgaben mit einer Auflösung unterhalb der atomaren Grenze ermöglichen. Bei diesem Messkonzept werden Maßstabsverkörperungen in Form von Festkörpern mit periodischer Struktur verwendet. Diese werden mit einem spitzenbasierten Messsystem abgetastet. Derartige Maßstabsverkörperungen müssen in entsprechende Positionier- und Messeinrichtungen integriert werden. Bei diesen Einrichtungen handelt es sich um Mikrosysteme. Für die Bestimmung eines geeigneten Integrationsprozesses werden zunächst Synthese- und Transferprozesse systematisiert. Dabei geht der Chip-on-Chip-Transfer in einer Vorauswahl als beste Lösung hervor. Mit diesem Prozess können jegliche Materialien mithilfe eines Trägerchips in ein Mikrosystem transferiert werden. Für die Entwicklung des Chip-on-Chip-Transfers wird zu Beginn eine metrologische Vorbetrachtung zum Einfluss der Lage des Trägerchips auf die Genauigkeit der Positionsmessung durchgeführt. Daraus werden Anforderungen abgeleitet und geeignete Ansätze für Kalibrierverfahren entwickelt. Die Gesamtfunktion des Transfers wird strukturell in Teilfunktionen gegliedert. Für die anschließende Prinzipsynthese wird der Schwerpunkt auf die Kopplung des Trägerchips zum Mikrosystem gelegt. Dafür muss eine spielfreie, unmittelbare und zerstörungsfrei lösbare Verbindung auf Mikrosystemebene konzipiert werden. Anhand eines Ausschlussverfahrens fällt die Wahl auf eine Klemmverbindung. Eine mehrwertige Bewertung zeigt, dass sich in den Trägerchip integrierte Aktoren eignen, um die Klemmung zu schließen beziehungsweise zu lösen. Eine solche Klemmverbindung wird konkretisiert. Für die integrierten Aktoren kommen Bimetall-Aktoren zum Einsatz. Diese werden berechnet und ausgelegt. Unterstützt werden die Bimetall-Aktoren durch ein mechanisches Aufspreizen der Klemmbacken. Dadurch rastet der Trägerchip im Mikrosystem ein und ist in seiner Lage definiert. Ergebnis der wissenschaftlichen Arbeit ist ein konkretisiertes technisches Prinzip, das in einen technischen Entwurf überführt werden kann.