Theses

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.