Studienabschlussarbeiten

Nachgiebige Mechanismen besitzen aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften ein großes Potenzial für Anwendungen in der Präzisionstechnik, Messtechnik, Robotik, Bionik und Medizintechnik. Ein verbreiteter Ansatz zur Synthese von nachgiebigen Mechanismen mit konzentrierter Nachgiebigkeit ist die Nutzung von Starrkörpermechansimen. Dabei werden die Gelenke des Starrkörpermechansimus durch Festkörpergelenke in gleicher Position ersetzt. Die Eigenschaften der Festkörpergelenke und deren verbindende Glieder führen zu einer Abweichung vom Bewegungsverhalten des Starrkörpermechanismus. Zudem beschränkt die Dehnungsgrenze den Bewegungsbereich des Mechanismus. Für die zielgerichtete Auslegung von nachgiebigen Mechanismen bedarf es allgemeingültiger Synthesemethoden und Gestaltungsrichtlinien, die den konstruktiven Entwicklungsprozess gesamtheitlich erfassen. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Synthese von nachgiebigen Mechanismen am Beispiel eines hochpräzisen Positioniersystems für die Realisierung von mehreren unabhängigen Bewegungsachsen mit großem Bewegungsbereich (maximaler Stellweg der Translation ±10mm). Hierzu werden optimierte Gelenkkonturen verwendet, die mittels vorteilhaften Polynomfunktionen 4. Ordnung beschreiben werden. Es wird eine Methode zur bewertungsgerechten Skalierung von Starrkörpermechanismen für die Synthese von nachgiebigen Führungsmechanismen vorgestellt, bei der der maximale Gelenkdrehwinkel und der erreichbare Stellweg des zu erzeugenden nachgiebigen Mechanismus Beachtung finden. Für die Realisierung einer translatorischen Bewegung wird eine Reihe von Starrkörpermechanismen zur Ebenengeradführung erarbeitet und verglichen. Es wird unter anderem ein neuartiger 10-Gelenk-Mechanismus vorgestellt, der im Rahmen dieser Arbeit entworfen und optimiert wird. Dieser Mechanismus wird zur Synthese eines nachgiebigen Teilmechanismus genutzt. Für den erzeugten Teilmechanismus werden die Führungseigenschaften in Abhängigkeit von der Lage des Antriebspunktes mittels der Finite-Elemente-Methode simuliert. Anschließend werden zwei Teilmechanismen zu einem monolithischen Positioniersystem mit zwei translatorischen Bewegungsachsen gekoppelt. Für dieses werden die Führungseigenschaften simulativ untersucht. Es wird ein Versuchsaufbau einschließlich der Lagerungs- und Antriebsrealisierung entworfen, um mit einer messtechnischen Untersuchung die Simulationsergebnisse zu verifizieren.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen haptischen Eingabegerätes. Als Vorlage dienen bereits vorangegangene Entwurfsarbeiten und Literaturrecherchen. Das bisherige Konzept wird unter Einbeziehung ergonomischer Aspekte verfeinert. Die Vorgehensweise für die Entwicklung des haptischen Eingabegerätes basiert auf den VDI Richtlinien VDI 2206 und VDI 2221. In der ersten Phase der Arbeit erfolgen die Aufgabenpräzisierung sowie die Informationsbeschaffung. Es werden vorhandene technische Parameter von vorangegangenen Arbeiten überprüft, neu definiert und in Form einer Anforderungsliste aufgestellt. Im nächsten Schritt wird darauf basierend die Funktionsstruktur erstellt. In der zweiten Phase der Arbeit erfolgt, auf Basis der physiologischen Grundlagen der haptischen Wahrnehmung des Menschen und des Stands der Technik, eine umfassende Analyse von geeigneten Aktor-/ sowie Sensorprinzipien. Im Hinblick auf die Erreichung der Zielparameter, sowie deren technischen Umsetzbarkeit, werden darauffolgend, mit Hilfe von Kombinationstabellen, verschiedene Lösungsmöglichkeiten erarbeitet und bewertet. Aufgrund der Bewertung, die auch nicht technisch determinierte Aspekte einbezieht, wird das optimale Konzept ausgewählt und zu einem konkretisierten Technischen Prinzip weiter verfeinert. Es erfolgt die Umsetzung des gewählten Konzeptes in die Konstruktion eines Funktionsmusters und die Dokumentation der Ergebnisse. Ein Ausblick sowie Hinweise für weiterführende Arbeiten schließen die Arbeit ab.

Das Kilogramm ist die einzige SI Basiseinheit, die über einen materiellen Prototyp definiert wird. Alle Massenormale und Gewichtssätze die für Vergleichsmessungen genutzt werden, sind über eine ununterbrochene Kalibrierkette an den internationalen Prototypen angeschlossen. Für Vergleichsmessungen der Prototypen und den Anschluss von Primärnormalen werden Prototypenmassekomparatoren genutzt. In dieser Arbeit wird ein Lastwechsler für die Substitutionswaagschale eines 1kg-Massekomparators entwickelt. Wenn im Massekomparator Lasten kleiner als 1 kg verglichen werden, müssen diese zu einem Kilogramm ergänzt werden, da in der Wägezelle ein fest eingebautes Ausgleichsgewicht vorhanden ist. Dafür werden Substitutionsgewichte auf eine Substitutionswaagschale gestellt. Aktuell werden die Substitutionsgewichte, manuell gewechselt. Zu diesem Zweck muss die Vakuumkammer geöffnet werden. Das erneute Aufbauen des Hochvakuums von 10^(-6) mbar nimmt ca. zwei Tage in Anspruch. Durch den Lastwechsler an der Substitutionswaagschale können vier Vergleichsmessungen, mit verschiedenen Massen (die kleiner als ein Kilogramm sind) ohne öffnen der Vakuumkammer durchgeführt werden. Damit lassen sich ca. sechs Tage Verlustzeit einsparen. Besondere Anforderungen an die Entwicklung sind zum einen die Tauglichkeit für den Einsatz im Hochvakuum und unter atmosphärischen Bedingungen und zum anderen der Ausschluss der Erzeugung von Magnetfeldern, thermischen Verlustleistungen oder statischen Aufladungen. Die entwickelte Einrichtung besitzt eine feste Staffelung von neun Gewichtsstücken, die die Ergänzung aller OIML R 111-1 Standard Gewichte zwischen 1 kg und 1 g ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit werden technische Prinzipe zur Lösung der Aufgabe ermittelt und bewertet. Im Anschluss daran steht die Konstruktion des Lastwechslers mit den Berechnungen für die selbstzentrierenden Gewichtsstück, die Parallelfederführung und die Antriebs- und Getriebeeinheit im Mittelpunkt. Das Ergebnis ist der Technische Entwurf und ein dazugehöriges CAD-Modell für die Fertigung des Demonstrators, welcher im Rahmen weiterer Untersuchungen praktisch erprobt werden soll.

Lichtschicht-Mikroskopie ist eine Methode zur Untersuchung biologischer Proben ohne diese zu zerstören. Dabei beleuchtet ein fokussierter und in eine Richtung gescannter Laserstrahl eine transparente Probe. In der Probe befinden sich fluoreszierende Moleküle, welche durch die Beleuchtung angeregt werden. Senkrecht zur beleuchteten Ebene befindet sich eine Kamera, welche das emittierte Licht detektiert. Nachdem ein Bild aufgenommen wurde, wird die Probe um einen kleinen Betrag in Beobachtungsrichtung bewegt, sodass am Ende einer Messung für jede Ebene der Probe ein Bild vorliegt. An der University of Minnesota in Minneapolis wurde ein solches Mikroskop (sTSLIM) entwickelt und sukzessive verbessert. Es liefert eine gute Bildqualität für kleine und fast transparente Proben. Diese Arbeit beschreibt die Implementierung eines Bessel-Strahls in das Mikroskop als Ergänzung zum bisherigen Gauß-Strahl. Der Bessel-Strahl kann sich nach Streuung oder teilweiser Abschattung regenerieren und ermöglicht dadurch eine tiefere Eindringtiefe in großen Proben (bis zu 1.5 cm). Das Optik-Design ist in einer früheren Arbeit entwickelt worden und besteht aus einem Axicon, einer Blende und einer konvexen Linse. Es wurde ein technisches Prinzip entwickelt, welches dem Nutzer erlaubt ohne erneutes Justieren zwischen den Strahlen zu wechseln. Um die Funktion aller optischen Teile zu gewährleisten wurde eine Ergänzung der bestehenden Justieranleitung erarbeitet. Das ringförmige Muster um das Zentrum des Bessel-Strahls erfordert einen zusätzlichen Scan-Algorithmus: die "confocal line detection" (CLD). Um die Nichtlinearität des Galvo-Spiegels auszugleichen, wurde ein Referenzscan entwickelt und ebenfalls in die Software implementiert. Die Funktion aller umgesetzten Neuerungen wurde in Tests nachgewiesen. Die Bildqualität der CLD ist für kleinere Proben ähnlich zu der des gescannten Gauß-Strahls. Für besonders dichte und große Proben ist die Bildqualität des Bessel-Strahls im Vergleich besser. Die CLD wurde zusätzlich mit dem Gauß-Strahl betrieben was zu einer noch besseren Qualität führte.

Diese wissenschaftliche Arbeit dient der Erprobung und Charakterisierung einer Teilfunktion eines Werkzeugs zur Herstellung asphärischer Optikkomponenten. Ausgangspunkt sind zwei Koppelstellendemonstratoren, welche jeweils wesentlich aus einem Array von Luftlagerelementen bestehen. Charakterisierende Größen werden abgeleitet, geeignete Messmittel ausgewählt und in einen für diese Messaufgabe konzipierten Teststand integriert. Eine Trennung von Kraft- und Messkreis ermöglicht eine Reduzierung der Messunsicherheit. Im Rahmen der Erprobung wird die Tauglichkeit der Koppelstelle nachgewiesen und die Abhängigkeit der Tragkraft von Speisedruck und Luftspalthöhe ermittelt. Weiterhin wird festgestellt, dass sich Kunststoff-Folien als Lagergegenflächenmaterial eignen. Die ermittelte Summenkennlinie entspricht hierbei der Reihenschaltung aus Foliensteifigkeit und Lagersteifigkeit. Dies erlaubt eine gezielte Auslegung der Koppelstelle entsprechend technischer Anforderungen.