Aufbau und Inbetriebnahme einer automatisierten Messeinrichtung für die Messung von Schallabstrahlungen an Maschinen. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Mit Einführung der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung am 6. März 2007 in Deutschland sind die Hersteller von Arbeitsmaschinen verpflichtet worden, Angaben zur verursachten Geräuschemission ihrer Produkte bei üblichen Einsatzbedingungen zu machen. Lärmschwerhörigkeit gehört nach wie vor zu den führenden Berufskrankheiten in Deutschland, weshalb die Hersteller entsprechend Wert darauf legen, vorgeschriebene Geräuschemissionskennwerte ihrer Produkte einzuhalten. Dazu ist es notwendig, den emittierten Schall einer Maschine genau, reproduzierbar und möglichst effektiv zu bestimmen. In dieser Arbeit wird ein vorhandener Portalaufbau mit Handachsen erweitert und in Betrieb genommen, um später als Messroboter automatisiert Schallabstrahlungen an Maschinen messen zu können. Basierend auf der Modellierung der kinematischen Struktur wird es dem fünf-achsigen Roboter ermöglicht, beliebige Trajektorien im dreidimensionalen Raum mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen abzufahren. Dabei werden die Eigenschaften kubischer Splines genutzt, um aus dem vorgegebenen Positionierverlauf des Roboters umsetzbare Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile zu generieren. In zahlreichen praktischen Tests hat sich gezeigt, dass die Lageregelungen ihren Sollwert mit einem kleinen Schleppfehler gut folgen können, jedoch mit der verwendeten Software nicht in jedem Fall ein glatter Positionierverlauf umgesetzt werden kann. Ein Vorschlag zur Verbesserung des Positionierverhaltens wird aus dem Fazit heraus getroffen. Darüber hinaus finden alle im Arbeitsraum vorhandenen Hindernisse in der Programmierung Berücksichtigung, indem ausgehend von der Modellierung des Konfigurationsraumes das Potentialverfahren zur Kollisionsvermeidung angewandt wird.
Artificial tactile sensors for surface texture detection - finite element models and numerical treatment. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Das Vorbild für taktile Sensorkonzepte auf Basis von Balkenstrukturen sind die im Tierreich weit verbreiteten Tasthaare oder Vibrissen. Die nachgewiesene Leistungsfähigkeit des Sensorkonzeptes ist beeindruckend, jedoch lässt die bisherige technische Umsetzung auf Grund der Komplexität und des unvollkommenen Verständnisses noch viele Fragen offen. Dies gilt insbesondere für eine kürzlich entdeckte Funktionalität des Sensors, die sich auf die Unterscheidung verschiedener Oberflächen bezieht. Der Großteil der vorhandenen Veröffentlichungen basiert auf einer empirischen Vorgehensweise, bei der nichtlineare mechanische Aspekte und tribologische Gesichtspunkte oft nur unzureichend in Betracht gezogen werden. An dieser Stelle setzt die aktuelle Arbeit an, die auf einem nichtlinearen mechanischen Modell des Sensorsystems in Verbindung mit Coulomb'scher Reibung basiert. In drei Modellierungsstufen wird, beginnend mit einem punktuelle Kontakt, zunächst die Kontaktformulierung verfeinert und darauffolgend dynamische Effekte in die Berechnung einbezogen. Für die Berechnung wird auf die Finite-Elemente-Methode in ANSYS zurückgegriffen. Die Eigenschaften des biologischen Sensorsystems, wie elastische Lagerung, Konizität und Vorkrümmung, werden modelliert und deren Effekt mit der angestrebten Sensorfunktion in Beziehung gesetzt. Besondere Beachtung findet die Bestimmung der Grenzen des Arbeitsbereiches des Sensors, die auch in einem parallel durchgeführten Experiment beobachtet werden können. Das untersuchte komplexe statische Verhalten des Sensors wird durch eine erste, beispielhafte dynamische Berechnung des Sensors ergänzt, durch die, in Gegenüberstellung mit dem Experiment, eine konkrete Messstrategie für das Sensorkonzept erarbeitet wird.
Artificial tactile sensors for surface texture detection - analytical and numerical investigations. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Natürliche Vibrissen, z.B. von Ratten und Mäusen, erfüllen eine Reihe von Funktionen. So kann neben dem Abstand zu einen fremden Objekt und dessen Kontur auch die Oberflächenbeschaffenheit untersucht werden. Ausgehend vom natürlichen Vorbild soll der Prozess Oberflächenuntersuchung für eine technische Anwendung adaptiert werden. Ein erster theoretischer Ansatz wurde von der Gruppe um Steigenberger und Behn formuliert. In diesem wird die Vibrisse durch einen Euler-Bernoulli-Balken und der Vibrissen-Oberflächenkontakt mittels des Coulomb'schen Reibgesetztes modelliert. Im Zuge des Kontaktes mit der Oberfläche wird die Vibrisse verformt. Beim Einleiten einer linearen Bewegung des Fußpunktes der Vibrisse, so dass die Vibrisenspitze geschoben wird, haftet selbige anfangs an der Oberfläche. Die Reibungskraft verhindert eine Bewegung der Vibrissenspitze bis der entsprechende statische Reibkoeffizient überschritten ist. Durch das Anhaften der Vibrissenspitze wird die Vibrisse verformt. Die Bewegung des Fußpunktes geht einher mit einer Änderung der wirkenden Kräfte und der Momente. Aus diesen Änderungen soll der vorhandene statische Reibkoeffizient bestimmt werden. Die Einflüsse einer elastischen Lagerung, eines konischen Balkens, eines vorgekrümmten Balkens und einer geneigten Kontaktebene auf die wirkenden Kräfte und das Moment werden anhand von Parameterstudien analysiert. Aus den Untersuchungen zur elastischen Lagerung, dem vorgekrümmten Balken und der geneigten Kontaktebene können Rückschlüsse auf die Effekte für einen realen taktilen Sensor gezogen werden. Die Ergebnisse für den konischen Balken sind nur von theoretischer Relevanz. In einem nächsten Schritt werden die Ergebnisse eines quasi-statischen Modells experimentell ermittelten Daten gegenübergestellt. Die lineare Bewegung wird durch das schrittweises Weitersetzen der Sensoraufnahme realisiert. Mittels Bildverarbeitung werden alle Verformungszustände des Sensors ausgewertet. Diese Daten werden mit den Ergebnissen der Simulation verglichen. Die Grundidee des Messprinzip kann erfolgreich angewendet werden.
Entwicklung, Bau und Test eines Antriebs für eine Tensegrity-Struktur. - 46 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Für einen existierenden Greifer, basierend auf einer Tensegrity Struktur, ist ein elektrischer Antrieb zu entwickeln. Die beiden charakteristischen Gleichgewichtslagen und die grundlegenden Eigenschaften der Struktur müssen auch mit dem Antrieb erhalten bleiben. Vorbereitend auf die Entwicklung eines miniaturisierten Greifersystems wurden verschiedene Fertigungsverfahren untersucht und bewertet. Zwei Funktionsmuster mit unterschiedlichen Antrieben wurden entwickelt und getestet. Je ein System mit translatorischem und rotatorischem Antrieb. Beide Prototypen bestehen aus Aluminiumstäben, die durch 3D-gedruckte Kunststoffteile verbunden sind. Zusätzlich wurde ein verkleinerter Greifer entworfen, um die Eigenschaften von Silikonfedern in Tensegrity Strukturen zu testen.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/857193163roede.txt
Fallstudien zur Auswertung von nichtlinearen erzwungenen und erregten Schwingungsvorgängen. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der grundlegenden Untersuchung von erzwungenen, parametererregten und selbsterregten Schwingungen. Die Schwingungsanalyse der (linearen) Systeme mit unterschiedlichem Freiheitsgrad wird dadurch realisiert, dass ein Beispielmodell mechanischer Schwingungssysteme zuerst vorgestellt und dessen Charakteristik dann mit mathematischer Beschreibung - Bewegungsdifferenzialgleichung - analysiert wird. Die Ergebnisse werden mithilfe der Softwarepakete Maple oder MATLAB numerisch simuliert. Als Grundlagen werden zunächst die erzwungenen Schwingungen von linearen Systemen mit einem Freiheitsgrad durch harmonische Erregungen diskutiert, deren Beispiele in direkte und indirekte Erregungen unterteilt sind. Danach werden die Schwingungsantworten eines Feder-Masse-Dämpfer-Systems, das durch Testerregungen (z.B. Sprung- und Stoßfunktionen) angeregt wird, analysiert. Im Anschluss wird die Untersuchung eines Zweimassensystems durch direkte und indirekte harmonische Erregungen durchgeführt, um gewonnene Erkenntnisse aus den Fällen mit Freiheitsgrad 1 zu übertragen. Danach werden die Schwingungen von Einmassen- und Zweimassensystemen durch T-periodische Erregungen mithilfe der Fourier-Reihen-Analyse diskutiert. Den Abschluss bilden die Untersuchungen von parameter- und selbsterregten Schwingungen durch typische Beispiele, wie ein Fadenpendel mit periodisch bewegtem Aufhängepunkt oder mit veränderlicher Pendellänge für parametererregte Schwingungen. Selbsterregte Schwingungen werden durch die Beispiele Reibschwingung und Rattern von Werkzeugmaschinen demonstriert.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/856958530yang.txt
Theoretische und numerische Untersuchungen der parametrischen Resonanz mechanischer Vibrissen. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Tasthaare von Säugetieren werden als Vibrissen oder Schnurrhaare bezeichnet. Sie dienen der Erkundung der Umgebung und befinden sich an verschiedenen Stellen des Tierkörpers. Mystaziale Vibrissen sind im Bereich der Schnauze zu finden. Karpale Vibrissen befinden sich an der Unterseite der Vordergliedmaßen von Säugetieren. Das Vibrissenhaar hat eine konische Form und wächst aus einem speziellen, stark innervierten Haarfollikel, der in einem Blutsinus eingegliedert ist. Da das Haar selbst keine Rezeptoren hat, kann es als ein Übertragungssystem für Kräfte und Momente zum Rezeptorsystem im Follikel betrachtet werden. Kräfte und Momente entstehen aus dem Kontakt des Haars zu einem Objekt. - In der vorliegenden Masterarbeit wird die Schwingung der Vibrisse während eines natürlichen Erkundungsprozesses aus dem Blickwinkel der Mechanik untersucht. Das Phänomen der parametrischen Resonanz der Vibrisse wird analytisch und numerisch betrachtet. Im ersten Teil der Arbeit werden zwei Modelle eines elastischen Balkens aus der Literatur verwendet. Das erste Modell besteht aus einem geraden Balken mit einer kreisrunden Querschnittsfläche mit linear abnehmenden Radius. Im zweiten Modell wird die natürliche Krümmung der Vibrisse in Form eines zylindrischen Balkens mit kreisbogenförmiger Stabachse berücksichtigt. Unter Verwendung der Euler-Bernoulli-Balkentheorie und asymptotischen Methoden der Mechanik werden kleine transversale Schwingungen des Balkens analysiert. Sie werden am Stabende durch eine periodische, der Verformung folgenden Kraft ausgelöst. - Im zweiten Teil der Arbeit folgt die numerische Analyse des Problems mit Hilfe der Finiten Elemente Methode. Verwendet wird das Programmpaket ANSYS 16.2. Für jedes Modell wird die dynamische Antwort der parametrischen Erregung für verschiedene Frequenzwerte simuliert. - Es wird analytisch und numerisch gezeigt, dass für spezifische Wertebereiche der Erregungsfrequenz das Phänomen der parametrischen Resonanz des Balkens entsteht. Das heißt, die Schwingungsamplitude des Balkens wächst über die Zeit exponentiell an, wenn es mit einer Frequenz aus dem Bereich der parametrischen Resonanz erregt wird. Dieser Bereich ist abhängig von geometrischen Parametern, Materialeigenschaften und von der Amplitude der periodischen Erregung.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/856634018perez.txt
Modelling, simulation and experimental verification of a wheeled locomotion system based on omnidirectional wheels. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die folgende Arbeit konzentriert sich auf die kinematische und dynamische Studie eines vierrädrigen Roboter, der mit Mecanum Rädern ausgestattet ist. Das Hauptziel der Arbeit ist, ein mathematisches Modell zu erhalten, aus denen sowohl die Kinematik und Kinetik des Roboters analysiert werden kann. Darüber hinaus stellt die Studie eine Methodik der Drehmomente (und nachfolgende zugehörige Spannungen) von jedem der Motoren auf den Roboter für eine bestimmte Flugbahn bereitgestellt zu optimieren. Ein System, in dem ein nicht-angetriebenen Anhänger von dem Roboter gezogen wird auch bei einer kinematischen Ebene analysiert. In dieser Stufe werden vier verschiedene Fälle betrachtet. Die Konstruktion des Anhängers ist auch auf dieser Arbeit beschrieben. Im ersten Kapitel, das weltweit Stand der Technik bei der Analyse und Kontrolle der omnidirektionalen Roboter (mit Schwerpunkt auf Roboter mit Mecanum Räder) wird vorgestellt. Im zweiten Kapitel werden die physikalischen Überlegungen für die allgemeine Bewegung des Roboters werden analysiert, um die kinematische Bedingungen des Bewegungsapparates abzuleiten. Die Differentialgleichung der Bewegung wird dann Lagrange-Gleichungen mit Multiplikatoren abgeleitet wird. In diesem Kapitel werden auch die kinematische Analyse für einen Roboter-Anhänger-System. Das dritte Kapitel beschreibt den allgemeinen Prozess von der Konstruktion des Anhängers, auch die abgelehnten Ideen für den Bau. Das vierte Kapitel konzentriert sich auf die endgültigen Ergebnisse des Designprozesses zu überprüfen, sowie Tests, die Mobilität des Systems zu überprüfen. Schlussfolgerungen und zukünftige Arbeit auf dem letzten Teil des Dokuments analysiert, sowie die Referenzen und der Danksagung an alle Leute in das Projekt involviert.
Investigations on electrical conducting magnetic hybrid materials for sensor and actuator systems. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Wissenschaftler und Ingenieure sind motiviert, neue Elemente und Materialien zu untersuchen und zu verstehen. Materialien mit neuen Eigenschaften wecken besonderes Interesse der Forschung und daraus entstehen zumeist auch innovative Anwendungsmöglichkeiten. Einer dieser modernen Stoffe sind Ferrofluide. Diese weisen ein spezielles, smartes Verhalten unter dem Einfluss von magnetischen Feldern auf. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise für Stoßdämpfer bei Automobilen sowie unter anderem für die Messung der Viskosität von Flüssigkeiten. Magneto-sensitive Elastomere (MSE) sind Materialien, die ähnliche Eigenschaften wie Ferrofluide aufweisen. Der wesentliche Unterschied liegt in dem festen Zustand des Materials, unabhängig von der An- oder Abwesenheit eines magnetischen Feldes. MSE weisen eine Polymer-Matrix auf, die magnetische Partikel enthält. Diese ermöglicht dem Material intelligentes Verhalten bei magnetischen Feldern. Im vorliegenden Projekt waren die magnetischen Partikel Eisenpulver und einige Mengen Graphit, die hinzugefügt wurden, um elektrische Leitfähigkeit zu ermöglichen. Mehrere Proben magneto-sensitiver Elastomere wurden auf ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften hin bei Einfluss eines magnetischen Feldes untersucht. Das magnetische Feld wurde mit Hilfe von Permanentmagneten induziert und durch die variierendere Position der Magnete mit einem motorisierten Positionierungssystem verändert. Die aus den Ergebnissen gewonnenen Schlussfolgerungen können im Design und Bau von Sensoren und Stellteilen Anwendung finden.
Entwicklung von kaskadierten Lokomotionssystemen und Implementierung von Reglungsalgorithmen. - 139 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit ist eine Testumgebung zur experimentellen Untersuchung der Bewegung kaskadierter, wurmartiger Lokomotionssysteme. Diese Systeme bestehen aus N Segmenten, die durch N - 1 Antriebe relativ zueinander verschoben werden. Durch die synchronisierte Ansteuerung der Antriebe können verschiedene Bewegungsmuster des Systems realisiert werden. Ziel dieser Arbeit ist es einen Algorithmus zur Realisierung einer konstanten Geschwindigkeit des Kopfsegments auf dem bestehenden Roboterprototyp zu implementieren und experimentell zu testen. Dabei bildet die Neuprogrammierung einer verbesserten, lizenzunabhängigen Bedienoberfläche zur Ansteuerung der Testumgebung und der effizienten Auswertung von Messdaten einen zentralen Punkt. Mit den aus der Analyse der vorhandenen Testumgebung gewonnenen Erkenntnissen werden im ersten Teil dieser Arbeit konkrete Verbesserungsvorschläge formuliert. Nach der Einführung in die kinematische Theorie zur Berechnung von Bewegungsmustern erfolgt die mathematische Formulierung des Algorithmus zur Realisierung einer konstanten Kopfgeschwindigkeit und dessen Überprüfung in einer Computersimulation. Darüber hinaus wird für die verbesserte Ansteuerung ein serielles Kommunikationsprotokoll für den Austausch von Daten entwickelt und die bestehende, auf dem Roboterprototypen implementierte, Software verbessert und um zusätzliche Algorithmen erweitert. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung des implementierten Algorithmus werden diskutiert und mit den numerischen Ergebnissen der Simulation verglichen. Abschließend sind aus den gewonnenen Erkenntnissen Optimierungsmöglichkeiten für den vorhandenen Roboterprototypen aufzeigen.
Analyse von Regelstrategien für Roboterstrukturen mit muskelähnlichen Antrieben und numerische Simulationen. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
In der vorliegenden Bachelorarbeit sind Aktoren mit muskelähnlichen Eigenschaften im Vordergrund. Es wird der Frage aus der Steuerungstechnik nachgegangen, unter welchen Bedingungen eine Intensitätensteuerung für ein antagonistisches Muskelpaar zur Stabilisierung von Gleichgewichtslagen oder Verfolgung von Bahnkurven eingesetzt werden kann. Dabei ist es das Ziel zu klären, inwiefern sich verschiedene Ansätze für die Intensitäten, zum Beispiel unterschiedlich starke Aktoren und neue Regelstrategien theoretisch umsetzen lassen. Zu Beginn der Arbeit wird daher ein Einblick in den Stand der Technik aktueller technischer Muskel-Modelle und deren Einsatz bei bisherigen Prototypen gegeben. Darauf aufbauend werden analytische Muskel-Modelle vorgestellt, die sich leicht numerisch implementieren lassen, um oben angesprochene Simulationen durchzuführen. Anschließend werden numerische Simulationen von Roboterstrukturen mit dem Freiheitsgrad n=1 und n=2 ausgeführt, um Rückschlüsse auf die Steuerung im Grenzverhalten zu erhalten. Ebenso werden die Intensitäten und deren Differenz analysiert, die für die Entwicklung einer Steuerung mit adaptiven und einschränkenden Eigenschaften notwendig sind. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass der Betrieb von Aktoren mit unterschiedlichen Stärken sowohl bei wechselnder, als auch bei paralleler Aktivität eine Steuerungsmöglichkeit ist. Eine weitere Erkenntnis ist, dass eine kombinierte Steuerung aus einem adaptiven und beschränkten Regler ebenfalls eine Variante ist, die sich von vornherein im vorgegebenen Steuerbereich befindet. Die Vorteile dieser gegenüber einer beschränkten Steuerung ist eine bessere Positionierung in relativ kurzer Zeit. Die klassische und die adaptive Steuerung kommen für eine Anwendung auf Intensitäten basierende Steuerung nicht in Frage, da diese keine Grenzen für ihr Steuerergebnis von Anfang an besitzen und somit den Steuerbereich verlassen könnten.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/847197999tuchs.txt