Entwicklung von nachgiebigen Greiferstrukturen auf Basis magnetosensitiver Elastomere. - 128 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Diese Arbeit behandelt die Entwicklung eines mechanisch nachgiebigen Greifers auf Basis magnetosensitiver Elastomere. Die mechanischen Eigenschaften und die Gestalt von Strukturen, bestehend aus diesen Werkstoffen, können durch Magnetfelder verändert werden. In einem ersten Schritt der Arbeit werden experimentelle Untersuchungen zum statisch-mechanischen Materialverhalten eines ausgewählten magnetosensitiven Elastomers, bestehend aus einem Silikon-Elastomer und Carbonyl-Eisen-Pulver, durchgeführt. Der Fokus hierbei liegt auf der Betrachtung des, für diese gefüllten Elastomere charakteristischen, Mullins-Effektes in Abhängigkeit des permeablen Pulveranteils. Anschließend werden verschiedene Greiferprinzipien diskutiert und in Hinblick auf das zu verwendende Material und elektromagnetisches Antriebsprinzip bewertet. Zum Manipulieren von empfindlichen Gegenständen werden bevorzugt Greifer auf Basis von Formschluss verwendet. Hierbei stellen sogenannte Fin-Ray-Strukturen eine vielversprechende Alternative dar. Den wesentlichen Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung von Greiferfingern auf Grundlage des Fin-Ray-Effektes unter Verwendung des magnetosensitiven Werkstoffes. Die Festlegung der Gestalt der Strukturen erfolgt hierbei mit Hilfe von numerischen Untersuchungen. Zur Verifizierung der theoretischen Ergebnisse wird abschließend ein Greifer, mit den entworfenen Fingern, experimentell erprobt, sowie seine Einsatzmöglichkeiten diskutiert.
Anwendung nichtlinearer Biegetheorie auf elastische Balken zur Objektabtastung am Beispiel passiver Vibrissen mit unterschiedlicher Lagerung. - 71 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Ratten und Mäuse sind in der Lage mit nur wenigen Berührungen ihrer mystazialen Vibrissen (Sinneshaare) Objekte zuverlässig zu erkennen. In dieser Arbeit wird das biologische Vorbild Vibrisse durch lange schlanke Balken modelliert, welche große Auslenkungen aufweisen dürfen. Der Fokus liegt dabei auf der Lagerung dieser Balken im Hinblick auf die Hypothese, dass die Tiere die Lagersteifigkeit gezielt steuern können, um unterschiedliche Aufgaben besser lösen zu können. Zuerst wird der Vorbeizug einer Vibrisse an einem streng konvexen Profil unter Verwendung einer Einspannung als Lagerung berechnet. Diese Problemstellung führt auf ein nichtlineares Randwertproblem mit singulärer Jakobimatrix. Von Beginn an wird dieses Problem weitestgehend analytisch betrachtet, was zu einer Formel für den Kontaktpunkt führt. Es wird anschließend gezeigt, dass es möglich ist, den Kontaktpunkt der Vibrisse mit dem Profil einzig aus den Observablen (Lagerreaktionen und der Position der Lagerung) zu bestimmen. Anschließend wird die starre Lagerung durch eine elastische Lagerung ersetzt. Auch dieses Problem wird analytisch behandelt und es werden Profile mit verschiedenen Federsteifigkeiten aus den Observablen rekonstruiert. Zusätzlich dazu werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie sich eine Änderung der Lagersteifigkeit auf die Observablen auswirkt. Auch bei sich ändernder Lagersteifigkeit ist eine genaue Bestimmung des Kontaktpunktes möglich.
Manipulatoren zum Verschieben von gefassten Linsen. - 91 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Die Positionierung von optischen Elementen in der Hochleistungsoptik erfolgt durch manipulierbare Linsenfassungen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Neukonstruktion einer monolithischen Linsenfassung als nachgiebiger Mechanismus. Es wird der Konstruktions- und Entwicklungsprozess dokumentiert und die dabei getroffenen Annahmen dargestellt. Während des Entwicklungsprozesses werden Kennwerte und Anforderungen an die Neuentwicklungen zusammengestellt. Diese bilden die Grundlage für die Konzeption einer neuen Manipulatorkinematik mit einem Grob- und Feintrieb. Zur Ermittlung von Erwartungswerten und zur Gestaltanpassung erfolgt eine Analyse der Konstruktion mittels der Finiten-Elementen-Methode. Die Validierung des im Rahmen der Arbeit erstellten Prototypen, sowie der Abgleich der durch die Auslegung und Simulation ermittelten Erwartungswerte erfolgen durch eine messtechnische Untersuchung.
FEM-basierte und messtechnische Untersuchung von nachgiebigen Koppelmechanismen mit optimierten Festkörpergelenken. - 77 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Nachgiebige Mechanismen gewinnen aufgrund zahlreicher Vorteile wie Spiel-, Reibungs- und Verschleißfreiheit für Führungs- und Übertragungsaufgaben in der Präzisions- und Mikrotechnik zunehmend an Bedeutung. Die häufig angewendete Methode bei der Synthese nachgiebiger Koppelmechanismen besteht darin, die Drehgelenke eines bekannten Starrkörpermechanismus durch stoffschlüssige Biegegelenke zu ersetzen und über starre Glieder zu verbinden. Durch die Untersuchung und Optimierung der Gelenkabmessungen sowie der Aussparungskontur kann der Bewegungsbereich, das Bewegungsverhalten und die Bewegungsübersetzung maßgeblich verbessert werden. Die vorliegende Masterarbeit behandelt die FEM-basierte Untersuchung und Optimierung der Festkörpergelenke von zwei nachgiebigen Koppelmechanismen, die auf basierend auf exakten Geradführungsmechanismen mit einem Schubgelenk gestaltet sind. Das Bewegungsverhalten (Bahnabweichung) sowie die Bewegungsübersetzung bei unterschiedlicher Aussparungskontur wird anhand eines gewählten Beispielmechanismus mit einem entwickelten Prüfstand messtechnisch untersucht, um die FEM-Ergebnisse zu prüfen und die Gültigkeit der FEM-Untersuchung für nachgiebige Koppelmechanismen zu validieren. Anhand der simulativen und messtechnischen Untersuchungsergebnisse bestätigt sich das Potenzial einer polynomförmigen Aussparungskontur. Der Polynomgrad als maßgebender Parameter der Kontur wird für die Optimierung der Festkörpergelenke von nachgiebigen Koppelmechanismen hinsichtlich des Bewegungsbereichs und des Führungsverhaltens genutzt.
Konzeption und Konstruktion eines kombiniert translatorisch-rotatorischen Aktuators für hochdynamische Anwendungen. - 112 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Lineare und rotative Motoren mit je einem Freiheitsgrad sind schon seit Jahrzehnten Stand der Technik. Antriebe, die eine überlagerte Bewegung mit zwei Freiheitsgraden anbieten (Freiheitsgrad = 2), sind jedoch großteils nur konzeptionell vorhanden und Nutzen für die Linearbewegung oftmals eine Kombination aus Motor und Gewindespindel. Die rotierende Bewegung wird von einem zusätzlichen Motor bereitgestellt. Komplizierte Getriebe überlagern beide Bewegungen, weswegen infolge hoher Trägheiten und Limitierungen des Spindelsystems hochdynamische Zustellbewegungen nicht möglich sind. Der Einsatz eines Solenoidmotors als Linearantrieb eröffnet neue Möglichkeiten einen Dreh-Linear-Aktuator umzusetzen. Durch die direkte Bereitstellung der Linearbewegung, können hochdynamische Zustellbewegungen realisiert werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines solchen Aktuators. Zu Beginn der Arbeit werden verschiedene Anwendungsgebiete vorgestellt, in denen ein hochdynamischer Dreh-Linear-Aktuator Einsatz finden könnte. Anschließend zeigt ein Vergleich, dass die Dynamik des Solenoidmotors deutlich oberhalb derer liegt, die mit einem vergleichbaren Antrieb mit Spindelsystem erreicht werden kann. Die Konzeption des Dreh-Linear-Aktuators erfolgt nach dem "Konstruktiven Entwicklungsprozess (KEP)". Zunächst wird eine Funktionsstruktur erstellt und den darin gefundenen Teilfunktionen, in einer morphologischen Matrix, Teillösungen zugeordnet. Besonders die Führung der mechanischen Komponenten und die Wegerfassung stellen sich als kritische Teilfunktionen dar, sodass diese detaillierter betrachtet werden. Die Ergebnisse münden in fünf verschiedenen Lösungskonzepten, die am Ende der Konzeption miteinander verglichen werden. Das präferierte Konzept wird anschließend konstruktiv umgesetzt und hinsichtlich Schwingungsverhalten, Verformung, Toleranzen, Thermik, Montage und Kosten betrachtet.
Aufbau eines "Modell-Tools" zur Simulation der mechanischen Eigenschaften von Gummi-Metall-Elementen bei der Analyse von Mehrkörper-Systemen (MKS). - 116 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
Das grundlegende Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Gummi-Metall-Elementen (GME) als Voraussetzung für MKS-Simulationen. Die Objekte dieser Simulationen sind in erster Linie Laborzentrifugen, in denen GME eingesetzt werden. Unter dem Begriff der mechanischen Eigenschaften sind jeweils für alle Beanspruchungsarten zum einen die Steifigkeitswerte und zum anderen die Dämpfungskonstanten zu verstehen. Um diese Kennwerte zu ermitteln, werden an der TU Ilmenau vorhandene Prüfstände genutzt. Dies ist allerdings nur für Zug-, Druck- und Schubbeanspruchung möglich. Für Torsions- und Biegebeanspruchung werden daher eigene Messaufbauten konzipiert, die sowohl zur Bestimmung der entsprechenden Steifigkeits- als auch der Dämpfungswerte genutzt werden können. Die Zug- und Drucksteifigkeit wird mithilfe einer Universal-Zug-Druck-Prüfmaschine ermittelt. Auch die Schubsteifigkeit wird auf diese Weise gemessen, allerdings wird dafür eine spezielle Messanordnung der zu prüfenden GME verwendet. Da die zur Verfügung stehende Universal-Zug-Druck-Prüfmaschine keine dynamischen Prüfungen zulässt, erfolgt die Bestimmung von Zug-, Druck- und Schubdämpfung mithilfe eines servohydraulischen Prüfstandes, dessen eigentlicher Zweck die Prüfung von Kraftfahrzeugstoßdämpfern ist. Für die Ermittlung der Dämpfungskonstanten werden zwei Verfahren genutzt: Erzwungene harmonische Schwingungen in Verbindung mit den Prüfstandsmessungen und Ausschwingversuche in Kombination mit den eigens konzipierten Aufbauten. Gewissermaßen als Nebenprodukt lässt sich aus den Ergebnissen des erstgenannten Verfahrens die Größe der dynamischen Zug-, Druck- und Schubsteifigkeit bestimmen. Schließlich bilden die auf den unterschiedlichenWegen ermittelten Steifigkeitswerte und Dämpfungskonstanten die Steifigkeitsmatrix C bzw. die Dämpfungsmatrix D, die elementarer Bestandteil der allgemeinen räumlichen Bewegungs-Differentialgleichung sind. Für MKS-Simulationen bilden diese Matrizen zugleich das Materialverhalten der GME zahlenmäßig ab.
Untersuchungen zum Einsatz elasto-plastischer Werkstoffmodelle in zyklischen thermisch-mechanischen FE-Analysen für Abgasturbolader. - 86 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Der Einsatz von Abgasturboladern gewinnt durch die Leistungs- und Effizienzsteigerung immer mehr an Bedeutung. Wegen der hohen Abgastemperaturen, innerhalb des Turboladers, liegt eine hohe zyklische thermo-mechanische Belastung vor, welche zu plastischen Verformungen des Turbinengehäuses führt. Aufgrund des verstärkten Einsatzes von numerischen Simulationen zur kosten- und zeitgünstigen Optimierung von Prototypen, ist eine Auseinandersetzung mit Werkstoffmodellen Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung der Simulationen. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit Grundlagenuntersuchungen zu den am häufigsten angewendeten elasto-plastischen Werkstoffmodellen für Metalle durchgeführt. Hierbei wurde ein Berechnungsalgorithmus bereitgestellt und anschließend mit Hilfe eines kommerziell verfügbaren FEM-Programmes verifiziert, mit welchem das elasto-plastische Werkstoffverhalten, für die Fälle isotroper und kinematischer Verfestigung, für einen beliebigen Beanspruchungszustand eines Grundelements untersucht werden kann und die Unterschiede zwischen beiden Verfestigungsarten einfach veranschaulicht werden können. Anschließend erfolgten FEM-Berechnungen an einem Referenz-Abgasturbolader, mit Hilfe von Ansys® v14, mit der Zielsetzung vergleichende Betrachtungen zum strukturmechanischen Verhalten, unter Verwendung verschiedener elasto-plastischer Werkstoffmodelle, durchführen zu können.
Adaptive Regelung im Fettsensor. - 87 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
Die Arbeit umfasst die Analyse des Aufbaus und der Funktion eines Fettsensors, Recherche zum Stand der Technik und die Entwicklung einer adaptiven Regelungsstrategie. Diese wird in MATLAB umgesetzt und empirische Auswertungen zur Kalibrierung anhand von Ergebnissen aus Simulationen bestimmen die Festlegung der einstellbaren Parameter.
Konstruktiver Entwurf eines Multifunktionalen Prüfstandes für Mobilitätsunterstützungssysteme und ihre Nutzer. - 122 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
This bachelor thesis deals with the design and development of a multifunctional dynamometer. The aim is to simulate the ride of a human with mobility aid in his natural environment. It enables the possibility of uneven ground and hill and valley drives. This gives the chance to obtain data and conclusions as well as to improve future mobility aids und realize an improved user interface. The thesis reflects common mobility aids, the state of technology and the constructive development process. The concepts will be evaluated objectively after a functional analysis. The following construction is described in detail.
Entwicklung eines Aktuators für einen OP-Retraktor. - 95 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Das Augenmerk der Arbeit liegt im Bereich der Zugangschirurgie. Durch die Zugangschirurgie entsteht ein anatomischer Tunnel, ein Zugang, von der Hautoberfläche bis zum anatomischen Zielgebiet der Operation, der die Durchführung der Zielchirurgie erst ermöglicht. Mit Hilfe der so genannten Retraktoren (Spreizern) werden die Gewebeschichten während der Zielchirurgie auseinander gehalten. Die Spreizer-Valven des Retraktors üben einen erheblichen Druck auf das Gewebe aus. Daraus resultiert eine erhebliche Minderung der Durchblutung des Gewebes, die sogenannte Ischämie, die über die gesamte Dauer der Operation von bis zu sechs Stunden anhält. Für jedes Gewebe ist eine Minderung der Durchblutung schädlich. In vielen Fällen treten bei den Patienten postoperative Beschwerden wie Schluckstörungen auf, die bis zu einem Jahr nach der Operation andauern können. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines aktuierten Operationsretraktors (Spreizers) für Halswirbelsäulenoperationen.