Analyse, Optimierung und Synthese von nachgiebigen Koppelmechanismen für Ultrapräzisionsanwendungen

Prof. L. Zentner

Prismatische Festkörpergelenke werden aufgrund ihrer Vorteile als stoffschlüssige Drehgelenke in nachgiebigen Koppelmechanismen für Ultrapräzisionsanwendungen eingesetzt. Hier liegen die Anforderungen an die Präzision in der Größenordnung von Nanometern bzw. Bruchteilen von Winkelsekunden. Es besteht ein Forschungsbedarf, da der Zusammenhang zwischen der konstruktiven Gestaltung und dem sich daraus ergebenden kinematischen Verhalten in der erforderlichen Auflösung bisher nicht untersucht worden ist. Da nahezu ausschließlich Festkörpergelenke auf Basis elementarer Aussparungsgeometrien wie bspw. Kreis- und Viertelkreiskonturen verwendet werden, ergeben sich zusätzlich zur Bahngenauigkeit Limitierungen hinsichtlich des Bewegungsbereiches. Bei bestehenden Ansätzen wird die Gelenkanzahl im Mechanismus erhöht, während eine Optimierung der Festkörpergelenkkontur nicht stattfindet. Die ungenügende Güte der Kenntnis des kinematischen Verhaltens verhindert bisher das Vordringen in zunehmend auftretende Applikationen der Ultrapräzisionstechnik.

Im Vorhaben sollen die Auswirkungen der Festkörpergelenkkontur, der Gelenkabmessungen und der -orientierung auf die Bewegungseigenschaften von nachgiebigen Koppelmechanismen im Vergleich zum Starrkörpervorbild untersucht werden. Weitere Gestaltungsziele sind die Festigkeits- und die Verformungseigenschaften des Mechanismus. Im Hinblick darauf sollen als günstig identifizierte Einzelgelenkkonturen im Mechanismus modellbasiert analysiert werden. In einem zweiten Schritt soll die Festkörpergelenkkontur direkt im Mechanismus hinsichtlich mehrerer Zielkriterien optimiert werden. Da sich beim Übergang vom Starrkörpermechanismus zum nachgiebigen Mechanismus weitere bisher nicht betrachtete Parameter ergeben, sollen diese Einflüsse der konstruktiven Umsetzung berücksichtigt werden. Zur Absicherung der Reproduzierbarkeit sollen gefertigte makroskopische Mechanismen messtechnisch untersucht werden. Anhand eines räumlichen Applikationsbeispiels sollen Konstruktionsrichtlinien für die Synthese nachgiebiger Mechanismen abgeleitet werden.

Damit leistet das Vorhaben über die bekannten Untersuchungen hinaus einen Beitrag zur Erweiterung der Vorgehensweise bei der Synthese ebener und räumlicher nachgiebiger Koppelmechanismen mit optimierten Festkörpergelenken. Die genauere Kenntnis des reproduzierbaren kinematischen Verhaltens wird zu einer verbreiteten Anwendung optimierter Festkörpergelenke in makroskopischen Mechanismen beitragen und Impulse zur Optimierung in der Mikrotechnik liefern. Verglichen mit aktuellen Forschungsschwerpunkten ist insbesondere das Ziel der gleichzeitigen Erhöhung der Präzision und des Bewegungsbereiches von nachgiebigen Mechanismen mit Festkörpergelenken, die eine vergleichsweise geringe Komplexität der Gestalt aufweisen, ein neuer Forschungsansatz. Zudem werden erstmals auch unterschiedliche Festkörpergelenke in einem Mechanismus sowie asymmetrische Aussparungsgeometrien betrachtet.

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TU Ilmenau - FG Nachgiebige Systeme (ehem. FG Mechanismentechnik)
- Projektkoordination -

TU Ilmenau - FG Feinwerktechnik

08/2014 - 07/2017

DFG – Deutsche Forschungsgemeinschaft