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Erstellt: Fri, 23 Jul 2021 23:07:20 +0200 in 0.0615 sec


Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Harfensteller, Felix; Torres, Mario; Zentner, Lena; Theska, René;
High-precision and large-stroke XY micropositioning stage based on serially arranged compliant mechanisms with flexure hinges. - In: Precision engineering : journal of the American Society for Precision Engineering.. - Amsterdam [u.a.] : Elsevier Science, Bd. 72 (2021), S. 469-479

Compliant mechanisms are state of the art in micropositioning stages due to their many beneficial features. However, their design usually compromises between motion range, motion accuracy and design space, while mechanisms with distributed compliance are mostly applied. The further use of flexure hinges with common notch shapes strongly limits the stroke in existing high-precision motion systems. Therefore, this paper presents a high-precision compliant XY micropositioning stage with flexure hinges capable of realizing a motion range of ± 10 mm along both axes. The stage is based on a novel plane-guidance mechanism, which is optimized to realize a precise rectilinear motion of the coupler link while keeping the rotation angles of all hinges below 5˚. The XY motion is then achieved by coupling two of these mechanisms in a serial arrangement. Next, the synthesis of the monolithic XY stage is realized by replacing all revolute joints of the rigid-body model with flexure hinges using optimized power function notch shapes. Emphasis is also placed on the embodiment design of the stage and the actuator integration to minimize possible error sources. Finally, the quasi-static behavior of the compliant stage is characterized by a simulation with a 3D FEM model and by an experimental investigation of a prototype. According to the results, the developed compliant XY micropositioning stage achieves a maximum positioning deviation of less than 10 [my]m in both axes and a yaw error of less than 100 [my]rad over a working range of 20 mm × 20 mm with a comparably compact design of the compliant mechanism of 224 mm × 254 mm.



https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2021.02.001
Jiang, Yingzhuo;
Entwurf von Pressmechanismen für Kernschießmaschinen. - Ilmenau. - 96 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In dieser Arbeit wird ein Pressmechanismus unter Nutzung eines servomotorisch angetriebenen Doppelkniehebelsystems entwickelt, der für Triethylamin-Kaltkammer-Kernschießmaschinen zum Einsatz kommen soll. Grundlage der Entwicklung waren umfangreiche Kinematik- und Kraftanalysen an Einfach- und Doppelkniehebelsystemen zur Ermittlung von Aufbauformen mit niedrigen Anforderungen an Servomotoren und Spindeln, wobei Doppelkniehebelsysteme sich als besonders geeignet erwiesen haben. Aufbauend auf diesen theoretischen Untersuchungen wurde eine Berechnungsvorschrift zur Auslegung von Doppelkniehebelsystemen unter Nutzung der Software Mathematica entwickelt, die die kinematischen Parameter unter Beachtung von Bauraum- und Pressanforderungen ermittelt. Die kinematischen Parameter werden dabei so bestimmt, dass sich immer ähnliche Kinematik- und Krafteigenschaften des Doppelkniehebelsystems während der Fahrbewegung ergeben, d.h., dass eine hohe Ausgangsgeschwindigkeit beim Beginn des Einschießens gesichert ist, die im Laufe des Schießvorgangs bis zur Formschließung abnimmt, wobei die Antriebsgeschwindigkeit während des Bewegungsvorgangs konstant bleibt und die max. Antriebskraft weniger als das Doppelte der Schwerkraft der beweglichen Aufspannplatte ist. Die Berechnungsvorschrift enthält auch einen iterativen Algorithmus zur Abschätzung der Gelenkkräfte und -momente in Abhängigkeit von der Presskraft, um die Grundlage für ein 3D-Modell zu schaffen. Mit dem 3D-Modell, das das Doppelkniehebelsystem, den Servomotor mit Spindel und Führungen usw. berücksichtigt, können anschließend weitere Untersuchungen zur Beanspruchung und den Verformungen mit der Presskraft durchgeführt werden, und die Spannungsverteilung für jeden Hebel ähnelt der Spannungsverteilung unter Gelenklast, die mit iterativen Verfahren berechnet wurde. Den Abschluss der Arbeit bilden Vorgaben zur Kalkulation der Herstellkosten des Pressmechanismus.



Zinke, Martin;
Entwicklung mechanisch bewegter Rostfeuerungen unter Nutzung neuer Bewegungskonzepte. - Ilmenau. - 153 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Rostfeuerungen finden Anwendung bei der Erzeugung von Prozesswärme für die Industrie, zur kommunalen Wärmeversorgung und zu der Verwertung von Abfällen und anderen festen, stückigen Reststoffen. Bewegliche Rostfeuerungen ermöglichen den Transport, die Durchmischung des brennenden Gutes und den Abtransport der Asche aus dem Feuerraum. Die entstehende Wärme wird mittels des Rauchgases Wärmetauschern zugeführt und zur beispielsweise Dampferzeugung genutzt. Das Thema dieser Arbeit ist, unterschiedliche Bewegungskonzepte für Rostfeuerungen zu analysieren und zu entwickeln, um Brennstoffe wie Holz, andere biogene Brennstoffe und Abfälle auf dem Weg durch den Feuerraum zu durchmischen und somit gleichmäßig zu verbrennen. Auf Basis dieser Ergebnisse sollen Lösungen auf Konzept- und Gestaltebene erarbeitet werden.



Gözükü¸cük, Berk Egemen;
Ausarbeitung von Praktika zur Präzisionsmessung unterschiedlicher Maschinenteile unter Anwendung einer Universallängenmessmaschine. - Ilmenau. - 182 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die ULM 01-600d ist ein hochpräzises, optisches Universallängenmessgerät, das das Abbesche -Komperatorprinzip in Verbindung mit einer mikrometrischen Skala nutzt. Durch die universelle Bauweise der ULM 01-600d können unterschiedliche Messanordnungen aufgebaut werden, die vielfältige Messaufgaben zur Innen- und Außenmessung an Objekten bis zu einer Maximalgröße von 100 mm x 100 mm x 100 mm erlauben. Das Ziel der Masterarbeit bestand darin, verschiedene Messszenarien für die ULM 01-600d zu entwerfen und Arbeitsunterlagen für deren praktische Durchführung auszuarbeiten. Diese Unterlagen erlauben Studierenden sich selbstständig auf Messversuche vorzubereiten. Dabei werden die notwendigen DIN-Normen bzw. die einschlägige Literatur und Fragen für Selbsttests berücksichtigt. Als konkrete Messobjekte kommen metrische Gewinde, Wälzlager und Stirnräder zum Einsatz. Zudem wurden Versuchsunterlage für Prüfer entworfen, die ergänzende Hinweise zur Nutzung der ULM 01-600d, die Antworten der Selbsttests und weitere Informationen enthalten.



Ehrhardt, Tristan;
Topologieoptimierung von Mechanismengliedern unter Berücksichtigung von Kollisionen. - Ilmenau. - 71 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Mechanismen finden sich in zahlreichen Bereichen des Maschinenbaus. Für die Gestaltung von Mechanismen sind neben den grundlegenden Funktionen der Bewegungs- und Kraftübertragung weiterer Eigenschaften von Bedeutung. Zu diesen Eigenschaften zählen unter anderem die Steifigkeit und Masse der Mechanismenglieder. Bestehende Verfahren der Topologieoptimierung ermöglichen diesbezüglich eine zielgerichtete Unterstützung bei der Gestaltung. Bisherige Ansätze vernachlässigen jedoch zumeist mögliche Kollisionen zwischen den Mechanismengliedern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Konzepten zur Topologieoptimierung von Mechanismengliedern unter Vermeidung von Kollisionen. Aufbauen auf der Analyse bestehender Arbeiten, werden nötige Teilfunktionen und Ansätze für das zu erarbeitende Lösungskonzept ermittelt. Diese dienen zur Erarbeitung, Systematisierung und Bewertung möglicher Konzepte. Im Hauptteil der Arbeit werden anschließend die Teilfunktionen eines ausgewählten Optimierungskonzeptes erarbeitet und implementiert. Kernbestandteil des ausgewählten Konzeptes ist die kollisionsfreie Aufteilung des zur Verfügung stehenden Bauraums für die Topologieoptimierung der einzelnen Glieder. Diese beinhaltet die Diskretisierung des Bauraums, die Verarbeitung der Relativbewegungen der Glieder, heuristische Verfahren zur Kollisionsvermeidung sowie die Aufbereitung der Daten für die Topologieoptimierung. Anhand von ausgewählten Fallbeispielen wird das Gesamtkonzept bestehend aus kinematischer Analyse, Bauraumaufteilung und Topologieoptimierung validiert. Das erarbeitete Vorgehen ermöglicht die Topologieoptimierung von Gliedern ebener Mechanismen für eine Vielzahl möglicher Zielfunktionen und Optimierungsverfahren. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick mögliche Weiterentwicklungen gegeben.



Bauraumbewertung für den automatisierten Entwurf von Gliedern in nachgiebigen Mechanismen. - Ilmenau. - 103 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Nachgiebige Mechanismen haben einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Mechanismen mit konventionellen Gelenken, die vor allem für Präzisionsanwendungen von Bedeutung sind. Aufgrund zahlreicher Gestaltparameter und vielschichtiger Zusammenhänge zwischen den mechanischen Eigenschaften, stellt die Synthese eines nachgiebigen Mechanismus eine Herausforderung dar. Dabei steht zumeist die Gestaltung der Gelenke im Vordergrund. Aber auch die Gliedgestaltung ist von Bedeutung für die Eigenschaften des Mechanismus. Sie beeinflusst beispielsweise maßgeblich den Bauraum, die Fertigbarkeit und die Kollisionsfreiheit. Automatisierte Entwurfswerkzeuge könnten hierbei die Gliedgestaltung wesentlich erleichtern. Als erster Schritt zur Erarbeitung solcher Entwurfswerkzeuge, werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit geeignete Analysemethoden und Lösungsstrategien erarbeitet. Dazu werden Merkmale und Eigenschaften aufgezeigt, die für die Gliedgestaltung eines nachgiebigen Mechanismus von Bedeutung sind. Auf deren Grundlage werden verschiedene Lösungsstrategien und Anwendungsmöglichkeiten für die Gliedgestaltung von planaren Mechanismen betrachtet. Darunter zeigen Lösungsstrategien mittels Wegfindungsalgorithmen eine hohes Potenzial. Diese bilden daher den Fokus der Untersuchungen. Hierzu werden die nötigten Grundlagen der Graphentheorie erläutert. Es werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, mit denen der zur Verfügung stehend Bauraum für die Wegfindung aufbereitet werden kann. Zudem wird ein Überblick zu Wegfindungsalgorithmen gegeben. Aus diesem werden geeignete Wegfindungsalgorithmen ausgewählt. Zugehörige Implementierungen werden anschließend hinsichtlich ihrer Laufzeit und Robustheit verglichen. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden aufgearbeitet, ausgewertet und Schlussfolgerungen für die Anwendung in Lösungsstrategien zur Gliedgestaltung gezogen. Abschließend werden die Ergebnisse kritisch reflektiert und ein Ausblick auf die mögliche weiterführende Forschungstätigkeit gegeben.



Mahboob, Atif;
Modelling and use of SysML behaviour models for achieving dynamic use cases of technical products in different VR-systems. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (XXII, 241 Seiten). . - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK). - Band 38)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Digitale Methode und Modellen ermöglichen den Produktdesignern eine frühzeitige Evaluierung des Produkts, damit sie das Verhalten des Produkts und seine Interaktionen mit benachbarten Systemen in seinen späteren Lebensphasen besser verstehen können. Virtual Reality (VR) ist eine Technologie, die zum frühen Evaluierungsprozess beitragen kann, indem spätere Lebenssituationen eines Produkts schon in der Entwurfsphase angezeigt werden können. Die Anwendung von VR in der Industrie ist jedoch derzeit aufgrund des hohen Modellaufbereitungsaufwands und der limitierten Wiederverwendbarkeit vorhandener Modelle begrenzt. Daher befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Methode, die die frühzeitige Evaluierung des Produkts innerhalb von VR und die Verwendung von VR im Produktentwicklungsprozess erleichtern kann. Diese Methode befasst sich mit dem Prozess der Entwicklung allgemeiner Verhaltensbeschreibungen zur Verwendung in VR, die auch wiederverwendet werden können, um dynamische Anwendungsfälle eines Produkts in den verschiedenen VR-Systemen abzubilden. Der Fokus liegt auf der Reduzierung des gesamten Aufbereitungsaufwands von VR-Modellen und auf das Verwirklichen einer hohen Wiederverwendbarkeit bereits vorhandener Modelle. Die Kernkomponenten der Arbeit bestehen in der Verwendung von Model Based Systems Engineering (MBSE) zur Entwicklung allgemeingültiger Verhaltensmodellbeschreibungen, ihrer Verwendung beim Erstellen verschiedener Anwendungsfälle eines Produkts in einem VR-System und ihrer Wiederverwendung in den verschiedenen VR-Systemen. Die Systems Modeling Language (SysML) wird zur Beschreibung der Verhaltensmodelle verwendet, der Modellierungsprozess wird systematisch beschrieben und auch in Form allgemeiner Anwendungsrichtlinien für die spätere Verwendung zusammengefasst. Darüber hinaus wird eine dedizierte Physik-Engine verwendet, um die physikalischen Berechnungen für virtuelle Objekte in VR durchzuführen, welche auch mit SysML integriert ist. Diese SysML-Verhaltensmodelle zusammen mit der Physik-Engine bilden eine echtzeitfähige Produktanwendungssimulation in VR. Dieselben SysML-Verhaltensmodelle werden für verschiedene VR-Systeme verwendet, um Echtzeitsimulationen abzubilden und ihre Wiederverwendung zu validieren. Zwei VR-Prototypen wurden entwickelt, um die Wirksamkeit und Verwendung der vorgestellten Methoden zu demonstrieren. Schließlich wurde einer der Prototypen einer empirischen Untersuchung unterzogen, die mithilfe von Experten aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt wurde.



https://doi.org/10.22032/dbt.47179
Breitbach, Timo;
Analyse der Dynamik eines Industrieroboters hinsichtlich der sicherheitstechnischen Anforderungen für die Mensch-Roboter-Interaktion. - Ilmenau. - 168 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In der Industrie und Forschung werden stetig neue Ansätze erarbeitet, um Produktionsabläufe effizienter zu gestalten. Die Verwendung von Industrierobotern zur Automatisierung von Prozessabläufen ist dabei keine Seltenheit. Eine Herausforderung bei der Einführung der Industrie 4.0 besteht darin, innerhalb der Massenproduktion auch die Produktion individualisierter Produkte zu ermöglichen. Dabei wird die Interaktion zwischen Mensch und Roboter zunehmend wichtiger. Eine gemeinsame Arbeitsweise zwischen Mensch und Roboter ist mit kollaborativen Robotern bereits realisierbar. Die notwendige Reduzierung der Verfahrgeschwindigkeit wirkt sich jedoch nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit aus. Mit dem Ansatz eines hybriden Montagearbeitsplatzes soll im Rahmen des Forschungsprojekts "KOMERO - sichere Kollaboration zwischen Mensch und Roboter" ein Arbeitsraum geschaffen werden, in dem die Stärken von Mensch und Industrieroboter aufeinander abgestimmt bzw. genutzt werden. Auf Grundlage eines beispielhaft gewählten kollaborativen Montageplatzes wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Sicherheit des Menschen bei der Interaktion mit dem Roboter untersucht. Es werden Methoden zur Ermittlung von Ansprech- und Nachlaufzeiten sowie zur Analyse der Roboterdynamik erarbeitet und angewendet. Außerdem werden Aspekte zur Sicherheitsbewertung hinsichtlich geltender Normen vorgestellt. Unter anderem erfolgt die Thematisierung von Sicherheitsabständen und zulässigen Robotergeschwindigkeiten. Anhand der Messwerte und der sicherheitstechnischen Betrachtung werden die Grenzen des Montagearbeitsplatzes bei der Mensch-Roboter-Interaktion aufgezeigt und Anpassungsmöglichkeiten vorgestellt. Die ermittelten Messwerte zeigen, dass eine sichere Interaktion zwischen Mensch und Roboter in dem für diese Arbeit zugrunde liegenden Montagearbeitsplatz, nur in ausgewählten Betriebszuständen realisierbar ist. Diese Erkenntnis lässt sich auf ähnliche Montagearbeitsplätze übertragen. In weiterführenden Forschungsansätzen ist zu klären, ob eine Geschwindigkeitsanpassung des verwendeten Roboters oder der Einsatz eines alternativen Robotersystems die sichere Interaktion ermöglicht.



Ebert, Nico;
Vergleich von Analysemodellen für Festkörpergelenke bei Längs- und Querkräften. - Ilmenau. - 90 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Anwendung nachgiebiger Mechanismen bietet im Vergleich zu herkömmlichen Mechanismen mit kraft- und formschlüssigen Gelenken zahlreiche Vorteile wie z.B. die Spielfreiheit der Bewegung. Allerdings stellen die Synthese und dazugehörige Dimensionierung von Festkörpergelenken aufgrund einer Vielzahl an zu beachtenden Parametern und Abhängigkeiten weiterhin eine Herausforderung dar. Eine Möglichkeit, mit diesen komplexen Zusammenhängen umzugehen, stellt die Anwendung von Optimierungsverfahren dar. Diese erfordern zeiteffiziente und gleichzeitig genaue Analysemodelle. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher Analysemodelle verglichen, die zur Berechnung der Dehnung von Festkörpergelenken mit Viertel- und Halbkreiskontur bei Längs- und Querkräften geeignet sind. Bei der Untersuchung des Standes der Technik stellt sich heraus, dass keines der bekannten Analysemodelle die Anforderungen einer genauen und gleichzeitig effizienten Analyse erfüllt. Metamodelle, die aus den Ergebnissen bestehender Analysemodelle abgeleitet werden, stellen hierbei eine vielversprechende Alternative dar. Um verschiedene Metamodelle, die in der Arbeit erstellt werden, zu vergleichen, wird zunächst ein 3D-FEM-Modell erarbeitet und eine Netzstudie durchgeführt. Anhand eines Versuchsplans erfolgen die Analysen mit dem FEM-Modell, deren Ergebnisse als Basis für unterschiedliche Metamodelle dienen. Die erstellten Metamodelle werden verglichen und das vielversprechendste dieser näher untersucht. Von den untersuchten Metamodellen weisen die künstlichen neuronalen Netze den geringsten Approximationsfehler auf. Das im Rahmen der Arbeit entstandene Metamodell benötigt zur Analyse eine um ein Vielfaches geringere Rechenzeit im Vergleich zum 3D-FEM-Modell und einem linearen FEM-Balkenmodell. Des Weiteren stellt sich im Vergleich zum FEM-Balkenmodell ein geringerer Modellfehler heraus. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit lassen sich Ansatzpunkte für weiterführende Untersuchungen und Arbeiten ableiten. Dazu gehören z.B. die weitere Reduzierung des Approximationsfehlers und Metamodelle zur Analyse der Dehnung für weitere Kerbgeometrien und weitere Festkörpergelenkeigenschaften.



Darnieder, Maximilian; Harfensteller, Felix; Schorr, Philipp; Scharff, Moritz; Linß, Sebastian; Theska, René;
Characterization of thin flexure hinges for precision applications based on first eigenfrequency. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms : MAMM 2020.. - Cham : Springer, (2021), S. 15-24

Flexure hinges with small cross-section heights are state of the art in numerous precision engineering applications due to their capability for smooth and repeatable motion. However, the high sensitivity to manufacturing influences represents a challenge. We propose a characterization method for flexure hinges based on the measurement of the free oscillation, to enable the consideration of manufacturing influences in the early stages of the design process. Three semi-circular flexure hinges with different cross-section heights and highly accurate geometry were investigated experimentally to compare them with three theoretical modeling approaches. The results for the three flexure hinge specimens showed small deviations to the predicted values from the models which is in agreement with the results of dimensional measurements. With each modeling approach, a deviation of the minimal notch height from the nominal value can be calculated. This value, in turn, can be used as manufacturing allowance for subsequent manufacturing of compliant mechanisms using the same manufacturing method. An exemplary compliant parallel-crank mechanism proves the applicability of the concept to compliant mechanisms with multiple flexure hinges.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_2