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.
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.
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.
Entwicklung eines Baukastensystems eines Handlingsystems für die kollaborative Industrierobotik. - Ilmenau. - 114 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) hat in letzten Jahren aufgrund der rasant fortschreitenden Produktionsautomatisierung und einhergehenden Entstehung vieler Schnittstellen zwischen menschlicher Arbeitskraft und Industrierobotern für Unternehmen stark an Bedeutung gewonnen. Eine Marktlücke besteht dabei noch in der sicheren Handhabung großer Werkstücke, wie beispielsweise KFZ-Front- und Heckschürzen. Die Bosch Rexroth AG, die bereits kollaborative Industrieroboter in ihrem Produktportfolio führt, hat daher eine Entwicklung eines Greifers angestoßen, der sich selber sowie das Werkstück während des Handhabungsprozesses gegen Kollisionen mit dem Werker absichert. In dieser wissenschaftlichen Arbeit wird ein Konzept für einen entsprechenden Greifer entwickelt. Dieser soll als Baukastensystem ausgeführt sein, um an verschiedene Werkstückdimensionen und -geometrien anpassbar zu sein. Zu Beginn findet dafür eine Einarbeitung in das Aufgabengebiet mittels Untersuchens normativer Forderungen der MRK statt. Zudem wird eine Markt- und Patentrecherche zu typverwandten Systemen angestellt. Anschließend werden mittels graphischen Forderungsplans gegebene Randbedingungen festgehalten und Ansprüche an den Greifer in einer Anforderungsliste festgehalten. Die anschließende Konzeptionierung teilt sich in Funktionssynthese, Prinzipsynthese sowie Bewertung und Auswahl auf. Die Funktionssynthese dient dem separieren der Gesamtfunktion mit Hilfe einer Funktionsstruktur in Teilfunktionen. In der Prinzipsynthese werden Lösungsprinzipe zur Erfüllung dieser Teilfunktionen aufgestellt und in Kombinationstabellen festgehalten. Die Auswahl der zu bevorzugenden Lösungsprinzipe findet durch das Gegenüberstellen in einer Bewertung statt. Das ausgewählte Gesamtprinzip wird in eine Grobgestaltung überführt sowie deren Umsetzung als Baukastensystem beschrieben. Ergebnis dieser Arbeit ist ein partiell konstruiertes Konzept eines Greiferbaukastensystems, das hohen funktionalen und wirtschaftlichen Ansprüchen genügt. Für dieses sind in Zukunft noch tiefergehende sensortechnische Betrachtungen durchzuführen und die Funktionen anhand eines Prototyps in der Praxis zu evaluieren.
Entwurf eines Maschinenkonzeptes zum Einbringen von Natriumfäden in Motorkolben. - Ilmenau. - 138 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Bei der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren kommt es unter anderem durch höhere Verbrennungstemperaturen zu einer Steigerung der thermischen Belastung von Motorkomponenten. Aufgrund dieser steigenden Belastung besteht die Notwendigkeit einer verbesserten Kühlung der Motorkolben. Ein Konzept für den Wärmeabtransport vom hochbelasteten Kolbenboden ist die Nutzung des Shaker-Effektes mit Natrium als Kühlmittel. Für die Befüllung von Bohrungen im Motorkolben mit Natrium, den Verschluss der Bohrungen und die Prüfung des Bohrungsverschlusses wurde bei der Firma HELLER Maschinen & Technologie AG eine vollautomatische Fertigungsanlage angefragt. Für ein grundlegendes Verständnis der erforderlichen Fertigungsprozesse erfolgt zunächst die Einarbeitung in die Funktionsweise des Shaker-Effektes, der Besonderheiten im Umgang mit Natrium und des erforderlichen Prozessablaufes der Anlage. Ausgehend von einem bestehenden Konzept für eine Natriumpresse der Firma Heller Maschinen & Technologie AG erfolgt die Analyse zur Verbesserung des Konzeptes. Die gefundenen Konzepte werden experimentell geprüft und bewertet, um die Prozesssicherheit bei der Herstellung der benötigten Natriumfäden gewährleisten zu können. Die Entwicklung des Gesamtanlagenkonzeptes erfolgt anhand des Konstruktiven Entwicklungsprozesses (KEP) der TU Ilmenau. Die Leistungsfähigkeit des Gesamtkonzeptes wird anhand einer Taktzeitprüfung und einer Kostenabschätzung geprüft.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Konzeption und dem Entwurf eines mechatronisierten Radmoduls für eine mobile Roboterplattform. Dabei sollen medizinische Kautelen beachtet werden. Zuerst werden technische Grundlagen zu Radmodulen dargelegt. Anschließend wird ein aktueller Stand der Technik der Radmodule aufgezeigt und anhand gewählter Kriterien bewertet. In Kapitel 3 ergibt sich durch die Analyse des bestehenden Systems zuerst ein grafischer Forderungsplan für die räumliche Abgrenzung. Nachfolgend wird auf Basis medizinischer Kautelen und der Produktlebenszyklen eine Anforderungsliste erstellt. In Kapitel 4 werden aufbauend auf der Gesamtfunktion die Elemente der Funktionsstruktur in einem morphologischen Kasten mit Lösungselementen abgebildet. Zur Eingrenzung des Lösungsfeldes wird unter anderem eine Anforderungsanalyse der Bewegungsmöglichkeiten einer mobilen Roboterplattform durchgeführt. Dabei werden unterschiedliche Konzepte von Radanordnungen getestet, verglichen und bewertet. Aus dem eingegrenzten Lösungsfeld werden technische Prinzipe erstellt und anhand ausgewählter Kriterien verglichen. Die Hauptkomponenten des ausgewählten technischen Prinzipes werden anschließend, in Kapitel 5, auf Basis der zu erwartenden Belastungen grobdimensioniert.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Linearführungen auf Basis von nachgiebigen Mechanismen haben sich in einer Vielzahl von Applikationen der Optik, Halbleitertechnik, Messtechnik, Medizintechnik oder Mikrofertigung etabliert. Jedoch ist ihre Gestaltung aufgrund der Vielzahl möglicher Entwurfsparameter und Anforderungen mit großen Herausforderungen verbunden. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit Gestaltungsrichtlinien für nachgiebige Linearführungsmechanismen hinsichtlich üblicher Anforderungen. Ausgangspunkt ist dabei die Topologieoptimierung, welche bereits sehr erfolgreich für den Entwurf von nachgiebigen Mechanismen eingesetzt wurde. Anhand ausgewählter Fallbeispiele werden verschiedene Optimierungsansätze hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Besondere Beachtung findet dabei das MMA-Verfahren in Kombination mit dem SIMP-Ansatz für verschiedene Zielfunktionen und Restriktionen. Um die Aussagekraft der Ergebnisse zu erweitern, werden zudem weitere Fallbeispiele mit ausgewählten Topologien hinsichtlich ihres Stellweges und Steifigkeit optimiert und verglichen. Aus den Ergebnissen werden allgemeine Erkenntnisse abgeleitet, die für die Auswahl einer geeigneten Topologie innerhalb einer Gestaltungsrichtlinie genutzt werden können.
Anpassungskonstruktion eines Dreifachpendels für experimentelle Untersuchungen. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Im Fachgebiet Regelungstechnik der TU Ilmenau wird für Experimente ein von einem Führungsschlitten angetriebenes inverses Dreifachpendel verwendet. Bei bestimmten Bewegungsmanövern werden Kollisionen zwischen den Armen beobachtet, welche das Pendel beschädigen. Um diese Kollisionen zu vermeiden, wird das Dreifachpendel konstruktiv angepasst. Die Arbeit beschäftigt sich im ersten Teil mit der Analyse des bestehenden Systems. Dazu werden zunächst die Eigenschaften der Pendelarme aufgenommen und mit den Herstellerangaben verglichen. Anschließend werden verschiedene Belastungsfälle in Verformungsversuchen untersucht. Die Messergebnisse werden mit Simulationen abgeglichen, in denen dann die Verformungsanteile der Bauteile ermittelt werden. In weiteren Simulationen werden Einflussgrößen wie die Lagerart, der Achsabstand und die Querschnittsgeometrie untersucht und Möglichkeiten für konstruktive Verbesserungen identifiziert. In der Konstruktionsphase werden Gestaltentwürfe für die einzelnen Teilelemente erarbeitet und miteinander verglichen. Schließlich werden die Teillösungen zu einem Gesamtentwurf kombiniert. Das neue Pendel weist in kritischen Lastfällen eine ca. 50% höhere Steifigkeit bei annähernd gleichem Gewicht auf.
Entwicklung von Maschinenkomponenten zur Positionierung und Aufnahme von Niederhalterwerkzeugen. - Ilmenau. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Entwicklung neuartiger Maschinenkonzepte ist in den letzten Jahren geprägt durch den stetigen Trend zur Automatisierung. Bei automatischen Biegemaschinen steigen zudem die Anforderungen hinsichtlich der Blechdicken, Schachtelhöhen und Prozessgeschwindigkeiten. Hierfür ist insbesondere die Positionierung und Aufnahme von Niederhalterwerkzeugen ein Kernelement. Die Analyse bestehender Maschinen und Prozessabläufe zeigt ungenutztes Entwicklungspotenzial auf. Die vorliegende Masterarbeit beinhaltet die Entwicklung von Maschinenkomponenten zur Positionierung und Aufnahme von Niederhalterwerkzeugen in automatischen Biegemaschinen. Einleitend erfolgt die Betrachtung des aktuellen Stands der Forschung und der Technik. In der Konzeptphase werden durch Analyse einer bestehenden Konstruktion die Anforderungen an das System ermittelt, sowie eine Funktionsstruktur entwickelt, aus derer sich die einzelnen Teilfunktionen ableiten. Auf Basis der ermittelten Teilfunktionen werden Lösungskonzepte erarbeitet und in einer Morphologischen Matrix zusammengestellt, aus denen drei Lösungskonzepte ausgewählt und gegenübergestellt werden. Es wird ein ausgewähltes Konzept konkretisiert und konstruiert. Dies beinhaltet die Werkzeugaufnahme und die Anpassung der Niederhalterwerkzeuge. Zudem wird ein zugehöriger Werkzeugwechsler entwickelt, der die unterschiedlichen Niederhalterwerkzeuge aufnehmen und positionieren kann. Die Konstruktion wird unterlegt durch die notwendigen Berechnungen der Maschinenkomponenten. Abschließend wird die Neuentwicklung durch einen Vergleich mit bestehenden Konstruktionen evaluiert.
Entwicklung eines Prüfstandes zum Test eines Rear Pressure Bulkheads aus thermoplastischem CFK. - Ilmenau. - 216 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Massereduktion ist eines der probatesten Mittel, um die ökonomische Effizienz von Verkehrsflugzeugen zu steigern und deren Schadstoffausstoß zu senken. Aufgrund dessen findet im Flugzeugbau eine zunehmende Substitution der Aluminiumbauteile durch CFK-Bauteile statt. Faserverbundkunststoffe mit thermoplastischer Matrix ermöglichen dabei Fertigungsverfahren, die Potential für eine Reduktion der Produktionskosten gegenüber den duroplastischen Bauteilen bergen. Aus diesen Gründen entwickelt Premium AEROTEC ein neues Druckschott für den Abschluss der Druckkabine der Airbus A320-Familie aus thermoplastischem CFK. In dieser Arbeit wird ein Prüfstand für Statik- und Ermüdungsversuche an diesem Druckschott entwickelt und konstruiert. Im Test findet eine Belastung des Prüflings durch Luftüberdruck auf der Seite der Druckkabine statt. Hierzu werden zu Beginn die Anforderungen analysiert. Anschließend findet eine Aufteilung der Gesamtaufgabe in Teilfunktionen statt. Diese beinhalten die Dummy-Rumpfstruktur, deren Ausrichtung, sowie deren Verschluss, die Befestigung des Verschlusses an der Dummy-Rumpfstruktur, Zugangsmöglichkeiten von beiden Seiten des Druckschotts für Inspektionen und die Befüllung der Druckkammer. Für diese werden Teilkonzepte entwickelt und bewertet. Die Bewertungen finden anhand ausgewählter Kriterien statt. Dabei stehen die Kosten, die Benutzerfreundlichkeit und die Fehleranfälligkeit des Testaufbaus im Vordergrund. Ein Gesamtkonzept, dass sich aus den Teilkonzepten zusammensetzt, wird anhand der Bewertungen ausgewählt. Basierend darauf findet die Erarbeitung, Bewertung und Auswahl von Gestaltvarianten statt. Es erfolgt eine Modellierung im 3D-CAD. Weiterer Bestandteil der Arbeit sind Vorschläge für die Positionierung und Auswahl von Prüfmitteln. Dabei wird der Einsatz von Dehnungsmessstreifen, faseroptischen Messmitteln und dem Bildkorrelationsverfahren beleuchtet. Es folgt eine Abschätzung der erzielbaren Messgenauigkeit. Abschließend findet eine letzte Kontrolle der Anforderungserfüllungen statt. Zuletzt wird ein Fazit gezogen und ein Ausblick auf ausstehende Arbeitsschritte gegeben.