Studienabschlussarbeiten

In dieser Arbeit wird eine teilautomatisierte Prüfvorrichtung für Leckageprüfgeräte entwickelt. Die Leckageprüfgeräte für Gas- und Wasserinstallationen sollen nach der Montage auf Dichtheit überprüft, kalibriert und justiert werden. Aktuell wird dies manuell durchgeführt. Dies soll nun mit einer teilautomatisierten Prüfvorrichtung umgesetzt werden. Es sollen einzelne Geräte sowie auch mehrere Geräte gleichzeitig geprüft werden. Dazu sind das Halten der Leckageprüfgeräte, das Verbinden der elektrischen und pneumatischen Abschlüsse sowie das Verteilen der Druckluft an die verschiedenen Anschlüsse der Prüfgeräte nötig. Änderungen der Umgebungsbedingungen dürfen den Prüfprozess nicht beeinflussen. Thema dieser Bachelorarbeit ist die Entwicklung dieser Vorrichtung. Dabei wird nach Methode des konstruktiven Entwicklungsprozesses vorgegangen. Zuerst wird die Aufgabenstellung präzisiert. Dazu wird eine Anforderungsliste erstellt und die Gesamtfunktion aufgestellt. Anschließend werden bei der Funktionssynthese die Teilfunktionen bestimmt. Zu diesen Teilfunktion werden in der Prinzipsynthese Lösungsprinzipe gefunden, verglichen und bewertet. Die ausgewählten Teilprinzipe werden zum Gesamtprinzip vereint. Dieses wird konkretisiert und in einem Technischen Entwurf umgesetzt. Der Entwurf wird detailliert und dokumentiert. Dazu werden die Stückliste und Einzelteilzeichnungen angefertigt. Anschließend wird eine Teilbaugruppe aufgebaut und getestet.

Nachgiebige Mechanismen mit prismatischen Festkörpergelenken und konzentrierter Nachgiebigkeit besitzen ein großes Potenzial für Anwendungen in der Präzisionstechnik, Messtechnik und Robotik. Zu ihren vorteilhaften Eigenschaften gehören beispielsweise die hohe Präzision durch die Spielfreiheit der Gelenke, die Vermeidung von Oberflächenreibungseffekten und Schmierstoffen, die Möglichkeit zu Miniaturisierung sowie die Reduzierung des Montageaufwandes. Ein bedeutender Nachteil nachgiebiger Mechanismen ist die aufwendige Dimensionierung. Die Bewertung des Bewegungsverhaltens und der Kollisionsfreiheit von Mechanismenteilen erfordert die Erzeugung eines Gestaltentwurfes. Da keine CAD-Anwendungen für die automatisierte Gestaltung von nachgiebigen Mechanismen existieren, muss die Bauteilkontur stets manuell durch Geometrieelemente modelliert werden. Insbesondere für Parameterstudien oder Optimierungen ist dies aufgrund der hohen Anzahl von nötigen Gestaltentwürfen mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Die vorliegende Arbeit stellt Softwarekomponenten vor, die für die teilautomatisierte Erzeugung von CAD-Modellen für nachgiebige Mechanismen geeignet sind. Auf Basis der Eingabe von Gelenkpositionen, -orientierungen und -abmessungen sowie der Mechanismenstruktur werden automatisiert Verbindungselemente gestaltet. Der erzeugte Gestaltentwurf kann dabei im STEP-Format gespeichert werden. Zur Erzeugung der Softwarekomponenten werden zunächst Möglichkeiten der CAD-Automatisierung verglichen und eine ausgewählt. Es werden verschiedene Varianten der Verbindung von mehreren nachgiebigen Gelenken untersucht und umgesetzt. Zudem wird eine Möglichkeit aufgezeigt und umgesetzt, wie bereits belegter Bauraum im Entwurf der Verbindungselemente berücksichtigt werden kann.

Die Konstruktion von automatisierten Biegemaschinen erfordert tiefgehende Kenntnisse des angewendeten Umformverfahrens sowie des Sondermaschinenbaus. In der Bystronic Maschinenbau GmbH basieren Entscheidungen hierbei in vielen Fällen auf Erfahrungswerten aus der vorangegangenen Entwicklung von Biegemaschinen. Die Beteiligung externer Konstruktionsdienstleister sowie eine unvollständige Dokumentation erschweren dabei den Erhalt und die Weitergabe der nötigen Fachkenntnisse. Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Systemanalyse einer bestehenden Biegemaschine als Grundlage für die konstruktive Weiterentwicklung. Einleitend erfolgt eine Betrachtung des aktuellen Stands der Forschung und der Technik. Nachfolgend werden die Funktionen der einzelnen Baugruppen mithilfe von CAD-Modellen, Prinzipskizzen sowie Berechnungsformeln erläutert. Für die Bewegungsanalyse der Biegewange wird ein Starrkörpermodell entwickelt. Auf Basis des Starrkörpermodells erfolgt die Untersuchung der einzelnen Antriebsbewegungen und Betriebskräfte. Als Grundlage für die nachstehenden Betrachtungen zur Bauteilauslegung dient die ermittelte Biegekraft. Zur Berechnung der benötigten Biegekraft werden drei Berechnungsansätze vorgestellt und verglichen. Für die Aufbereitung der Systemanalyse wird der CPM/PDD-Ansatz verwendet. Die Ergebnisse werden dargestellt und in einen Berechnungsleitfaden eingearbeitet. Abschließend wird die Biegemaschine mit Biegemaschinen anderer Hersteller verglichen und die verwendete Biegetechnologie dem Schwenk- und dem Gesenkbiegen gegenübergestellt.

Die Nutzung nachgiebiger Mechanismen bietet im Vergleich zu herkömmlichen Mechanismen mit kraft- oder formgepaarten Gelenken Vorteile. Dazu zählen u. a. die hohe Präzision durch Spielfreiheit der Gelenke sowie die hohe Reproduzierbarkeit der Bewegung. Daher werden nachgiebige Mechanismen v. a. im Bereich der Präzisionstechnik eingesetzt. Ein bedeutender Nachteil nachgiebiger Mechanismen ist die aufwendige Mechanismussynthese, wozu Forschungsbedarf besteht. Hierzu zählt besonders die Dimensionierung der Festkörpergelenke aufgrund einer Vielzahl von konstruktiven Parametern (z. B. Gelenkabmessungen, Werkstoff, uvm.). Mathematische Optimierungsverfahren stellen eine Möglichkeit dar, diesen Vorgang zu vereinfachen. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden verschiedene Optimierungsverfahren für ihre Eignung zur Anwendung bei der Dimensionierung von Festkörpergelenken mit spannungsgünstigen Viertelkreiskonturen untersucht. Für die Untersuchungen wird ein lineares FEM-Balkenmodell auf Basis der Timoshenko-Balkentheorie verwendet. Es werden verschiedene Konstruktionsziele sowie Möglichkeiten zur Formulierung zugehöriger Zielfunktionen und notwendiger Restriktionen untersucht. Für ausgewählte Konstruktionsziele werden verschiedene Optimierungsverfahren mit der Programmiersprache Python implementiert und auf drei Fallbeispiele mit jeweils einem Optimierungskriterium angewandt. Auf Basis der durchgeführten Optimierungen werden die sieben Verfahren in Bezug auf Ergebnisgenauigkeit und Geschwindigkeit beurteilt. Zudem werden Schlussfolgerungen für die Anwendbarkeit der Verfahren bei der Synthese gezogen. Es stellt sich heraus, dass die Anwendung von Verfahren größer 0. Ordnung für die untersuchten Fälle nicht zweckmäßig ist. Im Gegensatz dazu lassen sich das differentielle Evolutionsverfahren, das Nelder-Mead-Simplex-Verfahren und die COBYLA-Methode anhand der durchgeführten Optimierungen als vielversprechend bezeichnen. Mit Hilfe der Ergebnisse dieser Arbeit kann somit aus der Gruppe der untersuchten Verfahren eine Vorauswahl für die Dimensionierung von Festkörpergelenken getroffen werden. Des Weiteren ergeben sich Ansatzpunkte für weiterführende Untersuchungen, wie z. B. die multi-kriterielle Dimensionierung von Festkörpergelenken und die Untersuchung der Startpunktabhängigkeit der Optimierungsverfahren.

Für Anwendungen in der Optik, Messtechnik, Halbleiterherstellung sowie Forschung und Entwicklung werden Positioniersysteme auf Basis piezoelektrischer Schreitantriebe eingesetzt. Diese Antriebe erreichen Schrittweiten im Subnanometerbereich, hohe Geschwindigkeiten, sind sehr gut miniaturisierbar und lassen sich in Reinraumumgebungen einsetzen. Sie erfordern jedoch eine aufwändige Ansteuerung und sind mit hohen Investitionskosten verbunden. In Analogie zu piezoelektrischen Schreitantrieben könnten für Anwendungen mit geringeren Anforderungen an Bauraum und Geschwindigkeit Schreitantriebe auf Basis nachgiebiger Mechanismen und preiswerter Aktoren verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Stand der Technik für hochauflösende Piezomotoren ermittelt, um vergleichbare Anforderungen für einen neu zu entwickelnden Antrieb abzuleiten. Verschiedene elektromechanische Aktorprinzipe werden bezüglich ihrer Eignung für einen hochauflösenden Schreitantrieb verglichen. Für die Übersetzung der Aktorstellwege 15 Mechanismen als Starrkörpermodelle entworfen und bezüglich ihrer Eignung für den Schreitantrieb bewertet. Ein ausgewählter Mechanismus wird in einen nachgiebigen Mechanismus überführt und durch Finite-Elemente-Analyse hinsichtlich auftretender Dehnungen, Verformungsverhalten und Kraftreaktionen untersucht. Diese Simulationen werden ausgewertet und die Eignung des Antriebskonzeptes für Schrittweiten von wenigen Nanometern bestätigt. Es wird ein technischer Entwurf einschließlich der Aktorik durch Tauchspule vorgestellt.