Erarbeitung von webbasierten Werkzeugen für die semesterbegleitende und abschliessende Examination von Studierenden im Fach Technische Mechanik. - 198 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
E-Assessments im natur- und ingenieurwissenschaftlichen Bereich sind bislang selten im deutschen Universitätsalltag und werden vielerorts von Lehrenden abgelehnt. Diese Arbeit entwirft ein E-Assessment Werkzeug innerhalb einer E-Learning Umgebung, welches den speziellen Bedürfnissen dieser Fachgebiete gerecht wird. Dazu analysiert sie die Schwierigkeiten und speziellen Bedürfnisse, die das Fachgebiet Technische Mechanik als ein ingenieurwissenschaftliches Grundlagenfach, mit der Virtualisierung der Lehre verbindet. Daraus leitet sie ein Konzept für eine Lernumgebung ab, die diesen Schwierigkeiten effektiv begegnet. - Die aus dieser Entwicklung gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Umsetzung auf der Lernplattform der TU Ilmenau ein. Organisationsstruktur und Lehrkonzepte werden auf der Plattform abgebildet und es entstehen Beispiele und Anleitungen für alle Lehrenden des Fachgebiets. Diese versetzen das Fachgebiet in die Lage, alle Möglichkeiten, welche die Plattform bietet, effizient zu nutzen um die Einführung und Integration von virtueller Lehre voranzutreiben.
Positionierung permeabler Stoffe im offenen Magnetkreis in Hinblick auf apedale Lokomotionssysteme. - 102 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Motiviert durch den technischen Fortschritt werden im Mikro- und Nanobereich zunehmend apedale Bewegungssysteme eingesetzt. Einige dieser Systeme basieren auf elektrodynamischen Wirkungsprinzipien, die eine ortsgebundene Bewegung permeabler Stoffe ermöglichen. Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit besteht darin, eine ortsunabhängige Positionierung im offenen Magnetkreis zu realisieren. - Die Bewegung permeabler Stoffe im offenen Magnetfeld kann mit Hilfe vereinfachter, nichtlinearer, gewöhnlicher Differentialgleichungen beschrieben werden. Bedingt durch die zunehmende Leistungsfähigkeit der Computertechnik stehen effiziente Werkzeuge der Systemidentifikation zur Verfügung. Die konsequente Ermittlung einzelner Parameter der Streckenbeschreibung anhand verschiedener modellbasierter Optimierungsrechnungen führt zu einer realitätsnahen Modellbildung. Das nichtlineare Systemverhalten kann mit Hilfe der exakten Linearisierung in ein lineares System überführt werden. Mit dieser Vorgehensweise können die bekannten, leistungsfähigen linearen Regler der Zustandsraummethodik verwendet werden, um eine Positionsregelung zu ermöglichen. - Mit der Implementierung der Regelungsmethodik auf einem FPGA kann die Funktionsweise selbiger am realen Prozess nachgewiesen werden. Dabei werden die geforderten dynamischen Eigenschaften an Geschwindigkeit und Dämpfung eingehalten.
Entwurf, Implementation und Simulation von Adaptionsgesetzen einfacher adaptiver Regler zur Ausregelung von Bodenerregungen von Sensoren. - 134 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Um ein technisches System zu regeln, ist normalerweise die vollständige Kenntnis der Systemparameter notwendig. Mit Hilfe dieser Parameter lassen sich apriori Regelparameter einer Rückführung berechnen, die das System regeln können. Es kann aber, gerade bei biologischen Systemen, in der Regel nicht erwartet werden, dass die Systemparameter vollständig bekannt sind. Beispielhaft wurde hier das Tasthaar einer Katze betrachtet. Um ein Tasthaar auch bei dauerhafter Erregung, beispielsweise durch Wind, sensibel zu halten, muss die Katze in der Lage sein, das Tasthaar soweit zu versteifen, dass weiterhin Signale wahrgenommen werden können. Damit Systeme geregelt werden können, deren Parameter unbekannt sind, kann die adaptive Regelung genutzt werden. Bei der in dieser Arbeit verwendeten Art der adaptiven Regelung handelt es sich um eine Ausgangsrückführung mit einem Parameteradaptionsgesetz. Dies ermöglicht es dem System, sich selbstständig den jeweils notwendigen Verstärkungsfaktor zu generieren. Solche biologischen Regelungsprobleme wurden bereits in der Dissertation von Herrn Behn ausführlich untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit bildete die Grundlage für die hier vorliegende Diplomarbeit. Herr Behn bemerkte im Ausblick seiner Dissertation die Notwendigkeit des Entwurfs neuer Adaptionsgesetze, die es dem Verstärkungsfaktor ermöglichen, seinen hohen Wert zu verringern. Diese Aufgabe greift die vorliegende Arbeit auf und stellt somit eine Fortführung der Betrachtung von Adaptionsgesetzen aus der Dissertation dar. Es wurde zuerst eine ausführliche Literaturrecherche über in der Literatur verwendete Adaptionsgesetze durchgeführt. Dabei konnten viele verschiedene Gesetze gefunden werden. Der Großteil der Gesetze kann den Verstärkungsfaktor aber nur wachsen lassen. Wie jedoch festgestellt wurde, kann es zu Problemen kommen, wenn das System nicht in der Lage ist, den Verstärkungsfaktor gegebenenfalls wieder senken zu können. Bei Voruntersuchungen der Adaptionsgesetze konnte dabei festgestellt werden, dass die Variation der Rückführungsgesetze erheblichen Einfluss auf die Regelgeschwindigkeit ausübt. Um die Regelgeschwindigkeit zu erhöhen, wurden daher zuerst die Feedbackgesetze näher untersucht und optimiert. Außerdem wurde ein Vorverstärkungsfaktor betrachtet, der ebenfalls Einfluss auf die Geschwindigkeit nimmt. Für den Vorverstärkungsfaktor in den Simulationen wurde ein optimaler Wert gefunden. Die anschließenden Untersuchungen der Adaptionsgesetze aus der Literatur, die ein Fallen des Verstärkungsfaktors ermöglichten, zeigten, dass diese das System nur ungenügend regeln. Es trat in den meisten Fällen Sprungverhalten auf. Die Adaptionsgesetze aus der Literaturrecherche konnten daher nicht weiter verwendet werden. Auf Grundlage dieser Schwierigkeiten wurden die Adaptionsgesetze der Literaturrecherche modifiziert und neue Gesetze entwickelt. Es konnten dabei Gesetze gefunden werden, bei denen kein Sprungverhalten mehr auftrat. Diese Gesetze weisen in der Regel einen Doppelschlauch mit Lambda und Lambda minus Epsilon sowie eine Abfrage der Verweildauer auf. Die Adaptionsgesetze wurden dabei mit Hilfe der Simulationstools Matlab und Maple ausführlich simuliert. Um die Funktionalität der neuen Adaptionsgesetze nicht nur über Simulationen zu zeigen, wurde ein dem mechanischen Schwingungssystem äquivalenter elektrischer Schwingkreis aufgebaut und die Regelung der Adaptionsgesetze mit dem Schwingkreis vorgestellt. Dafür wurde eine Steuerung mit der Software LabVIEW erstellt. Mit Hilfe des elektrischen Schwingkreises konnte die Funktionalität der neuen Adaptionsgesetze gezeigt werden. Die Aufgabenstellung der Diplomarbeit wurde gelöst.
Modellierung der Rotordynamik eines Abgasturboladers. - 75 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Die vorliegende Diplomarbeit handelt von der Simulation von hydrodynamischen Rotorgleitlagerungen verschiedener PKW-Abgasturbolader. Die Berechnung der Rotordynamik erfolgt mit dem Mehrkörpersimulationsprogramm FIRST. Zur Berechnung der Hydrodynamik der Radiallager kommt das in FIRST eingebundene Programm TOWER zum Einsatz. - Gegenstand der Betrachtungen sind sowohl Schwimmbuchsenlagerungen als auch Einbuchsenlagerungen. Nach der Modellierung der Lagerungen mit starrem Rotor erfolgt eine Optimierung der Modellierungstiefe, bei der der hydrodynamischen Axialgleitlagerung besondere Bedeutung zukommt. Hierbei stehen betriebspunktabhängige Kennlinien zur Beschreibung des Axiallagerverhaltens sowie der Einfluss von Axiallagerkräften und Axiallagerspielen im Mittelpunkt. - Weiterhin erfolgt ein Vergleich verschiedener PKW-Abgasturboladerlagerungen hinsichtlich deren Reibleistung und Tragfähigkeit, wobei das Kaltstartverhalten ebenso berücksichtigt wird wie Rotordrehzahlen bis zu 180000 UPM. Auch Simulationen mit elastischen Rotoren werden durchgeführt und die Ergebnisse mit denen der starren Rechnungen verglichen. - Abschließend findet eine erste rechnerische Untersuchung einer Lageroptimierung hinsichtlich der Reibleistungssenkung statt. Dabei werden im Speziellen die Einflüsse der Lagerbreite, des Lagerdurchmessers und das Schalenspiels der Innenlagerung untersucht.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen zu Verschleißerscheinungen an Stoßdämpfern. - 148 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
NKW Stoßdämpfer unterliegen bei Belastung durch Querkraft sporadisch auftretendem abrasivem Verschleiß an der Laufpaarung Kolben/Zylinderrohr. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Einflussfaktoren, die zum Auftreten des Verschleißes führen. Eine weitere Aufgabe bestand darin, mögliche Lösungen zur Vermeidung des Verschleißes zu finden. Zur Erfüllung dieser Aufgaben wurden komplett montierte Stoßdämpfer mittels eines Prüfstandes in einem Verschleißversuch getestet. Untersuchte Bauteile waren Kolben, Zylinderrohr, Kolbenring und Kolbenstange des Dämpfers. An Kolbenringen, Kolben und Zylinderrohren wurden verschiedene harte und weiche Beschichtungen aufgebracht und im Versuch geprüft. Kolben und Kolbenringe wurden konstruktiv verändert und hinsichtlich des Einflusses dieser Änderungen experimentell untersucht. Die Kolbenstangen wurden hinsichtlich ihres elastischen Verhaltens während der Versuche beurteilt und durch Berechnungen untersucht. Im Ergebnis dieser Arbeit wurden mögliche Ursachen für das Auftreten von abrasivem Verschleiß an der Laufpaarung Kolben/Zylinderrohr gezeigt. Ebenfalls liegen günstige Lösungsansätze zur Vermeidung des Verschleißes vor, die in weiteren Untersuchungen, zum Beispiel Schlechtwegerprobungen, auf ihre endgültige Tauglichkeit hin geprüft werden müssen.
Aufbau und Inbetriebnahme eines Prüfstandes zur Messung der Reibkennwerte von Führungen. - 126 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Im Rahmen der Weiterentwicklung mikrotechnologischer Anwendungen tritt die Forderung nach immer kleineren Strukturen zunehmend in den Vordergrund. Um diesen Forderungen gerecht werden zu können, müssen Geräte und Messapparaturen konzipiert werden, die eine hochgenaue Fertigung zulassen. Zur Übertragung von Kräften und Bewegungen müssen in diesen Anlagen Präzisionsführungen eingesetzt werden, an die, neben der Forderung nach einer hohen Steifigkeit, auch die Forderung nach geringer Reibung gestellt wird. Im Gegensatz zu anderen industriellen Anwendungen stellt der Verschleiß der Führung und das infolge dessen auftretende Versagen des Werkstoffes hier nicht das zentrale Problem dar. Vielmehr sind es schwer kontrollierbare Effekte bei der Positionierung, wie z.B. Stick-Slip-Effekte oder infolge der Reibung entstehende Nachführfehler bei Bahnsteuerungen, die eine einwandfreie Funktion dieser Geräte beeinflussen. Für die Entwicklung und den Betrieb von Präzisionsmaschinen ist eine Kenntnis über das Reibverhalten von Einzelkomponenten wie z.B. den eingesetzten Führungen unabdingbar. Da Führungen komplexe tribologische Systeme darstellen und Reibung schon in einzelnen Kontakten sehr vielen Einflussfaktoren unterliegt, ist eine analytische Erfassung der Reibung nicht möglich. Daher werden zur Vorhersage des Reibverhaltens und zur Reibungskompensation häufig komplexe Modelle verwendet, die in Ihrem Verlauf durch das Ändern von Parametern dem Systemverhalten angepasst werden können. Für den Einsatz dieser Modelle ist die Kenntnis entsprechender empirisch ermittelter Kennwerte notwendig. Die Tatsache, dass die Reibung von Führungen meist unter makrotribologischen Gesichtspunkten betrachtet wird, führt zu dem Problem, dass kaum Daten über das Verhalten von Linearführungen im Haftbereich, insbesondere über Anfangsverschiebung, Haftkraft und Losbrechverhalten vorliegen. Für Präzisionsführungen bilden diese charakteristischen Werte jedoch eine wesentliche Grundlage für die Modellbildung und die Bewertung der Führung. Daher sind Fragen nach der Größenordnung der genannten charakteristischen Werte, sowie nach dem genauen Zusammenhang zwischen Verschiebung und Kraft oder dem Einfluss geometrischer Gegebenheiten häufig noch offen. Für eine präzise Modellbildung ist eine Kenntnis dieser Werte jedoch notwendig. Das Ziel der durchgeführten Arbeit ist der Aufbau und die Inbetriebnahme des Prototyps eines Universalprüfstandes, mit dem das Haft- und Losbrechverhalten unterschiedlicher Führungen untersucht werden kann. Die Inbetriebnahme zielt darauf ab, die Durchführung von Messreihen problemlos zu ermöglichen und weitestgehend zu automatisieren. Des Weiteren soll im Rahmen der Inbetriebnahme überprüft werden, inwiefern der Prüfstand unter messtechnischen Gesichtspunkten geeignet ist Untersuchungen im Haftbereich durchzuführen. Die gewonnenen Messwerte sollen einen Anhaltspunkt für die Beurteilung der Führungen hinsichtlich der Eignung für den Einbau in Positioniereinrichtungen geben. Zusätzlich können die Ergebnisse eine Hilfe für eine präzise Modellbildung des Verhaltens der Führungen darstellen. Im Rahmen der Diplomarbeit konnte der Universalprüfstand zur Untersuchung des Reibverhaltens von Führungen in Betrieb genommen werden, so dass es möglich ist Messreihen automatisiert durchzuführen. Die erstellte Software erlaubt es unterschiedliche Messprofile, vor allem im Hinblick auf die Ansteuerung des Piezoaktors, einzustellen. Es besteht die Möglichkeit, neben der Ansteuerfunktion, ganz gezielt Parameter wie Verfahrgeschwindigkeit, eingeleitetem Weg oder der Zeit zwischen zwei Messzyklen einzustellen. Dadurch kann die Abhängigkeit der Reibkraft von diesen Parametern gezielt untersucht werden. Durch ein Programm zur Vorverarbeitung der erfassten Daten können Messwerte, trotz der großen Datenmengen, zügig umgerechnet und visualisiert werden, so dass eine erste Beurteilung der Messergebnisse schnell möglich ist. Bei den durchgeführten Messungen konnte gezeigt werden, dass das Haftverhalten von Führungen gezielt vermessen und erfasst werden kann. Ebenso konnte der bei einer Führung auftretende Stick-Slip aufgenommen werden. Der Prüfstand hat sich in diesem Bereich grundsätzlich als geeignet erwiesen, das Verhalten der Führungen auch bei sehr kleinen Verschiebungen und Kräften zu erfassen.
Entwicklung apedaler Lokomotionssysteme basierend auf der Steuerung innerer Massen. - 119 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Diese Diplomarbeit beinhaltet eine aktuelle Forschungsrecherche auf dem Gebiet der "worm-like motion systems". In dieser Arbeit wird die Entwicklung von Steuer- und Regelalgorithmen der Wirkelemente eines apedalen Lokomotionssystems beschrieben. Ebenso wird die Integration eines geeigneten Sensorsystems sowie der Entwurf und Aufbau der zugehörigen Elektronik dargestellt. - Die Bewegungssteuerung des Prototyps erfolgt über eine veränderliche innere Massenverteilung. Diese wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Modellbildung der Regelstrecken sowie der Simulation der Regelungen. Praktisch erfolgt die Implementierung der Regelalgorithmen auf einem Mikrocontroller und die Integration der zugehörigen Elektronik in das Gesamtsystem. - Zusätzlich werden neuartige Funktionsprinzipien für Bewegungssysteme basierend auf der Steuerung innerer Massen aufgezeigt.
Untersuchung numerischer Verfahren für die Berechnung der Gleichgewichtslage beim Verfahren der elastischen Bänder. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2007
Zukünftige Fahrerassistenzsysteme, die den Fahrzeugführer bei der Vermeidung von Unfällen unterstützen sollen, profitieren von leistungsfähigen Bahnplanungsverfahren. Ein vielversprechender Ansatz ist das Verfahren der elastischen Bänder. Dabei wird die Umwelt des Fahrzeuges in einer Gefahrenkarte modelliert, die aus virtuellen Potentialfeldern besteht. In dieses Potentialgebirge wird ein so genanntes elastisches Band gelegt, dass sich unter den Potentialkräften verformt. In einer Gleichgewichtslage beschreibt das Band eine kollisionsfreie Bahn. Die Gleichgewichtsermittlung erfordert mathematisch die Lösung eines Systems nichtlinearer Gleichungen. - In dieser Arbeit werden drei ausgewählte numerische Lösungsverfahren in eine bestehende Simulationsumgebung implementiert mit dem Ziel der Steigerung von Effizienz und Stabilität der Berechnung. Zwei Verfahren ergeben sich dabei durch Erweiterung des bislang eingesetzten Newtonverfahrens um Dämpfungstechniken. Das dritte Verfahren ist eine Trust-region Optimierung, mit der ein neuer Ansatz verfolgt wird. Die Bahnplanungsverfahren werden schließlich in einer dafür entwickelten Testumgebung miteinander verglichen.
Untersuchung des Einflusses der Aufstellungsbedingungen auf das dynamische Verhalten von Maschinen. - 48 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Im Rahmen dieser Arbeit war das Schwingverhalten von Maschinen in Abhängigkeit von den Aufstellungsbedingungen zu untersuchen. Als wesentliche Aufstellungsbedingungen sind dabei die Aufstellelemente (z.B. Maschinenfüße) und der Aufstellungsort zu betrachten. Zunächst erfolgten grundlegende Betrachtungen von Maschinen- und Gebäudeschwingungen mit den entsprechenden Einflussparametern. Anschließend wurden für eine Materialprüfmaschine und einen Schwingerreger Mehrkörpersystem - Modelle (MKS) erstellt. Dabei wurden neben Gelenken und starren Körpern auch vordefinierte räumliche Gelenkbalken verwendet. Diese Modelle wurden um Elemente der Aufstellungsbedingungen erweitert, wobei als Aufstellungsort ein Fundamentblock angenommen wurde. Die Erstellung dieser Modelle und die Simulation erfolgten mit der Simulationssoftware alaska 5.0. Durch Variation der Aufstellungsparameter konnten die Eigenfrequenzen des Gesamtsystems aus Maschine und Aufstellung verschoben und unterschiedliche Schwingungsdämpfungen erzielt werden. - Um die Qualität der Simulationsergebnisse abschätzen zu können, wurden an einer der simulierten Maschinen Schwingungsmessungen bei verschiedenen Aufstellungsvariationen durchgeführt und Vergleiche zwischen den Simulations- und Messergebnissen gezogen. - Bei den Betrachtungen wurde eine Beschränkung auf Schwingungen in Vertikalrichtung vorgenommen. - Im Ergebnis dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass durch günstige Wahl der Aufstellelemente die besseren Schwingungsdämpfungen in niedrigen Frequenzbereichen erzielt werden konnten. Wird eine Erhöhung der Eigenfrequenzen des Gesamtsystems angestrebt, so kann durch den Aufstellungsort eine Versteifung des Gesamtsystems erreicht werden. Der Vergleich von Simulations- und Messergebnissen zeigte, dass die Modelle eine hinreichende Nachbildung der Realität darstellten und es somit zuließen Aussagen über das wahrscheinliche Schwingungsverhalten bei veränderten Aufstellungsbedingungen zu treffen.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Steuerung pedaler und apedaler kooperativ agierender Roboter. - 123 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
Mobile kooperierende Roboter sind dazu in der Lage, Aufgaben auszuführen, die nur schwer oder gar nicht von einem einzelnen mobilen System ausgeführt werden können. Um mehrere Einzelsysteme so aufeinander abzustimmen, daß ein kooperierendes Gesamtsystem entsteht, ist ein hohes Maß an Koordination und Kommunikation zwischen den einzelnen beteiligten Robotern notwendig. Dabei wird die Forschung auf dem Gebiet der Schwarmrobotik insbesondere von der Bionik inspiriert, deren Ziel die Übertragung natürlicher Funktionsprinzipien auf technische Applikationen ist. Beispielsweise dient die Untersuchung der Kommunikationsstrukturen sozialer Insekten, etwa in einem Ameisenstaat, als Grundlage für die Nachbildung von Schwarmverhalten bei Robotern. - Einleitend wird in dieser Arbeit zunächst der Stand der Forschung auf dem Gebiet bionisch inspirierter kooperierender Roboter aufgezeigt, indem das Projekt "Swarm-Bot" von Dorigo et. al. untersucht wird. - Um dann verschiedene Szenarios kooperierenden Roboterverhaltens experimentell umsetzen zu können, standen 2 unterschiedliche Typen mobiler Robotersysteme zur Verfügung, eine hexapedale Laufmaschine und ein radgetriebener Roboter mit Differentialantrieb. Diese Roboter wurden teilweise in vorangehenden Projekten selbst entwickelt und für diese Arbeit weiter modifiziert. - Für eine Erweiterung des Einsatzspektrums wurden diese Systeme mit einer digitalen Kamera ausgestattet, mit der bewegte und unbewegte Objekte lokalisiert und verfolgt werden können (Colourtracking). Ausserdem wurde ein digitaler Kompass integriert, der allen Robotern eine gemeinsame Orientierung ermöglicht. - Um die mit der Installation der zusätzlichen Hardware geschaffenen Möglichkeiten voll ausnutzen zu können, wurde die notwendige Steuersoftware in C++ und C# geschrieben und so die Voraussetzung geschaffen, um mit mehreren Robotern kooperativ agieren zu können. Die Steuerung und Koordination erfolgt über eine Bluetooth-Wireless Verbindung mit einem PC. Verschiedene Szenarios wie Kettenbildung, Formationsfahrten und gemeinsamer Objekttransport konnten erfolgreich realisiert werden. - Die in dieser Diplomarbeit geschaffene Experimentierplattform ist einfach und flexibel erweiterbar und kann für weitere Experimente zur Schwarmrobotik genutzt werden.