Modellbildung und Simulation eines Reibdämpfers zum Einsatz in Schwingungsminderungssystemen. - Ilmenau. - 121 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Zur Kontrolle und Minderung niederfrequenter Turmbiegeschwingungen von Windenergieanlagen werden u.a. gedämpfte passive Tilger eingesetzt, deren Dämpfungselement durch einen trockenen Reibdämpfer realisiert ist. Im Rahmen der im Hause Wölfel Engineering GmbH + Co. KG angefertigten Bachelorarbeit, wird das Reibverhalten der im Tilger verwendeten Reibpaarung experimentell untersucht sowie ein zur Nachbildung des Reibverhaltens geeignetes Reibmodell ausgewählt. Anschließend werden drei verschiedene Reibmodelle, das ausgewählte Reibmodell sowie das Coulomb-Modell und das lineare Dämpfermodell, zur Beschreibung des Reibverhaltens eingesetzt und das Schwingungsverhalten des gedämpften passiven Tilgers in Simulink simuliert. So kann eingeschätzt werden, in welchem Umfang sich auch einfache Reibmodelle zur Nachbildung trockener Festkörperreibung eignen, wenn weniger das Reibverhalten selbst, als das daraus resultierende Schwingungsverhalten des Tilgers interessiert.
Detektion von Defekten und Verschleiß an einem Sägewerkzeug mittels Schwingungsanalyse. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Methodik zur frühzeitigen Erkennung von Verschleiß bei Sägewerkzeugen. Um die wissenschaftliche Problemstellung zu beantworten, wurden Schwingungsmessungen mit neuwertigen und verschlissenen Sägeblatteinheiten durchgeführt. Die unterschiedlichen Messreihen dienten der Ermittlung von möglichen Auswirkungen der verschlissenen Sägewerkzeuge auf die Funktion der Maschine. Hiernach wurde eine Analyse der Messwerte durchgeführt, sodass anhand der gewonnenen Ergebnisse Aussagen zu der Problemstellung getroffen werden konnten. Auf Grundlage der erlangten Erkenntnisse können somit nun weitere Entwicklungen für zukünftige Verfahren angestoßen werden.
Modellierung und Simulation des dynamischen Verhaltens einer Tensegrity-Struktur als Mehrkörpersystem. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellbildung und dynamischen Simulation eines mobilen Roboters, der auf einer Tensegrity-Struktur mit zwei gekrümmten Elementen basiert. Die Bewegung des Roboters wird durch das Verfahren von Antriebseinheiten entlang der gekrümmten Elemente induziert. Die Modellbildung erfolgt als Mehrkörpersystem mittels des Programms alaska/ModellerStudio. Die Arbeit umfasst unter anderem Methoden der Kontaktmechanik und Regelungstechnik. Es werden sechs Modelle entwickelt, die sich in der Modellierung der Spannelemente und der Führung der Antriebseinheiten unterscheiden. Dynamische Simulationen zeigen, dass die Modelle in der Lage sind, sowohl einachsiges Rollen als auch Kippsequenzen auf ebenem, nicht geneigtem Untergrund auszuführen.
Untersuchung eines kippenden Lokomotionssystem auf Basis einer Tesegrity Struktur. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Das Bewegungssystem ist ein wichtiger Teil des Roboters und seine Kernfunktion besteht darin, die kontrollierte Positionsänderung des Roboters zu realisieren. Ein innovatives Fortbewegungssystem kann dem Roboter mehr Flexibilität verleihen. Heutzutage gibt es viele verschiedene Bewegungsprinzipien, die in der Robotik genutzt werden, wie z.B. Rollen, Gehen und Kriechen. Gleichzeitig wird die Entwicklung weiterer Lokomotionsprinzipen angestrebt. Die aus der Architektur stammende Tensegrity-Struktur ist eine spezielle vorgespannte Struktur, die aus Zug- und Drucksegmenten besteht. Die Verbinndung der Drucksegmente miteinander erfolgt nicht direkt, sondern über Zugsegmente. Da die Tensegrity Struktur offensichtliche Vorteile wie ein hohes Gewichts-Last-Verhältnis oder eine Schockresistenz bietet, ist sie zur Realisierung von Lokomotionssystemen geeignet. Durch Formänderung der Struktur können Kippbewegungen ermöglicht werden, um eine kontrollierte Fortbewegung zu realisieren. In dieser Arbeit wird ein Bewegungssystem auf Basis einer Tensegrity Struktur vorgestellt. Die Fortbewegung wird hierbei anhand sukzessiver Kippsequenzen realisiert.
Determination of the signals recorded by carpal vibrissae of rats during locomotion and forelimb touch down. - Ilmenau. - 104 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Verschiedene Säugetiere, so auch Ratten, verfügen an ihren Pfoten über Tasthaare, die sog. karpalen Vibrissen. Untersuchungen der Fortbewegung von Ratten haben gezeigt, dass der Kontakt zwischen den karpalen Vibrissen und dem Untergrund Einuss auf das Fortbewegungsverhalten der Tiere hat. Karpale Vibrissen bestehen aus einem Haarschaft und einem Follikel. Der Haarschaft ist lang, schlank, elastisch und im Follikel gelagert, in dem sich die Mechanorezeptoren benden. Ausgehend von Vorarbeiten der Fachgebiete Biomechatronik und Technische Mechanik der Technischen Universität Ilmenau sowie der Section of Mechanical Engineering, Ponticial Catholic University of Peru, wurde ein mechanisches Modell einer karpalen Vibrisse erstellt. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist es, die im Follikel wirkenden Kräfte und Momente während der Fortbewegung einer Ratte zu bestimmen. Aus den ermittelten Signalen sollen Rückschlüsse auf die Beschaenheit des Kontaktes zwischen Haarschaft und Oberäche gezogen werden. Hierzu wurde die in einer Vorarbeit ermittelte Bewegungsbahn einer Rattenpfote mit dem in dieser Arbeit erstellten mechanischen Modell kombiniert. Die daraus entstandene invers dynamische Analyse wurde im Mehrkörpersimulationsprogramm ALASKA durchgeführt. Da nicht alle Eigenschaften und Parameter des biologischen Vorbilds bekannt sind, wurden z.B. der Reibkoezient, die Lagerungseigenschaften oder die Materialeigenschaften des Haarschaftes variiert. Als Ergebnis der durchgeführten Parameterstudien konnten verschiedene Einüsse bestätigt werden. Hierbei zeigen sich u. a. Eekte wie eine Änderung der Signalstärke sowie Änderungen in der Kontaktzeit.
Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Elastomeren mit thermoplastischen Partikeln. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Thermosensitive Elastomere (TSE) sind weiche, intelligente Materialien, deren Materialeigenschaften durch Temperaturänderung gesteuert werden können. Ziel dieser Arbeit ist es, die mechanischen Eigenschaften thermoplastischer Elastomermaterialien zu untersuchen und eine Wissensbasis für mögliche zukünftige Anwendungen bereitzustellen. In dieser Masterarbeit wurden thermoplastisch aktive Polycaprolacton Partikel in eine flexible Silikonmatrix eingearbeitet, um ein TSE Material herzustellen. Polycaprolacton bietet mit einem niedrigen Schmelzpunkt in Bereich von 58C bis 60C gegenüber anderen thermoplastischen Materialien großes Anwendungspotential. Zur Untersuchung Temperatur veränderlicher mechanischer Materialeigenschaften wurden Probekörper verschiedener Materialzusammensetzung und Geometrien für Zug-, Druck- und Schwingungstests angefertigt. Auf Basis von thermostatischen Simulationen mit ANSYS wurde eine Heizkammer für einen Versuchsaufbau zur Untersuchung von Zug- und Druckproben konstruiert, aufgebaut und messtechnisch verifiziert. Besonderes Augenmerk beim Entwurf dieses Aufbaus lag dabei auf der möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der zu untersuchenden TSE Proben. Durch Verwendung der Heizkammer zusammen mit der Zug/Druck Prüfmaschine Zwick Roell Z005 wurden Messungen zum temperaturabhängigen Materialverhalten von Druckproben aus diesem TSE Material gemacht. Dabei wurden zwei nutzbare Effekte ausgemacht: - Temperaturabhängige Steifigkeitsänderung (bis zu -60%) - Shape Memory Effekt. Beide Effekte konnten hauptsächlich auf das Schmelzen und Erstarren der Polycaprolacton Partikel zurückgeführt werden.
Contribution to artificial tactile sensors for object contour recognition using coupled technical vibrissae. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Einige Säugetiere verfügen zur taktilen Umgebungserkundung über spezielle Tasthaare, die sog. Vibrissen. Die Verwendung dieses komplexen Sinnesorgans ermöglicht es bspw. Ratten Abstände und Orientierungen von Objekten sowie deren Konturen und Oberflächenbeschaffenheiten auf Basis weniger Berührungen durch ihre Vibrissen zu detektieren. Vibrissen kommen meist in Gruppen an verschiedensten Körperstellen (z.B. im Gesichtsfeld oder den Extremitäten) der Tiere vor. In der Literatur beschränken sich die meisten mechanischen Vibrissenmodelle auf die Betrachtung einer einzelnen Vibrisse, die zumeist als eingespannter Biegebalken modelliert wird. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an und leistet einen Beitrag zur Untersuchung realitätsgetreuerer, elastisch gekoppelter Vibrissensysteme. Der Fokus liegt auf der Objektkonturabtastung und der theoretischen Erzeugung der Lager reaktionen jeder einzelnen Vibrisse. Dabei werden das elastische Gewebe der Tiere, in das die Vibrissen eingebettet sind und die dadurch gegebene mechanische Beeinflussung der Vibrissen untereinander berücksichtigt. Zunächst erfolgt die Modellierung einer einzelnen Vibrisse durch einen langen, schlanken Balken zylindrischer Form dessen Verformungen mithilfe der nicht-linearen Euler-Bernoulli Theorie beschrieben werden. Das Modell wird anschließend in verschiedenen Abstraktionsstufen zunächst um eine elastische Lagerung und anschließend um eine zweiten Vibrisse erweitert. Die Kopplung der Vibrissen wird durch verschiedene Federstrukturen realisiert. Für die Objektabtastung wird das Vibrissenmodell quasi-statisch und translatorisch an einer exemplarisch betrachteten, streng konvexen Objekt-Profilkontur vorbeigezogen. Während der Abtastung wird zwischen den Kontaktphasen des Spitzen- und Tangentialkontakts unterschieden. Darüber hinaus werden für den Fall der Objektabtastung mithilfe mehrerer Vibrissen verschiedene Szenarien abgeleitet, um zu berücksichtigen, welche und wie viele der Vibrissen sich gleichzeitig in Kontakt mit dem Objekt befinden. Basierend auf dieser Einteilung werden verschiedene Gleichungen zur Ermittlung der Fußpunktpositionen aller Vibrissen hergeleitet. Das mechanische Modell dient als Grundlage für die Durchführung von Parameterstudien, in denen der Einfluss der Lager- bzw. Kopplungselastizität sowie des Objektabstandes auf die Lagerreaktionen der einzelnen Vibrissen untersucht wird. Dabei zeigt sich u. a., dass, im Gegensatz zum Objektabstand, eine Lagerelastizität in Abtastrichtung keinen Einfluss auf die Maximalwerte der Lagerreaktionen hat. Im Falle zweier gekoppelter Vibrissen können bestimmte Events, wie das Ablösen einer Vibrisse vom Objekt, in den Lagerreaktionen der jeweils anderen Vibrisse detektiert werden.
Einfluss eines äußeren Magnetfeldes auf statische Durchbiegung von aufmagnetisierten Elastomeren verschiedener Zusammensetzung. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Magneto-sensitive Elastomere (MSE) bestehen aus magnetisch weichen oder harten Partikeln in Mikro- oder Nanogröße vermischt mit einer elastischen Matrix. Ihre variablen mechanischen Eigenschaften unter äußeren Magnetfeldern sind im Bereich der Aktoren und Sensoren von großem Wert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss des äußeren homogenen Magnetfeldes auf die statische Durchbiegung der aufmagnetiesierten MSE-Balken, die mit einer Mischung aus NdFeB-Pulver und Carbonyl-Eisen-Pulver gefüllt sind. Der Volumenanteil von magnetisch harten NdFeB-Partiekeln ist in allen vier MSE-Baken konstant, die Volumenkonzentration vom Carbonyl-Eisen-Pulver wird variiert. Mittels eines experimentellen Prüfstandes wird die statische Durchbiegung der MSE-Balken für verschiedene Feldstärken gemessen. Ein theoretisches Modell zur Beschreibung der großen Durchbiegung der MSE-Balken unter Einfluss eines homogenen äußeren Magnetfeldes basiert sich auf der nichtlinearen Euler-Bernoulli-Balkentheorie. Der Elastizitätsmodul von den MSE-Materialien wird mit Hilfe dem theoretischen Modell ohne Magnetfeld berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Elastizitätsmodul des MSE-Balkens mit dem steigenden Volumenanteil des CIP-Pulvers im Material zunimmt. Für jeden MSE-Balken werden die theoretischen Biegelinien für unterschiedliche Magnetfeldstärken mit experimentellen Daten verglichen. Demzufolge werden Korrekturparameter des Modells berechnet. Mit Hilfe dem vereinfachen Modell ist es möglich, die magneto-mechanische Wechselwirkung bei der Beschreibung der statischen Durchbiegung des MSE-Balkens im Magnetfeld zu berücksichtigen.
Auswahl, Dimensionierung und konstruktive Integration eines Systems zur Messung und Einstellung eines Phasenwinkels bei Rotationssystemen. - Ilmenau. - 103 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Beim Betrieb von Maschinen und Geräten mit rotierenden Teilen hat bereits eine geringe Unwucht der Rotoren einen großen Einfluss auf das Betriebsverhalten. Es entstehen Schwingungen, die die Störanfälligkeit der Elektronik erhöhen und zu verstärktem Verschleiß, stärkerer Geräuschentwicklung und verminderter Qualität des Prozesses führen. Demzufolge ist es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um die Abweichungen der Massenträgheitsachse des Körpers zu dessen Rotationsachse bestmöglich zu kompensieren, sodass ein langlebiger Betrieb der Anlagen mit hoher Prozessqualität, Betriebssicherheit und Schonung der Umwelt sichergestellt wird. Da konventionelle Auswuchtverfahren an ihre Grenzen stoßen, werden Baugruppen und Prozesse ent- und weiterentwickelt, die die Messung der Unwucht sowie die Kompensation dieser in kurzer Zeit mit geringem Energieaufwand durchführen. Ziel und Aufgabe dieser Masterarbeit ist es, für einen Anwendungsfall eine Baugruppe zu entwerfen, mit der die Unwucht des Rotors dieses Systems durch ein aktives, automatisches Auswuchtverfahren mit Veränderung der Massenverteilung in die geforderten Toleranzen gesenkt wird. Durch zwei voneinander unabhängig ausrichtbare Massekörper werden so in Betrag und Richtung variierbare Kompensationsunwuchten erzeugt. Mit Hilfe des konstruktiven Entwicklungsprozesses der Technischen Universität Ilmenau werden zunächst verschiedene Lösungsprinzipe entwickelt, welche die Hauptfunktion und weitere, zuvor ausgearbeitete Anforderungen an die Baugruppe erfüllen. Nach Ermittlung der am besten geeigneten Konzepte erfolgt eine Prüfung der Umsetzbarkeit in Bezug auf Bauteilverfügbarkeit, Kosten und Testumfang. Auf Basis dieser Untersuchungsergebnisse wird anschließend ein Versuchsaufbau erarbeitet, mit dem das Prinzip der Wirbelstrombremse als Aktor anhand von Testreihen geprüft werden kann.
Sensorikintegration und automatisierte Steuerung eines rollenden mobilen Roboters auf Basis von Tensegrity-Strukturen. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Diese Arbeit befasst sich mit der Sensorintegration und der Feststellung der Eignung eines IMU Sensors für die automatisierte Steuerung eines rollenden mobilen Roboters auf Basis einer Tensegrity Struktur. Um die Eignung festzustellen, werden dabei folgende Aufgabenbereiche bearbeitet: - Entwurf, Aufbau und Inbetriebnahme einer neuen Elektronik für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Baugruppen am Roboter. - Entwurf und Implementierung einer automatisierten Steuerung für modellbasierte Ansätze. - Test und Validierung der Sensordaten für die Steuerung. Für die Sensorintegration wird der Boschsensor BNO055 verwendet, welcher über einen Sensor-Fusion Algorithmus die räumliche Orientierung in Form von Euler-Winkel oder Quaternionen bestimmt. Der Schwerpunkt in diesem Kontext bildet der Entwurf der Baugruppenkommunikation und eine Regelung. Der in dieser Arbeit präsentierte Lösungsansätz für die Kommunikation zwischen Motorsteuerung, Sensor und Funkmodul verwendet als zentrales Element den Mikrocontroller XMC1302 sowie eine Verschaltung mehrerer Logik-Gatter. Für die modellbasierte automatisierte Steuerung wird zudem auf dem Mikrocontroller ein PID-Regler implementiert, welcher mit Hilfe der Sensordaten den Auslenkwinkel der Aktoreinheit regelt. In verschiedenen Testszenarien konnte schließlich die Eignung des Boschsensors festgestellt werden. Mit dieser Lösung ist einen Regelung der Antriebseinheit mit einer maximalen Abweichung von 0,7˚ des Auslenkwinkels realisierbar.