Identifikation von geeigneten Reibmodellen für die modellbasierte Regelung einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Ziel der Arbeit ist es, die Auswirkungen der Reibung auf die vertikale Achse des Nanopositionierung und Nanomessmaschine(NPMM) zu kompensieren. Dazu werden die Reibungsphänomene des Systems beobachtet und analysiert, ein Reibmodell identifiziert, eine Vorsteuerung mit einem Reibmodell in das System eingebaut und der Störgrößenbeobachter des Systems verbessert. Aufgrund der Komplexität der Regelungsphänomene der vertikalen Achse wird die Auswirkung ihres Oberflächenbildes auf das statische und dynamische Verhalten des Systems beobachtet und analysiert. Bei der vertikalen Achse handelt es sich um ein durch einen Tauspulenmotor angetriebenes, Masse-Feder-gedämpftes System, dessen Schwerkraft durch eine Feder kompensiert und durch ein Interferometer positioniert wird. Das verwendete Steuersystem basiert auf einem Systemmodell zweiter Ordnung, das die großen Abweichungen, die durch den Stick-Slip-Effekt verursacht werden, nicht gut kompensiert. Dafür wird die Stick-Slip Effekt durch eine Vorsteuerung kompensiert. Die Störungen des Systems werden durch eines erweiterten Kalman-Filters mit einem Reibmodell beobachtet und kompensiert. Die Identifikation des Reibmodells erfolgt im Allgemeinen in zwei Schritten, beginnend mit der Identifikation der grundlegenden Systemparameter, gefolgt von der Identifikation des Reibmodells. Das verwendete Eingangssignal ist in drei Teile unterteilt: der erste Teil ist das Anfangssignal für die Einstellposition, der zweite Teil ist ein Sinussignal mit großer Amplitude für die Identifikation der Systemparameter und der dritte Teil ist ein Zufallssignal für die Identifikation der Reibmodellparameter. Der Identifikationsprozess erfolgt durch den Vergleich des Modellausgangssignals mit den Messergebnissen für verschiedene Parameter. Mit Hilfe den Optimierungsalgorithmen wird eine minimale mittlere quadratische Abweichung davon bekommen und die optimalen Parameter erhalten Die Wirksamkeit der Vorsteuerung und des Störungsbeobachters wird anhand eines Regelungssystems überprüft, das auf einer Pi-Regler, einer Vorsteuerung mit Reibmodell und einem Störgrößenbeobachter basiert. Die Leistung wird an zwei Trajektorien überprüft: lineare Bewegung mit einer Amplitude von 1 mm und einer Frequenz von 1 Hz, lineare Bewegung mit einem Abstand von 10 mm, einer maximalen Geschwindigkeit von 1 mm/s und einer maximalen Beschleunigung von 1 mm/s^2. Die Regelungsabweichung wird als mittlerer quadratischer Fehler zwischen der Referenztrajektorie und der tatsächlichen Trajektorie quantifiziert.
Untersuchung und Optimierung der Ecklastproblematik von Hochlastkomparatorwaagen. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Optimierung des Fehlers auf Grund von außermittiger Belastung an einem Entwicklungsmuster der Edelstahl-Brückenwaage, welche als Hochlastkomparatorwaage eingesetzt werden soll. Zu diesem Zweck werden messtechnische Untersuchungen durchgeführt, um das Ecklastverhalten der Waage zu erfassen. Ebenfalls werden Messungen zur Wiederholbarkeit der Waage durchgeführt, da durch die Reduzierung des Ecklastfehlers (Fehler aufgrund von außermittiger Belastung) das übergeordnete Ziel der Verbesserung der Wiederholbarkeit der Waage erreicht werden soll. Basierend auf einer FEM-Analyse der Edelstahl-Brückenwaage wird ein schematisches Ecklastmodell erstellt, in dem Ecklasteinflüsse und Ecklasteffekte dargestellt werden. Mit den Erkenntnissen aus diesem Ecklastmodell werden mehrere Maßnahmen zur Reduzierung des Ecklastfehlers ausgearbeitet und hinsichtlich ihrer Eignung für diesen Anwendungsfall bewertet. Schlussendlich werden zwei dieser Maßnahmen umgesetzt und wiederum messtechnisch auf ihre Performance geprüft.
Evaluierung und Auswahl eines Winkelmesssystems für eine Planck-Waage. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2023
Neigungswinkel, die während der interferometrischen Längenmessung im Geschwindigkeitsmodus einer Planck-Waage auftreten, haben einen signifikanten Einfluss auf die Messgenauigkeit. Durch ein integriertes Winkelmesssystem nach dem Prinzip des Autokollimationsfernrohres können diese Winkel erfasst und der Fehler in der Längenmessung rechnerisch beseitigt werden. Mehrere Varianten zur Berechnung der beiden Messwinkel werden getestet. Es werden äußere und innere Einflussfaktoren beispielsweise durch Erschütterungen, veränderte Position der Quadrantendiode, Einschraubtiefe des Lichtwellenleiters oder diverse Messfrequenzen untersucht. Detaillierte Untersuchungen bezüglich der Kennlinie, minimal detektierbaren Schrittweite, Wiederholbarkeit und optimalen Filterlänge werden mithilfe eines Referenz-Winkelmesssystems durchgeführt. Nach kommerziell erhältlichen Alternativen für das vorhandene Autokollimationsfernrohr wird recherchiert sowie ein Adapter zur Einkopplung in das System der Planck-Waage konstruiert.
Identifizierung der Planck-Waage und Untersuchung der Dämpfungskomponente. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In dieser Arbeit wird die Verwendung einer Planck-Waage mit dem PB2-System beschrieben, die aus mechanischen, elektronischen Komponenten besteht. Die mechanische Impedanz des Systems spielt eine entscheidende Rolle bei der Parametidentifikation und ist für die Entwicklung eines Controllers zur Aufrechterhaltung seiner dynamischen Stabilität unerlässlich. Der Artikel ist in fünf Kapitel unterteilt und umfasst die Einführung des PB2-Systems, die Systemstruktur, die Methoden zur Parametidentifikation, die qualitative Analyse der Messdaten sowie den Vergleich und die Analyse verschiedener Modellparameter. Unterschiedliche auf Frequenz Reaktion Funktion(FRF) basierende Frequenzbereichs-Parametidentifikationsmethoden, einschließlich Einfach-Freiheitsgrad-System(SDOF), Mehrfach-Freiheitsgrad-System(MDOF) und auf Zustandraumdarstellung(SS) basierende Analysemethoden, wurden verwendet. Da die manuelle Identifikation sehr langsam ist, wurde ein Programm entwickelt, das eine automatische Werteidentifikation ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode bei der Identifikation. Zum Schluss wird in der Studie die Ausrichtung zukünftiger Verbesserungen der Identifikationsmethoden diskutiert.
Gewichtskraftkompensation für eine ultrapräzise Planoptik. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Das Fabry-Perot-Interferometer nutzt das Prinzip der Interferenz, um die Formabweichung eines optischen Bauteils gegenüber einer Referenzfläche zu messen. Wenn die Referenzfläche horizontal angeordnet ist, wird die Referenzfläche durch ihre Gewichtskraft verformt, was die Messergebnisse beeinflusst. Um diese Verformung zu verringern, ist eine Gewichtskompensation erforderlich. Die Gewichtskompensation kann mit Hilfe verschiedener mechanischer Modelle analysiert werden, um dann eine implementierbare Variante zu erhalten. Schließlich wird die Variante bearbeitet und installiert und dann experimentell analysiert, um die Ergebnisse der Gewichtskompensation zu bewerten.
Vektorielles Messunsicherheitsmodell einer fünfachsigen Nanopositionier-, Nanomess- und Nanofabrikationsmaschine. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Die Angabe von Messunsicherheiten ist essenzieller Teil für aussagekräftige Messergebnisse, dies gilt insbesondere für Messungen von Strukturgrößen im Nanometerbereich. Durch das Bestreben zur Fertigung von funktionalen Baugruppen auf gekrümmten, asphärischen oder frei-geformten Oberflächen wird an der Weiterentwicklung von Nanomess-, Nanopositionier- und Nanofabrikationsmaschinen geforscht. Die Erweiterung bestehender Maschinen um zwei rotatorische Achsen erfordert auch die Überarbeitung der Messunsicherheitsmodelle. Ziel dieser Arbeit ist es, eine erste Abschätzung über die erreichbare Messunsicherheit unter Verwendung einer fünfachsigen Nanomessmaschine zu geben. Dazu wurde eine typische Messaufgabe analysiert und Untermodelle für die separaten Systemkomponenten erstellt. Eine Untersuchung der Untermodelle hinsichtlich der Einflüsse auf die metrologische Kette führte zu der Erstellung eines gesamtheitlichen vektoriellen Messunsicherheitsmodells. Dieses Modell wurde in eine Python-Programmierumgebung übertragen und anhand von zwei simulierten Messaufgaben überprüft. Die Simulation der erreichbaren Messunsicherheit hat gezeigt, dass die größten Beiträge durch das zeitliche Driftverhalten sowie die Orthogonalitätsabweichungen des Referenzmessystems verursacht werden. Daraus kann eine gezielte Optimierung der fünfachsigen Nanomessmaschine abgeleitet werden. Durch die Implementierung einer Echtzeitkompensation in die Regelung der Nanomessmaschine sowie die genauere Ermittlung der Orthogonalitätsabweichungen und deren Korrekturfaktoren kann die erreichbare Messunsicherheit weiterhin verringert werden.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In der vorliegenden Arbeit wurde ein FEM-basiertes Modell zur Simulation eines Kontaktthermometers zur Oberflächentemperaturmessung entwickelt. Dazu wurden Messungen auf einem Prüfstand durchgeführt, wobei die dynamische Reaktion und die statische Abweichung des Thermometers gemessen wurden, die die wichtigsten Faktoren für die Validierung des numerischen Modells sind. Mit Hilfe der Software Ansys wurde ein achsensymmetrisches 2D-FEM-Modell erstellt, das die Konstruktion des Thermometers und des Prüfkörpers darstellt. Das Modell lieferte ähnliche qualitative Ergebnisse wie die Messung, mit einer Abweichung des statischen Temperaturwerts von 0,5 K und mit einer Abweichung der Zeitkonstante t95% von 90 Sekunden.
Regelung der Belichtungsdosis für die maskenlose Lithographie auf einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Direktes Laserschreiben belichtet nur einen einzelnen Punkt und erfordert daher keine teure Maske. Auch bei linearer Absorption ist so theoretisch eine Belichtung von Strukturbreiten unterhalb der optischen Auflösungsgrenze durch den Belichtungsschwellwert des Fotolacks möglich. Dabei muss die Belichtungsdosis während des Laserdirektschreibprozesses genau eingestellt werden. Die Laserbelichtung ist proportional zur Leistung des Lasers und der Strukturierungsgeschwindigkeit. Diese aktuelle Geschwindigkeit wird von den drei Reglern der Nanopositionier- und Nanomessmaschine vorgegeben. Um die Laserbelichtung regeln zu können, wurden Modulationsschaltungen entwickelt, in die die Spannung aus dSpace eingespeist wird und der Laserdiodenstrom entsprechend verändert werden kann, so dass sich die Leistung des Lasers ändert. Außerdem wurde eine neue Baugruppe entwickelt, die aus einem optischen System, Fotodiode und einer zugehörigen Transimpedanzverstärkerschaltung besteht. Dieses Subsystem misst die aktuelle Intensität des Lasers für die Rückkopplung in das dSpace-System. Schließlich wurde ein Regelkreis entworfen, der die Laserleistung schnell regeln kann. Der endgültige Fehler kann auf ±0,05V im linearen Bereich kontrolliert werden.
Untersuchungen zur Charakterisierung von Tauchspulenaktoren zum Einsatz in selbstkalibrierenden Kraftmesssystemen. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In dieser Arbeit werden die Eigenschaften der Schaltung, die im Geschwindigkeitsmodus der Planck-Waage das Übertragungsverhalten modelliert, und die einzelnen Parameter sowie die Messunsicherheit mit Hilfe von Modellsimulationen, Messungen und Optimierungen untersucht. Die Parameter Cp und Lc, die großen Einfluss auf die Schaltung haben, wurden zunächst durch die Modellierungssimulationen bestimmt. Ri wurde direkt gemessen, um genaue Werte zu erhalten, obwohl der Widerstandswert von Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst wird. Dies wurde wie im Kapitel Messfehler von Widerstand erläutert wird, mit verschiedenen Methoden versucht wurde, Cp und Lc separat zu bestimmen. Da im Inneren eines Multimeters eine Kapazität vorhanden ist und nur schwer direkt gemessen werden kann, wurde ein zusätzlicher Kondensator an der Schaltung angeschlossen und die Gesamtkapazität im Multimeter und in der Schalteinheit durch Differenzbildung berechnet. Die Induktivität der Spule ist ebenfalls schwer zu messen, weshalb sie zunächst anhand ihrer physischen Größe geschätzt und dann durch Simulation auf der Grundlage der Messkurve optimiert wurde. Es ist erwähnenswert, dass sich Cp und Lc nach separaten Optimierungsversuchen als unbefriedigend erwiesen haben. Daher wurden sie gemeinsam als Optimierungsparameter verwendet, um Messfehler zu vermeiden und möglichst genaue Werte zu erhalten. Die Optimierungsergebnisse werden auch erörtert.
Entwicklung eines Messsystems zur korrelativen Beschaffenheits- und Zusammensetzungsmessung von Brenngasen. - Ilmenau. - 96 eiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Mit der zunehmenden Einspeisung von Brenngasen aus erneuerbaren Bezugsquellen in das Erdgasnetz zur Verringerung der CO2-Emission sind sowohl private, als auch gewerbliche Verbraucher mit Herausforderungen in Zusammenhang mit schwankender Gasqualität konfrontiert. Ziel der in Kooperation mit UNION Instruments GmbH entstandene Masterarbeit ist es, ein korrelativ arbeitendes Messsystem zur Erfassung des Brennwertes für Erdgase zu entwickeln, die einen Wasserstoffanteil von bis zu 20 Vol.% haben und deren Anteil der höheren Alkane keiner festen Verteilung unterliegt. Dazu wurde eine Sensorkombination auf Basis mehrerer vorhandener Einzelsensoren konzipiert und realisiert. Das aus zwei NDIR-Sensoren und einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor bestehende Messsystem konnte anschließend in Betrieb genommen werden. Aufbauend auf dem Messsystem geht aus der Arbeit ebenfalls ein Auswertealgorithmus zur Bestimmung des Brennwertes hervor. Durch die Vermessung von Prüfgasen mit bis zu vier verschiedenen Komponenten konnte das auf korrelativen Berechnungsmethoden beruhende Messsystem überprüft werden. Daraus ergab sich für die getesteten Gemische ein maximaler Fehler von 0,9 MJ/m^-3. Weiterhin liefert die Arbeit eine Konstruktion für eine integrierte Bauweise des Sensorsystems. Die Ergebnisse dieser Arbeit bieten eine Basis für mögliche Weiterentwicklungen des Messsystems in Hinblick auf die Minimierung des Anzeigefehlers und die Erweiterung des Messsystems zur Erfassung weiterer relevanter Kenngrößen.