Modellbasierte Kompensation des Einflusses von Maschinenbettschwingungen auf einen dynamischen Wägeprozess. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
In hochpräzisen dynamischen Wägeprozessen wirken sich die mechanischen Schwingungen des direkten Umfelds nachteilig auf die Reaktionen der Wägezelle aus und verringern somit die Genauigkeit des Wiegeergebnisses. In dieser Arbeit wird ein vollständiges 3D-Wägezellenmodell erstellt und basierend auf diesem Modell eine Methode zur Kompensation des Einflusses von Störschwingungen vorgeschlagen. Im industriellen Umfeld werden selten die Bedingungen für eine hochpräzise Wägung realisiert. Daher ist es oftmals sinnvoll den gesamten Messprozess unter idealisierten Bedingungen per Software zu simulieren. In diese Arbeit wird eine Plattform mit acht Wägezellen durch die Simulationssoftware Simscape Multibody modellieren. Diese Arbeit zeigt auch einige Untersuchungen zum Einfluss von Störschwingungen auf das Modell. Zur Untersuchung und späteren Kompensation dieser Störschwingungen werden Beschleunigungssensoren an geeigneten Positionen des Modells installiert. Auf Basis dieser Sensordaten wird es möglich die nachteiligen Auswirkungen auf den Wägeprozess rechnerisch zu kompensieren.
Evaluierung und Charakterisierung verschiedener Klebetechnologien für die Kollimation von Mikrooptiken an Hochleistungshalbleiterdiodenlasern. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Prüfverfahrens zur anwendungsoptimierten Prüfung von Klebstoffen zur Kollimation von Halbleiterdiodenlasern. In einem ersten Schritt werden zunächst die funktionswichtigen Eigenschaften des Klebstoffs im Anwendungsgebiet analysiert. Anhand der so ermittelten Eigenschaften der Klebstoffe werden Prüfverfahren zur Prüfung von Festigkeit, Benetzungs- und Schrumpfverhalten entwickelt, wobei im Ergebnis eine Vergleichbarkeit der zu prüfenden Klebstoffe möglich sein muss. Alle nötigen Versuchsmittel werden entwickelt und anschließend gefertigt oder beschafft. Mithilfe der so entwickelten Prüfverfahren werden von acht verschiedenen gefüllten oder ungefüllten acrylatbasierten UV-Klebstoffen die funktionswichtigen Eigenschaften bestimmt. Die Messdaten werden anschließend statistisch aufbereitet und bewertet. Durch das entwickelte Prüfverfahren sowie die gewonnenen Daten wird es möglich sein eine Datenbasis aufzubauen mit deren Hilfe die Klebstoffvielfalt in der Laserfertigung reduziert und damit die Klebeprozesse hinsichtlich Automatisierung und Prozessoptimierung optimiert und verbessert werden können.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Verbesserung der lateralen Messgenauigkeit von Autofokussensoren bei der Messung von Mikrostrukturen. Die Kombination von optischen Fokussensoren mit der Nanomessmaschine erlaubt eine große Submikrometergenauigkeit, wobei eine vertikale Auflösung von 1 nm dadurch erreicht werden kann. Die laterale Auflösung bleibt jedoch aufgrund der Laserspotgröße und der Beugungseffekte beschränkt (circa 600 nm). Um diese laterale Beschränkung zu überwinden, wurden zunächst praktikable Messverfahren vorgeschlagen und durchgeführt. Einerseits wurden an einem Variable Height Kalibrier-Normal bilaterale Messungen mit dem Laserfokussensor bei unterschiedlichen Grabentiefen durchgeführt. Andererseits wurden die gleichen Stellen und die realen Grabenbreiten sowohl mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) als auch mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) gemessen und ausgewertet. Es wird durch die durchgeführten Messungen nicht nur die laterale Breitenabweichung zwischen den Laserfokussensor-Signalen und den realen Breiten bewertet, sondern auch eine apriori Modellgeometrie für den Simulator gebildet. Im Rahmen dieser Arbeit wird, der von Dr. Jörg Bischoff entwickelte Simulator, welcher auf einem Modell basiert, weiterentwickelt, um die laterale Beschränkung zu überwinden. Die Weiterentwicklung basiert u.a. auf der Implementierung der C-Methode zusätzlich zur Rigorous Coupled-Wave Analysis Methode. Die genannten Solver werden getestet. Außerdem werden die Einflüsse von Parametern wie Wellenlänge und Numerische Apertur auf die Lage der maximalen Überschwinger, die sowohl bei den Messungen als auch bei den simulierten Signalen entstehen, analysiert. Um die simulierten Signale mit den Messungen vergleichen zu können, werden die Profilgeometrie aus dem REM und AFM Messungen abgeleitet. Auf dieser Basis werden mit dem Search Engine die simulierten Signale generiert und die Breiten von REM-AFM Messungen mit dem generierten Modell verglichen. Anhand von Simulationen und deren Vergleich mit gemessenen Signalen des Laser-Fokus-Sensors wird die erreichte Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware demonstriert.
Untersuchung des Einflusses der Einspannungsgestaltung auf die Nichtlinearitäten einer Parallelanordnung von Blechfedern. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der Blechfeder, die durch die Messung der unter einer bekannten Last erzeugten Verformungswerte der Blechfeder realisiert wird. Damit die Messzuverlässigkeit erhöht wird, wurde die zur Ermittlung der Federverformung entwickelten Prüfeinrichtung untersucht und optimiert. Der Schwerpunkt davon war zur Analyse des Einflusses der Einspannungsgestaltung, die zur Fixierung der zwei parallel ausgelegten Blechfedern spezifisch konzipiert wurde. Damit kann die Messabweichung, die aufgrund der Deformation innerhalb der Einspannung verursacht wurde, bestimmt und durch Optimierung der Einspannung möglichst reduziert werden. Die zur Untersuchung verwendeten Blechfedern wurden jeweils aus zwei Federmaterialien (NiTi und CuBe2) fertigt. Durch die Messungen wurden die mechanischen Kennwerte wie Hysterese und elastische Nachwirkungen der Blechfeder ausgewertet. Anschließend wurde gleichzeitig auch ein Finite-Element-Modell entwickelt. Damit wurden die Verformungen der Blechfedern sowohl beim Idealfall als auch mit dem Einfluss der Einspannung simuliert und berechnet. Auf dieser Weise ließen sich die Ergebnisse der Federverformung vergleichen, die jeweils von der experimentellen Messung und der Simulation ermittelt wurden. Der Einfluss der Einspannung wurde anhand der Differenz der Ergebnisse festgelegt. Des Weiteren wurde die Linearität der Federverformung mithilfe der Simulation beobachtet, indem die Analyseeinstellung der Simulation je nach der Randbedingung der Verformung geändert wurde. Schließlich wurden die Optimierungskonzepts der Einspannung durch das Finite-Element-Modell simuliert und prüft, damit die Optimierungswirkung auf die Messabweichung analysiert werden kann.
Kohärente Fourier Transformations Scatterometry (CFT). - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die vorliegende Masterarbeit beschreibt die Untersuchung der Machbarkeit von Messungen periodischer und nichtperiodischer Linienstrukturen mit Subauflösungsdimensionen mittels eines neuartigen Coherent Fourier Transformation Scatterometry-Prinzips mit Shack-Hartmann Sensor gemessenen Wellenfront. Zuerst werden die Aufbauten und Justieren für diese Geräte in den Details vorgestellt. Und dann werden die Messungen für die periodischen und nichtperiodischen Strukturen durchgeführt. Schließlich werden die Ergebnisse laut der Zernike-Polynome ausgewertet. Aus unseren Messungen ist zu erkennen, dass die Informationen von dem Wellenfront die Profile der Strukturen rekonstruieren kann. Von größerem Interesse waren für uns nichtperiodische Strukturen, die mit dem klassischen Optical Critical Dimension-Verfahren nicht gemessen werden können.
Entwicklung und Aufbau eines Signalsimulators für Homodyne-Interferometer-Elektroniken. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Aufgrund der komplexen Funktionalität und der hohen Anschaffungskosten konventioneller Signalgeneratoren, wird für die Entwicklung und Inbetriebnahme von Interferometern ein Signalgenerator benötigt, mit dem sich das Verhalten von Interferometern simulieren lässt. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Interferometer-Simulator zu entwickeln, mit dem sich die Entwicklung von elektronischen Schaltungen und Software, sowie die Inbetriebnahme von homodynen Interferometerauswerteeinheiten vereinfachen lässt. Als erstes wird ein Überblick über verschiedene Interferometer und Signalgeneratoren gegeben. Um einen Prototyp zu entwickeln, wurde ein passender Mikrocontroller ausgewählt und verschiedene Konzepte für die Analogschaltung erarbeitet. Als Mikrocontroller kommt ein STM32F103RB auf einem Nucleo-Board der Firma STMicroelectronics zum Einsatz. Auf Basis dieses Mikrocontrollers und weiterer analoger Funktionsgruppen wurde eine Platine zum Testen der Schaltung entwickelt und in Betrieb genommen. Über einen Digital-Analog-Umsetzer können Interferometerbewegungen bis 2 kHz simuliert werden. Um Linearitätsuntersuchungen am Interferometer vornehmen zu können, wird ein DDS-Chip eingesetzt, mit dem sich Frequenzen bis 10 MHz erzeugen lassen. Schlussendlich wurde mithilfe eines Prototyps ein Kleinseriengerät entwickelt, mit dem sich zwei verschiedene Signale erzeugen lassen. Möglich ist ein Betrieb mit und ohne Computer, wodurch das Gerät für den Feldeinsatz geeignet ist. Zudem kann der Simulator in einen automatisierten Prüfplatz von Auswerteeinheiten integriert werden.
Konzeptionierung und Realisierung automatisierter Funktionstests sowie Messungen an mechatronischen Systemen. - Ilmenau. - 148 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Entwicklungsbegleitende Messungen und Tests finden in allen Stufen des Entstehungsprozesses mechatronischer Systeme statt und sind essenziell für die qualitätsorientierte Verwirklichung des angestrebten Zielsystems. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Standardisierung von bisher systemspezifischen Mess- und Testabläufen mit dem Ziel der Kosteneinsparung und der Senkung des Entwicklungsaufwands. Zunächst wird eine Analyse des Stands der Technik und im Unternehmen bestehender Mess- und Testszenarien durchgeführt. Darauf aufbauend werden die Anforderungen an die Struktur automatisierter Standard-Prozesse zur Einhaltung des V-Modells definiert und jeweils ein geeignetes Tool für ihre Ausführung an einem Prüfstand ausgewählt. Zudem wird die Interaktion zwischen dem ausgewählten Tool und dem Prüfstand sowie die Anbindung an ein Anforderungsmanagementprogramm vorgestellt. Diese Anbindung erhöht die Nachvollziehbarkeit der Entwicklungsprozesses und vereinfacht die Durchführung von automatisierten Tests sowie deren Dokumentation. Abschließend wird validiert, dass die vorgestellten Mess- und Testkonzepte für die Erfüllung der jeweiligen Aufgabe, die automatisierte Vermessung bzw. Test eines Prüflings, geeignet sind. Zusammenfassend verwirklicht diese Arbeit jeweils ein ausgearbeitetes, funktionales und anpassbares Konzept für wiederverwendbare, entwicklungsbegleitende Messungen sowie für vollständig in sich geschlossene (Gesamt-)Systemtests in Bezug auf das V-Modell.
Messtechnische Untersuchung eines neuartigen, interferometrischen Winkelsensors. - Ilmenau. - 40 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau wurde ein neuartiger interferenzoptischer, absolut messender Winkelsensor auf Basis von einem Kösters-Prisma entwickelt. Die Neigung und die Streifenbreite der Interferenzstreifen werden als Signal der Winkellage einer Spiegeloberfläche genutzt. Dieses Verfahren kann aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit eine hochauflösende Messung bei kleinen Winkelneigungen realisieren und es kann gleichzeitig im Vergleich zu ähnlichen absoluten Messverfahren, wie dem AKF, eine kompakte Bauform erreicht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein erster Prototyp auf seine messtechnischen Eigenschaften untersucht. Zunächst wurde das automatisierte Messprogramm mittels des in LabVIEW vorhandenen Algorithmus für die Signalauswertung erweitert. Zur Reduzierung der Messabweichung des Winkelsensors erfolgte eine Optimierung des Algorithmus. Anschließend wurden weitere experimentelle Untersuchungen zu bekannten Einflussfaktoren wie der Kamera und dem Spiegelabstand durchgeführt, die die Messgenauigkeit des Winkelsensors beeinflussen können. Abschließend wurden die Ergebnisse der Untersuchungen zusammengefasst.
Entwicklung einer mittels Micropython-Mikrocontroller selbstoptimierenden Peltier-Temperaturregelung. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Ziel dieser Masterarbeit war es, die Temperatur, die durch Peltier-Elemente erzeugt wird, selbstoptimierend zu regeln. Dies erfolgte durch die Entwicklung eines Regelalgorithmus, der in einen Micropython-Mikrocontroller implementiert wurde. Darüber hinaus lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Optimierung des Reglers, da diese eine Voraussetzung ist, um den realisierten Aufbau als Tauspiegelhygrometer oder ähnliche Geräte anzuwenden. Zur Optimierung der PID-Koeffizienten (Proportional-Integral-Derivative-Koeffizienten) werden die Sprungantwort des Systems und anschließend die Ziegler-Nichols-Methode als Schritte des PID-Optimierungsverfahrens in Anspruch genommen. Weiterhin wurde unter Verwendung der optimierten Koeffizienten am PID-Regler ein Probeversuch durchgeführt, um die Steinhart-Hart-Koeffizienten und die Kennlinie von NTC-Thermistoren (Negative-Temperature-Coefficient-Thermistoren) zu bestimmen und auszuwerten. Um die Genauigkeit des PID-Reglers selbstständig zu beweisen, wurde zunächst dreimal ein Versuch für drei Temperaturen durchgeführt, was zu einer Abweichung von weniger als 0,01˚C für diese Peltier-Temperaturregelung führte. Aus den Ergebnissen des Probeversuchs geht weiter hervor, dass die Messunsicherheit des kalibrierten NTC-Thermistors kleiner als 0,02˚C ist, was auch die Güte der Regelung beweist, mit deren Hilfe die Kalibrierwerte ermittelt wurden. Somit kann der Regler problemlos in vielen Projekten eingesetzt werden, bei denen vergleichbare Eigenschaften sowie ein optimales Führungsverhalten erforderlich sind. Schlagwörter: Peltier-Temperaturregelung; Micropython-Mikrocontroller; selbstoptimierend; Sprungantwort; Ziegler-Nichols-Methode; PID-Regler; Kalibrierung des NTC-Thermistors
Entwicklung einer kompakten Signalverarbeitungsgruppe zur Interferenzbildauswertung für einen CMOS Bildzeilensensor. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
In dieser Masterarbeit werden die Möglichkeiten der Signalauswertung von Interferenzbildern mithilfe einer gegebenen CMOS-Zeilenkamera untersucht. Das Hauptaugenmerk der Arbeit ist die nötige Programmentwicklung und Interfaceschaltung zu realisieren, um mit einem Pyboard V1.1 Mikrokontroller die Hamamatsu s9227 Zeilenkamera möglichst schnell betätigen zu können und das gemessene Videosignal über eine serielle Schnittstelle zum Rechner für weitere Analyse zu übertragen. Die Erfassung des Videosignals benötigt zeitkritische Funktionen wie zum Beispiel die Taktung, das Startsignal und die AD-Umwandlung, die im Assemblercode geschrieben werden sollen. Die Interfaceschaltung soll entwickelt werden, um diese zeitkritischen Funktionen zuverlässig durchzuführen, und die Signale möglichst rauscharm und mit hoher Auflösung zu erfassen. Das Ziel ist ein kompaktes Modul zu entwickeln, was fähig ist die einzelnen Pixelwerte mit einer Abtastrate von 1MHz zu lesen und in ein Zeilenbild von 512 Pixeln zu speichern. Messtechnische Untersuchungen der Prototypen und das Fertigprodukt sind erforderlich.