Studienabschlussarbeiten

Die Entwicklung eines Positioniersystems fordert eine stetige Erhöhung der Positioniergenauigkeit, die von der auf diesem System eingesetzten Maßverkörperung abhängt. Ziel dieser Arbeit war die Konzeption eines Messstandes, der die Vermessung von Maßverkörperungen mit den Abmessungen von 250 mm×250 mm mit einer Restunsicherheit < 0,1 [my]m erlaubt. Zur Untersuchung der Messbarkeit der Fertigungsfehler auf der Maßverkörperung wurden die Fertigungsverfahren und die dabei auftretenden Fehler zunächst untersucht und dabei ihre Einflüsse auf die Messsignale berücksichtigt. Das Messprinzip des zu konzipierenden Messstandes basiert auf dem Prinzip des Längenkomparators. Nach dem Vergleich der Längenmessverfahren anhand des Messbereiches und der Messauflösung wurden die inkremental- und interferenzoptischen Messverfahren für diesen Messtand gewählt. Danach erfolgte die Analyse der verschiedenen Konzepte für diesen Messstand. Nach dem Vergleich wurde ein optimales Lösungskonzept ausgewählt. Weiterhin wurden die auftretenden Fehler des mechanischen und optischen Grundaufbaus und die systematischen Fehler der gewählten Messsysteme untersucht. Die Umweltbedingungen können die Messgenauigkeit des Messsystems besonders bei der Laserinterferometermessung stark beeinflussen. Abschließend wurde die Summe der Restunsicherheiten dieses Messstandes bestimmt.

Ein neues 3D Messkonzept der Nanomessmaschine NMM 1&hardcy; der Technischen Universität Ilmenau nutzt einen tetraedrischen Spiegelträger aus Zerodur® als Positioniertisch. Dabei reflektieren die mit Aluminium beschichteten Spiegelflächen die von raumfesten Messinterferometern gesendeten Laserstrahlen zur interferrometrischen Positionsbestimmung von Tisch mitsamt Objekt in Nanometerdimensionen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Analyse, Simulation und Optimierung des Spiegelträgers. Dazu wurde die kommerzielle Finite-Elemente-Methode-Software ANSYS verwendet, um die statischen und dynamischen Eigenschaften des bestehenden Spiegeldesigns mit seiner 3-Punkt-Auflage mit Kugel-V-Nut-Paarungen unter dem Einfluss der Randbedingungen Gravitation und Beschleunigung durch Aktuatoren zu ermitteln. Als Optimierungswerkzeug wurde ein Topologieoptimierungsalgorithmus von Lopes (2005) in der Programmiersprache "ANSYS Parametric Design Language&hardcy; (APDL) genutzt. Dieser Algorithmus ist in der Lage, Optimierungsprobleme mit inerten Kräften zu lösen, indem er die Optimierungsmethode Optimality Criteria (OC), das Materialmodel Simple Isotropic Material with Penalization&hardcy; (SIMP) und die Kontinuitätsmethode zur Vermeidung lokaler Minima anwendet. Desweiteren wurde der Algorithmus an das bestehende Problem angepasst und durch Fertigungrichtlinien erweitert, welche Hinterschneidungen in der Materialverteilung verbieten. Der Sinn dieser Fertigungsrichtlinien besteht darin, die Nachbearbeitung der berechneten Materialverteilung im Hinblick der Erstellung eines fertigbaren Entwurfes zu vereinfachen, da die Möglichkeiten zur Bearbeitung von Zerodur® auf typische Prozesse der Glasbearbeitung sind. Dazu gehören z.B. das Herausbohren der Grobstruktur und die anschließende Bearbeitung mit CNC-Schleifmethoden. Die durch die Optimierung erhaltenen Designvorschläge mit und ohne Hinterschneidungen wurden zur Erstellung von CAD-Modellen in SolidWorks genutzt. Anschließend wurden die verschiedenen Spiegelträgervarianten erneut in ANSYS auf ihre Mindesteigenschaften hin analysiert. Dazu zählen die erreichte Massenreduzierung, die Eigenfrequenz, von-Mises-Spannungen und die Verformung der Spiegelfläche senkrecht zur Oberfläche. Abschließend wurden die Spiegelkonzepte einer Bewertung mit festgelegten Kriterien und Wichtungen unterzogen, um das beste Konzept zu ermitteln.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines universellen Entwicklungsalgorithmus zur Struktursynthese von Positioniereinrichtungen, welche ersatzweise in dieser Arbeit als Getriebe angesehen werden. Ausgehend vom Satz von GRÜBLER, können für serielle und parallele Getriebe Berechnungen zu deren Freiheitsgrad erfolgen. Mit diesem Werkzeug können systematisch verschiedene Getriebekonfigurationen erzeugt werden. Für die geforderte ebene Positionieraufgabe, ergibt sich eine Variantenvielfalt, die von Hand nicht analysiert werden kann. Dafür wurde ein Sortierungsverfahren vorgestellt, das geeignete Lösungen ausfiltert. Dabei werden verschiedene strukturelle Eigenschaften von Getrieben auf- oder abgewertet, so dass sich manuell verwertbare Lösungsmengen erzeugen lassen. Eine Endauswahl von vier Varianten wird analysiert und einer Grobkonstruktion unterworfen, so dass sich Antriebsparameter, benötigte Aufstellflächen und die Gestalt einzelner Bauelement abschätzen lassen.

Durch gestiegene Qualitätsanforderungen, verkürzte Taktzeiten und diverse Zertifizierungen (wie z. B. die ISO 9001:2000) müssen moderne Messgeräte hochgenau, schnell und reproduzierbar arbeiten. Dabei geht der Trend zu berührungslosen Messverfahren, die aufgrund des fehlenden mechanischen Kontakts zwischen Messobjekt und Messgerät das Messobjekt nicht beeinflussen und eine schnelle Messwertaufnahme ermöglichen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung eines taktilen Messgerätes für rotationssymmetrische Teile um ein berührungsloses Messverfahren. Eine Marktanalyse sowie eine Literatur- und Patentrecherche bilden die Grundlage für den konstruktiven Entwicklungsprozess. Mit Hilfe einer Konstruktionskritik wird die Eignung des taktilen Grundaufbaus für ein berührungsloses Messverfahren überprüft. Im Folgenden werden verschiedene Messverfahren systematisch auf ihre Eignung für die Messaufgabe untersucht, für das gewählte Messverfahren verschiedene Anordnungen bewertet und eine Fehlerbetrachung durchgeführt. Ausgehend vom gewählten Messverfahren wird das technische Prinzip aufgestellt, wobei die vorangegangene Konstruktionskritik einfließt. Abschließend wird die Umsetzung des technischen Prinzips in die konkrete Gestalt des Messgerätes beschrieben, eine Fehlerbetrachtung durchgeführt und ein kompletter Zeichnungssatz erstellt.

Teilkreise dienen als Winkelmaßverkörperung in Winkelmessgeräten. Die Genauigkeit der Winkelmesseinrichtung wird maßgeblich von der Zentrierung des Teilkreises bestimmt. Es soll ein optimales Korrekturprinzip für die auftretenden Winkelmessfehler konstruktiv in einen experimentellen Versuchsstand für die automatisierte Zentrierung von Teilkreisen für fotoelektrische, inkrementale Drehgeber umgesetzt werden, dass in den vorhandenen MRB-Justageautomat integriert werden kann. Zielforderung ist eine geometrische Restexzentrizität <2,5æm. - Ausgehend von der Beschreibung der Hauptursachen von Winkelmessfehlern bei Drehgebern - geometrische Exzentrizität und Teilungsfehler - werden verschiedene Verfahren dargestellt, die die auftretenden Winkelmessfehler durch Zentrier- bzw. Kompensationsmechanismen berücksichtigen. Als Ergebnis kann die Zentrierung mit zwei diametral angeordneten, fotoelektrischen Ablesesystemen, welche durch Zentrierung des Teilkreises über die geometrische Exzentrizität hinaus einen Anteil des langperiodischen Fehleranteils des Teilungsfehlers berücksichtigt, als optimales Korrekturverfahren benannt werden. - Für das gewählte Verfahren werden Algorithmen zur Auswertung der Messsignale der fotoelektrischen Ablesesysteme zur Bestimmung der Zentrierkenngrößen, d.h. die Bestimmung des Exzentrizitätsvektors entwickelt und mit Hilfe einer Simulation in Labview überprüft. Ferner wird gezeigt, wie aus den Messsignalen der Ablesesystemen die diametrale Anordnung der Ablesesysteme überprüft bzw. justiert werden kann. Mit diesen Voraussetzungen und weiteren relevanten konstruktiven Randbedingungen wurde das Verfahren in eine Funktionsstruktur überführt und konstruktiv umgesetzt. Die Durchführung des automatisierten Zentrierverfahrens mit dem MRB-Justageautomat ist als Ablaufplan beschrieben. Die zu erwartende Genauigkeit des Versuchsstandes kann mit Hilfe der konstruktiven Parameter und Ergebnissen der Simulation geschätzt werden und sie erfüllt die Zielforderung an die geometrische Restexzentrizität.