Studienabschlussarbeiten

Die Arbeit dokumentiert eine systematische Kostenreduzierung einer optomechanischen Baugruppe eines ophthalmologischen Messgerätes. Es sollen Entwürfe generiert werden, die eine Halbierung der Herstellkosten des Untersuchungsgegenstandes bei gleichzeitiger Verbesserung des Montageablaufes erreichen. Daraus ergibt sich die Frage nach möglichen Ansatzpunkten mit aussichtsreichem Optimierungspotenzial. Vereinfachen lässt sich das zu der Kernfrage nach den Kostenursachen. Unter Zuhilfenahme der Erfahrungswerte aus der Serienproduktion werden die ursprünglichen Anforderungen hinterfragt und auf Basis von Analysen der Funktion, Konstruktion und Kostenstruktur aktualisiert und erweitert. Darauf aufbauend folgt die Entwicklung einer Reihe neuer Baugruppen, deren Bewertung und Selektion auf Grundlage von Angeboten erfolgt. Am Ende der Untersuchungen stehen zwei Entwürfe als CAD-Modell, die beide das Kostenziel unterbieten können. Auch die Optimierung eines elementaren Justierschrittes wird vorgestellt. Die endgültige Entscheidung zwischen beiden Varianten ist nur auf Grundlage von Versuchsmustern möglich. Aufbau, Analyse und Auswertung der Testgruppen ist nicht mehr Teil dieser Dokumentation. Die Systematik der Arbeit ist für ähnliche Problemstellungen adaptierbar. Zusätzlich kann eine Reihe der Vorschläge für den geplanten Nachfolger des ophthalmologischen Messgerätes, übernommen werden.

Die Diplomarbeit befasst sich mit dem Entwurf einer Positioniereinrichtung für die zur Durchführung der Optischen Tomografie (OT) erforderlichen Komponenten. Diese sollen entlang eines Kleintiers unterschiedlich zueinander positioniert werden und um dieses zu untersuchende Objekt gemeinsam rotieren. Der Aufbau soll darüber hinaus die Kombination der OT mit den anderen Modalitäten der Tomografie erlauben. Da diese Verfahren auf elektromagnetischer und Röntgenstrahlung basieren, müssen strenge Kompatibilitätsbedingungen hinsichtlich des Materials und der elektromagnetischen Emission beachtet werden. Außerdem darf ein definierter Bauraum nicht überschritten werden. Um diese Kompatibilitätsbedingungen zu ermitteln, werden die Verfahren der unterschiedlichen Modalitäten in der Arbeit einzeln untersucht und Einschränkungen für die Konstruktion abgeleitet. Diese reduzieren den Lösungsraum speziell für die Funktionselemente Aktor und optionaler Sensor (nur bei Regelung erforderlich). Deshalb wurden drei Funktionsstrukturen entwickelt, bei denen der Sensor immer am Abtrieb im Tomografen (aufgrund hoher Genauigkeit) und der Aktor an den drei Positionen: Tomografie-Gerät, Untersuchungsraum und abgeschirmter Nebenraum angeordnet ist. Die Arbeit dokumentiert eine Evaluation für jede dieser Strukturen hinsichtlich der Anforderungen an die Funktionselemente Aktor, Sensor, Getriebe und Führung. Darauf basierend wurde der Lösungsraum für diese determiniert und vier technische Prinzipe entworfen. Als Resultat einer Bewertung der ausgearbeiteten Prinzipe ist die Entscheidung für eine Variante mit einem Piezoantrieb im Untersuchungsraum gefallen. Für diese sind zwei Konstruktionen mit unterschiedlichen Führungen in der Arbeit dokumentiert. Aspekte hinsichtlich Fertigung und Montage führten zur Auswahl einer der Varianten, für die ein Zeichnungssatz als Teil dieser Arbeit angefertigt wurde.

In der hochpräzisen Mess- und Positioniertechnik wird es mehr und mehr gewünscht, Relativbewegungen zwischen einem Objekt und einem Wirkelement über große Wege in mehreren Achsen zu erzeugen und die Führungsabweichungen dabei klein zu halten. Bisherige planare Positioniersysteme verwenden elektromagnetische lineare Direktantriebe für die Bewegung eines luftgeführten Läufers und ermöglichen Bewegungsbereiche von bis zu 250 mm x 250 mm bei einem Bahnfehler kleiner einem Mikrometer. Aufgrund verschiedener Ursachen sind diese Systeme nicht auf Verfahrbereiche von 600 mm x 600 mm bis 1000 mm x 1000 mm skalierbar, welche gefordert werden. Im Rahmen von Voruntersuchungen wurden verschiedene kinematische Strukturen für ein X-Y-Positioniersystem als vielversprechend identifiziert. Eine dieser Strukturen ist ein System mit geschlossenen kinematischen Ketten und drei gestellfesten translatorischen Antrieben. In der vorliegenden Arbeit wurde die Struktur hinsichtlich Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sowie resultierenden Kräften analysiert. Mit Hilfe dieser Ergebnisse wurden geeignete Antriebs-, Führungs- und Messsysteme sowie deren Anordnung ausgewählt. Es wurde das planare Positioniersystem bezüglich minimalen Bauraums, geringer Abweichungen und Verlustleistungen optimiert.

Die vorliegende Arbeit stellt den Konstruktionsprozess eines "Rapstrennmessers" dar. Es soll als Bestandteil eines sogenannten "Rapstisches" den Raps bei der Ernte in der Vertikalen trennen. Bereits existierende Lösungen sollen als Vorbild genommen werden und anhand derer Optimierungen im Bereich des Antriebes und der Fertigungskosten vorgenommen werden. Inhalt dieser Dokumentation sind die Grundlagen, Anforderungen, Analyse vorhandener Lösungen, die Lösungsfindung mit möglichen Optimierungen, Begründung der Umsetzung, die konstruktive Umsetzung selbst und die statische Berechnung als Basis für die Erprobungsphase mit anschließender Marktreife.

Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung eines Prüfstandes für Hydraulikzylinder, welche in Walzenpressen verwendet werden um dort die erforderliche Druckkraft zum Kompaktieren zu erzeugen. In dem Prüfstand sollen instandgesetzte Hydraulikzylinder mit Kolbendurchmessern zwischen 200 und 450 mm mit bis zu 300 bar auf Leckage untersucht werden. Dadurch wird verhindert, dass fehlerhafte Zylinder in die Walzenpressen eingebaut und nach kurzer Laufzeit erneut instandgesetzt werden müssen. Zu Begin der Konzeption wurden die Geometrie und alle von den Prüflingen ausgehenden Kräfte ermittelt und analysiert. Anschließend konnten die Anforderungen an den Hydraulikprüfstand erarbeitet werden. Auf Basis der gewonnenen Daten erfolgte eine Produktrecherche, welche ohne nennenswerte Ergebnisse blieb. Eine Funktionsstruktur wurde entwickelt, in der alle grundlegenden Komponenten eines Prüfstandes zur Leckageanalyse enthalten sind. Aufbauend auf Untersuchungen zu den Betriebsbedingungen der Hydraulikzylinder wurden ein Ablaufplan, das Messverfahren sowie Prüfalgorithmen für den statischen und dynamischen Dichtheitstest erarbeitet. Für die Umsetzung des automatisierten Testablaufs wurde die Kleinststeuerung LOGO! von Siemens näher Untersucht und ihre Eignung nachgewiesen. Ein Konzept für das Beistellaggregat wurde entwickelt, Angebote eingeholt und eine Vorzugslösung selektiert. Im Rahmen der konzeptionellen Phase wurden verschiedene Technische Prinzipe entwickelt, bewertet und die grundlegende Gestalt des Prüfstandgestells abgeleitet. Eine anschließende Dimensionierung und Optimierung des Prüfstandgestells erbrachte alle funktionswichtigen Abmessungen. Mit Hilfe der gewonnenen Daten wurde ein CAD-Modell des Prüfstandes mit allen erforderlichen Zusatzkomponenten wie bspw. Distanzplatten erarbeitet und ein vollständiger Zeichnungssatz erstellt. Parallel zur konstruktiven Umsetzung des Prüfstandes wurde die Maschinenrichtline 2006/42/EG analysiert und mit der Software "CE-Ready" umgesetzt. Das Ergebnis ist eine Einbauerklärung für den Prüfstand mit allen erforderlichen Technischen Unterlagen wie bspw. Betriebsanleitung und Gefährdungs-/Risikoanalyse. Um die Benutzerfreundlichkeit der Software zu erhöhen wurden Verbesserungsvorschläge erarbeitet.