Anwendung von Optimierungsverfahren für die Dimensionierung von Festkörpergelenken. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Die Nutzung nachgiebiger Mechanismen bietet im Vergleich zu herkömmlichen Mechanismen mit kraft- oder formgepaarten Gelenken Vorteile. Dazu zählen u. a. die hohe Präzision durch Spielfreiheit der Gelenke sowie die hohe Reproduzierbarkeit der Bewegung. Daher werden nachgiebige Mechanismen v. a. im Bereich der Präzisionstechnik eingesetzt. Ein bedeutender Nachteil nachgiebiger Mechanismen ist die aufwendige Mechanismussynthese, wozu Forschungsbedarf besteht. Hierzu zählt besonders die Dimensionierung der Festkörpergelenke aufgrund einer Vielzahl von konstruktiven Parametern (z. B. Gelenkabmessungen, Werkstoff, uvm.). Mathematische Optimierungsverfahren stellen eine Möglichkeit dar, diesen Vorgang zu vereinfachen. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden verschiedene Optimierungsverfahren für ihre Eignung zur Anwendung bei der Dimensionierung von Festkörpergelenken mit spannungsgünstigen Viertelkreiskonturen untersucht. Für die Untersuchungen wird ein lineares FEM-Balkenmodell auf Basis der Timoshenko-Balkentheorie verwendet. Es werden verschiedene Konstruktionsziele sowie Möglichkeiten zur Formulierung zugehöriger Zielfunktionen und notwendiger Restriktionen untersucht. Für ausgewählte Konstruktionsziele werden verschiedene Optimierungsverfahren mit der Programmiersprache Python implementiert und auf drei Fallbeispiele mit jeweils einem Optimierungskriterium angewandt. Auf Basis der durchgeführten Optimierungen werden die sieben Verfahren in Bezug auf Ergebnisgenauigkeit und Geschwindigkeit beurteilt. Zudem werden Schlussfolgerungen für die Anwendbarkeit der Verfahren bei der Synthese gezogen. Es stellt sich heraus, dass die Anwendung von Verfahren größer 0. Ordnung für die untersuchten Fälle nicht zweckmäßig ist. Im Gegensatz dazu lassen sich das differentielle Evolutionsverfahren, das Nelder-Mead-Simplex-Verfahren und die COBYLA-Methode anhand der durchgeführten Optimierungen als vielversprechend bezeichnen. Mit Hilfe der Ergebnisse dieser Arbeit kann somit aus der Gruppe der untersuchten Verfahren eine Vorauswahl für die Dimensionierung von Festkörpergelenken getroffen werden. Des Weiteren ergeben sich Ansatzpunkte für weiterführende Untersuchungen, wie z. B. die multi-kriterielle Dimensionierung von Festkörpergelenken und die Untersuchung der Startpunktabhängigkeit der Optimierungsverfahren.
Anwendung eines Universallängenmessers für Präzisionsmessungen an Maschinenteilen. - Ilmenau. - 161 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
In dieser wissenschaftlichen Ausarbeitung zum Thema "Anwendung eines Universallängenemessers für Präzisionsmessungen an Maschinenteilen" wird ein im Fachgebiet Konstruktionstechnik vorhandener Universallängenmesser der Firma Zeiss wieder betriebsbereit gemacht, um mit dem vorhandenen Zubehör Praktika für die Lehre zu entwerfen. Zu diesem Zweck wird eine Aufgabenpräzisierung durchgeführt. Hierzu finden ein Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technik sowie die nähere Beschreibung von Umfang und Zweck der Praktika statt. Die dem Universallängenmesser zugrunde liegenden Messprinzipien, Funktionen und Möglichkeiten werden näher erläutert. Basierend auf den Erkenntnissen werden Messprozeduren und Vorgehensweisen für die Praktika entworfen. Als Ergebnis werden verschiedene Praktika dargestellt.
Konstruktion eines hochauflösenden Antriebes auf Basis von nachgiebigen Mechanismen als Alternative zu piezoelektrischen Antrieben. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Für Anwendungen in der Optik, Messtechnik, Halbleiterherstellung sowie Forschung und Entwicklung werden Positioniersysteme auf Basis piezoelektrischer Schreitantriebe eingesetzt. Diese Antriebe erreichen Schrittweiten im Subnanometerbereich, hohe Geschwindigkeiten, sind sehr gut miniaturisierbar und lassen sich in Reinraumumgebungen einsetzen. Sie erfordern jedoch eine aufwändige Ansteuerung und sind mit hohen Investitionskosten verbunden. In Analogie zu piezoelektrischen Schreitantrieben könnten für Anwendungen mit geringeren Anforderungen an Bauraum und Geschwindigkeit Schreitantriebe auf Basis nachgiebiger Mechanismen und preiswerter Aktoren verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Stand der Technik für hochauflösende Piezomotoren ermittelt, um vergleichbare Anforderungen für einen neu zu entwickelnden Antrieb abzuleiten. Verschiedene elektromechanische Aktorprinzipe werden bezüglich ihrer Eignung für einen hochauflösenden Schreitantrieb verglichen. Für die Übersetzung der Aktorstellwege 15 Mechanismen als Starrkörpermodelle entworfen und bezüglich ihrer Eignung für den Schreitantrieb bewertet. Ein ausgewählter Mechanismus wird in einen nachgiebigen Mechanismus überführt und durch Finite-Elemente-Analyse hinsichtlich auftretender Dehnungen, Verformungsverhalten und Kraftreaktionen untersucht. Diese Simulationen werden ausgewertet und die Eignung des Antriebskonzeptes für Schrittweiten von wenigen Nanometern bestätigt. Es wird ein technischer Entwurf einschließlich der Aktorik durch Tauchspule vorgestellt.
Konzeptuntersuchung zur Konstruktion und Integration eines Palettenwechselsystems für eine Gantry-Fräsmaschine. - Ilmenau. - 165 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Ziel dieser Masterarbeit ist die Konstruktion eines Palettenwechselsystems und die Integration dieser Automatisierungslösung in eine Gantry-Fräsmaschine. Das Palettenwechselsystem ermöglicht ein hauptzeitparalleles Rüsten und steigert somit die Arbeitsproduktivität der Werkzeugmaschine. Eine Betrachtung des aktuellen Stands der Technik dient als Hinführung zum Thema und eröffnet gleichzeitigt einen Einblick in den Aufbau und die Funktionsweise von Fräsmaschinen und Palettenwechselsystemen. Anschließend werden in einer Aufbereitungsphase die Anforderungen an die Konstruktion formuliert und die funktionellen Zusammenhänge des zu entwickelnden Produktes beschrieben. Nach einer Klassifikation der Funktionselemente folgt auf Grundlage einer Analyse des Stoffflusses mit Handhabungsfunktionen die Layoutplanung. Ziel dieser ersten Konzeptphase ist neben der Festlegung der Palettenhandhabung auch die Untersuchung der Flexibilität, der Speicherdichte und des Integrationsaufwandes des Layouts. Ausgehend von einem gewählten Layout folgt in einer weiteren Konzeptphase die Konkretisierung und Integration der Hauptbaugruppen in das bestehende Maschinenkonzept. Im Vordergrund stehen hierbei der Entwurf und die Dimensionierung des Wechselantriebes. Die Ergebnisse der Konzeptphasen werden in einem Technischen Entwurf zusammengeführt. Mit einer Abschätzung der Kosten für die Realisierung des Entwurfs sowie einer Zusammenfassung der Vor- und Nachteile wird die Konzeptuntersuchung abgeschlossen.
Entwicklung eines modularen Antriebskonzepts für mobile Roboter. - Ilmenau. - 113 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Mit der Neuentwicklung des mobilen Roboters entsteht die dritte Generation eines fahrerlosen Transportfahrzeuges der HENKEL + ROTH GmbH. Dieses übernimmt autonom Logistik- und Handlingaufgaben in einem industriellen Umfeld. Dazu stehen ein Industrieroboter und eine Fahrplattform zur Verfügung. Das differentielle Antriebskonzept der Vorgängergenerationen wird mit dieser Arbeit auf eine omnidirektionale Variante in einem modularen Baukasten erweitert. Durch eine Betrachtung möglicher Einsatzszenarien werden die Anforderungen an ein neues Antriebsprinzip entwickelt und ausgewählte Sicherheitsaspekte beschrieben. Ausgehend von einer Marktrecherche werden omnidirektionale Fahrwerkskinematiken entworfen und Möglichkeiten zur Modularisierung vorgestellt. Auf der Grundlage eines geeigneten Fahrwerks werden technische Prinzipe eines flächenbeweglichen Antriebskonzeptes erarbeitet und ein geeignetes Prinzip ausgewählt. Es wird eine Konzeptkonstruktion durchgeführt. In verschiedenen praktischen Untersuchungen werden die Eigenschaften des neuen mobilen Roboters hinsichtlich der Fahreigenschaften und Standfähigkeit bewertet. Es wird die Wahl einer Antriebslösung auf Basis der Marktrecherche und Konzeptentwicklung getroffen. Eine Zusammenfassung der gewonnen Ergebnisse und ein Ausblick vervollständigen diese Arbeit.
Entwicklung eines Greifer-/Niederhaltersystems für den Einsatz in der Fertigung von Motorhauben. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema Verbinden von Fahrzeugblechteilen mittels roboterunterstütztem Rollfalzen unter Hilfe von Greifern/Niederhaltern. Speziell wird hier ein gewichtsoptimiertes Greifer-/Niederhaltersystem entwickelt, welches das Fügen zweier Blechteile von Motorhauben bei Modellen der DAIMLER AG sicherstellt. Während dem Fügeprozess müssen mittels einem Niederhalter die zwei Blechteile zueinander in Position gehalten werden. Des Weiteren soll ein zukünftiges Konzept zusätzlich das Greifen der einzelnen Blechteile sowie der gesamten Baugruppe Motorhaube übernehmen. Betreut wird diese Arbeit durch das Fachgebiet Konstruktionstechnik der TU Ilmenau. Eine Patent- & Literaturrecherche verschafft nach der Einführung in den technischen Hintergrund einen Überblick über derzeit existierende Lösungen und Verfahren. In einem analytischen Teil wird die aktuelle Ausführung des Greifer-/Niederhaltersystems erläutert und weitere, für eine neue Gestaltung erforderliche, Analysen durchgeführt. Daraus werden dann Anforderungen formuliert, welche sich abgekoppelt von der bisherigen Ausführung auf jede neue Gestaltung eines Greifer-/Niederhaltersystems übertragen lassen. Die Gesamtfunktion der Nutzungsphase sowie die Funktionsstruktur lassen das System von der Umgebung abgrenzen und Teilfunktionen bestimmen, welche jedes neue System erfüllen muss. Aus einer Vielzahl an möglichen Lösungen dieser Teilfunktionen werden mithilfe einer Kombinationstabelle drei zielführende Konzepte bestimmt und miteinander verglichen. Mit dem Ziel, eine möglichst leichte Ausführung zu erhalten liefert der Vergleich ein favorisiertes Konzept, welches im Anschluss weiter konkretisiert wird. Innerhalb der Konkretisierung des favorisierten Konzepts werden Herstellungsverfahren und Materialien ausgewählt, welche ein hohes Leichtbaupotential aufweisen. Zusätzliche Möglichkeiten einer Gewichtsreduzierung werden durch eine Topologieoptimierung aufgezeigt. Im Anschluss werden ausgewählte Lösungen konstruktiv umgesetzt. Den Abschluss dieser Arbeit bildet ein Ausblick, welcher das Potential des favorisierten Konzepts liefert und die mögliche Gewichtsreduzierung im Vergleich zur aktuellen Ausführung aufzeigt.
Aufbau einer modularen Simulation für Heckspoilersysteme. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Aufbau einer modularen Simulation für Heckspoilersysteme in MATLAB/Simulink. Die Simulation dient der frühzeitigen Analyse relevanter Produkteigenschaften anhand von konstruktiven Parametern und trägt zur Einsparung von physischen Prototypen bei. Die bestehenden Methoden zur Entwicklung von Heckspoilermodulen werden dargelegt und Anforderungen an ein ergänzendes Simulationswerkzeug formuliert. Es wird eine Analyse des Leistungsflusses im Heckspoilermodul der Baureihe 911 Carrera (Typ 991-II) und seiner funktionalen Teilsysteme vorgenommen. Ausgehend von der Funktionsstruktur des Moduls wird das Modell in die Untersysteme Steuergerät, Elektromotor, Übertragungsgetriebe, Kinematik und aerodynamische Lasten gegliedert und ausdetailliert. Die Simulation erlaubt hiermit eine ganzheitliche Betrachtung des mechatronischen Systems und der komplexen Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Domänen. Der Vergleich der Berechnung mit Versuchsergebnissen zeigt, dass bei Raumtemperatur eine zuverlässige Vorhersage von Strombedarf und Ausfahrzeit durch das Modell gegeben ist. Abschließend wird am Modell eine globale Sensitivitätsanalyse durchgeführt und die zentralen Einflussfaktoren auf das Verhalten des Heckspoilers identifiziert.
Analyse des Einflusses von Verpackungskomponenten auf die Auslegung von Verpackungsmaschinen am Beispiel einer PET-Füllmaschine. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Die Bachelorarbeit ermittelt den Einfluss von Merkmalen der Verpackungskomponen-ten auf die Auslegung einer Füllmaschine für karbonisiertes Packgut anhand einer technischen Analyse. Die Arbeit ist in der Abteilung Line Solutions Customer Objects Classification der Krones AG, Neutraubling entstanden, deren Aufgabe die systematische Erfassung der Merkmale von Verpackungskomponenten für weitere Produktionsprozesse ist. Es werden die Merkmale von Verpackungskomponenten, speziell von PET-Packmitteln, verarbeitungstechnischen Funktionen einer Krones Füllmaschine zuge-ordnet. Die Füllmaschine besteht aus der Packmittelzuführung, dem Füllerkarussell und der Packmittelabführung. Die Methodik der Analyse technischer Systeme wird mit den Grundlagen der Verpackungs- und Verarbeitungstechnik verknüpft. Ziel war es, eine für die Verarbeitung relevante Übersicht der Kundenobjektsmerkmale einer PET-Flasche zu geben. Im Ergebnis wird festgestellt, dass die für eine Füllmaschine verarbeitungsrelevanten Merkmale hauptsächlich durch die Gestalt der kundenindividuellen Flasche gegeben sind und die Gestalt der Flasche maßgeblichen Einfluss auf die Realisierung der Handhabungsvorgänge in der Maschine hat. Für die Handhabung der PET-Flasche ist die Gestalt des Mundstücks ausschlaggebend. Die stoffverändernde Funktion "Füllen der Flasche" wird im Wesentlichen durch die Merkmale des Füllgutes determiniert. Die Kenntnis der verarbeitungstechnischen Relevanz von Merkmalen wird auf die Ab-teilungsarbeit zurückgeführt sowie mögliche Handlungsfelder im Umgang mit der Erfassung und Bereitstellung der Merkmale für interne Abteilungen vorgeschlagen.
Entwicklung einer Vorschubeinheit für die Tiefenhirnstimulation zum Einbringen von Nadelelektroden. - Ilmenau. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Für die Tiefenhirnstimulation wird in einem neuartigen Verfahren eine patientenspezifische Halterung und Vorschubeinheit direkt mit dem Schädel verbunden. Ziel dieses Verfahrens ist eine verringerte Patientenbelastung während des neurochirurgischen Eingriffs. Die Vorschubeinheit ermöglicht das zehntelmillimetergenaue Absenken von Nadelelektroden bis in das Zielgebiet im Hirn. Da herkömmliche Vorschubeinheiten aufgrund ihrer Masse und der umständlichen Bedienung den Ansprüchen nicht gerecht werden, wird in der vorliegenden Arbeit ein alternatives Konzept vorgestellt und präzisiert. Hierzu wird eine modulare und leicht handhabbare Vorschubeinheit entwickelt. Diese besitzt eine Masse von 185 g, was einer Ersparnis von ca. 25 %, verglichen zu konventionellen Systemen, entspricht. Ein zusätzlicher Sensor erfasst den Nadelvorschub und gibt Aufschluss über die aktuelle Nadelposition auf einer virtuellen Ebene im Gehirn. Über einen manuellen Antrieb ist ein Vorschub in Zehntelmillimeter-Schritten möglich. Es werden verschiedene Komponenten und Materialien für den klinischen Einsatz der Vorschubeinheit in dieser Arbeit diskutiert und miteinander verglichen. Ein erstes Funktionsmuster wird mittels additiver Fertigungsmethoden umgesetzt. Hierzu wird ein sterilisierbarer Polycarbonat-Kunststoff für die Fertigungsteile verwendet. In einem Langzeitverschleißtest und statischem Versuch wird das Funktionsmuster validiert. Die Ergebnisse zeigten eine maximale Abweichung der axialen Nadelposition von 0,1 mm bei 2000 Bewegungszyklen und einem Stellbereich von 35 mm. Bei einer Krafteinwirkung von 50 N auf die Nadelelektrode, senkte sich diese um maximal 0,23 mm ab.
Pufferspeicher für Start-Stopp-Funktion von ECF-Kühlmittelpumpen. - Ilmenau. - 125 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Mit steigendem Umweltbewusstsein wird auch die Entwicklung von Verbrennungsmotoren bezüglich ihrer Abgasemissionen stetig vorangetrieben. Ein Ziel dieses Prozesses ist die Senkung des Kohlenstoffdioxidausstoßes. Ein mit Verbrennungsmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug stößt während seiner Warmlaufphase höhere Mengen dieses Abgases aus, als es nach Erreichen der Betriebstemperatur der Fall ist. Folglich stellt eine Verkürzung dieser Warmlaufphase einen positiven Beitrag zur gesamten Kohlenstoffdioxidemission dar. Die ECF-Kühlmittelpumpen der NIDEC GPM GmbH sind durch ein gezieltes Unterbrechen des Kühlmittelflusses in der Lage, die Zeit bis zum Erreichen der Betriebstemperatur zu verkürzen. Zusätzlich verfügen sie über eine sogenannte Start-Stopp-Funktion, welche bei Fahrzeugen mit Start-Stopp-Automatik verhindert, dass das Auftreten einer Schwallleckage von kalter Kühlflüssigkeit am Ende eines Start-Stopp-Vorgangs den noch nicht betriebswarmen Motor ungewollt abkühlt. Allerdings stellen die mit ECF-Pumpen belieferten Automobilhersteller für zukünftige Anwendungen immer höhere Anforderungen bezüglich der Start-Stopp-Funktion. Um diesen gerecht zu werden, wird im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit eine Möglichkeit zur Optimierung dieser Funktion untersucht. Hierbei wird als erstes genauer auf die Motivation eingegangen und das Ziel der Arbeit sowie die Vorgehensweise erläutert. Im Anschluss wird der Stand der Technik bezüglich Kühlsystem, Start-Stopp-Automatik und ECF-Kühlmittelpumpen dargelegt, um ein grundsätzliches Verständnis der Ausgangssituation zu vermitteln. Nach der Festlegung eines Gesamtkonzepts anhand der nötigen Teilfunktionen werden die notwendigen Berechnungen durchgeführt. Sie bilden die Grundlage für Konstruktion und Herstellung einer neuen Baugruppe. Diese dient als Versuchsträger, um zu prüfen, welche Möglichkeiten der Start-Stopp-Optimierung vorhanden sind. Der Auslegung liegen unterschiedliche Annahmen bezüglich schwer vorhersehbarer Einflussfaktoren zugrunde, weshalb auch eine Variantenstudie Teil dieser Arbeit ist. Die durchgeführten Versuche werden ausgewertet und mit den getroffenen Annahmen verglichen, sowie ein Ausblick auf noch durchzuführende Arbeiten aufgezeigt. Eine Interpretation der Versuchsergebnisse stellt das Ergebnis dieser Arbeit dar. Der besagte Versuchsträger soll als Grundlage eines Erkenntnisgewinns dienen, der der Auslegung einer späteren Serienausführung zugrunde liegt. Weiterhin werden grob erste Möglichkeiten dargestellt, eine solche Serienlösung innerhalb einer ECF-Kühlmittelpumpe unterzubringen.