Konstruktion, Aufbau und Untersuchung eines vertikalen Seismometers für die Wägetechnik. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Heutzutage wird mittels universeller Wägetechnik die Genauigkeit in Prozessen erhöht. Dadurch können Kosteneinsparungen in Unternehmen erzielt werden. In diesem Sinne steigt die Anforderung an die Wägetechnik. Deshalb müssen Geräte mit hoher Genauigkeit, hoher Robustheit, kurzen Messzeiten und Unempfindlichkeit gegenüber Störgrößen, wie zum Beispiel Bodenschwingungen entwickelt werden. Die Bodenschwingungen erzeugen statische und dynamische Abweichungen, welche wiederum zu Messfehlern in Waagen führen [9]. Diese Masterarbeit beschreibt die Entwicklung und Konstruktion eines vertikalen Seismometers, welche Bodenschwingungen bis zu 20 Hz in vertikaler- und Schwerkraftrichtung misst. Das Seismometer verfügt über zwei Betriebsmodi: den passiven und aktiven Betrieb. Der passive Betrieb ist typisch für Seismometer. Die Realisierung dieses Betriebszustandes erfolgt mit optischer Positionsmessung. Der aktive Betrieb wird mittels elektromagnetischer Kraftkompensation umgesetzt und verfügt über ein digitales Regelungssystem, der FPGA:- Technologie. Abschließend wird untersucht, ob das Seismometer als Kompensationssystem für Fehlereinflüsse in Präzisionswaagen einsetzbar ist.
Regelungskonzepte für EMK-Waagen mit dem Ziel der Unterdrückung mechanischer Resonanzen. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In dieser Arbeit wird die Struktur und Untersuchung von dynamischen mathematischen Modellen von Prozessen in der dynamischen Wägezelle vorgestellt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Waage) ablaufen. Der Aufbau der Wägezelle ist ungefähr in ein "Zwei-Massen-Schwingsystem" für Innenaufprall und in ein "Fünf-Massen-Rotationsschwingsystem" für Innen- und Außenaufprall gegliedert. Modelle werden basierend auf der Zustandsraumbeschreibung analysiert und die Parameter des Modells werden identifiziert. Für das "Zwei-Massen-Oszillationssystem" werden die Zustandsregler unter Verwendung der Modalsynthese und der optimalen Steuermethoden entworfen. Für das "Fünfmassen-Rotationsoszillationssystem" und die Peripherie der Waage wurde ein Computermodell in MATLAB / Simulink erstellt, der Regelkreis wurde mit einem PID-Regler erhalten. Es wurden Prozesse durchgeführt, die auf einem Computermodell basierten. Schlagwörter: EMK-Waage, Wägezelle, Modellierung, Schwingsystem, Systemidentifikation, Zustandsraum, Zustandsregler, MATLAB / Simulink
Erstellung eines webbasierten Kommunikationsmoduls zur Steuerung eines automatischen Lastwechslers. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In einer Kooperation zwischen dem BIPM, der Sartorius AG, der SIOS Meßtechnik GmbH und dem Institut für Prozessmess- und Sensorik der Technischen Universität Ilmenau, wurde der Massekomparator CCL1007 entwickelt. Dieser Massekomparator ist in der Lage, hochgenaue Massevergleiche von 1 kg Massestücken unterschiedlicher Materialien und Geometrien unter kontrollierten atmosphärischen Bedingungen durchzuführen. Im Rahmen der Masterarbeit wurden Grundlagen einer neuen Steuersoftware für derartige Massekomparatoren erarbeitet. Basis dieser Software stellt ein modulares Gerüst unabhängiger Einzelapplikationen zur Lösung spezifischer Aufgaben dar. Als Kommunikationszentrale dient hierbei eine Datenbank. Zur Visualisierung und Steuerung der Abläufe wurde eine webbasierte grafische Programmoberfläche erstellt. Als Tools zur Softwareentwicklung kam hierbei das web-framework "Django" zum Einsatz. In der Masterarbeit wurden unterschiedliche Teilaufgaben innerhalb des Gesamtprojektes bearbeitet. Hierzu zählen die Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten verschiedener Datenbanken zum effizienten und kontrollierten Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Applikationen. Auf Basis dieser Untersuchungen wurde eine Schnittstelle zwischen der Web-Applikation und den weiteren Softwaremodulen definiert und deren Funktionen beschrieben. Die gewonnenen Ergebnisse sollen in Folgeprojekt einfließen.
Entwicklung einer Weg- und Neigungsregelung für eine präzise Positionierung einer Hubplattform. - Ilmenau. - 46 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In dieser Masterarbeit war eine Weg- und Neigungsregelungsystem und ein Steuersystem für eine präzise Positionierung einer Hubplattform entwickelt und später für die Kalibrierung eines supraleitendes Gravimeters. Die Anforderung für diese Arbeit war die Entwicklung eines Neigungsregelungsystems, so dass die Neigung der Plattform unter 0,5 [my]rad bleibt. Die Steuer- und Regelungsystem der Plattform war mithilfe der FPGA-Karte NIPXI-7841R, dem RT-System NI PXI-8195 und LabVIEW-Software entwickelt. Die Funktionsweise des Programms und den Algorithmen sind in dieser Arbeit beschrieben. Weil einige Teile des Programms noch nicht implementiert sind, es wird in dieser beschrieben, wie soll man weiter das Programm entwickeln.
Entwicklung einer pneumatischen Gewichtskraftkompensation. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
NPMM-200 ist eine hochauflösende Nanopositionier- und Nanomessmaschine, die am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau entwickelt wurde. Die Bewegung der Masse in vertikaler Richtung wird bei der NPMM-200 durch Tauchspulenaktoren ermöglicht. Da die Tauchspulenaktoren als Antrieb nicht nur die Masse bewegen, sondern auch eine Gewichtskraft überwinden müssen, wird wegen der hohen Bestromung der Spulen zusätzliche Verlustleistung und Erwärmung erzeugt. Um den Einfluss der Erwärmung zu verringern, muss eine Einheit zur Gewichtskraftkompensation (GKK) hinzugefügt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher eine pneumatische Gewichtskraftkompensation entwickelt. Durch Recherche werden geeignete Pneumatikzylinder sowie geeignete Messgeräte und pneumatische Bauteile bestimmt. Nachdem der Prüfstand konstruiert und die entsprechenden Bauteile verarbeitet sind, werden sieben Versuche unter verschiedenen Aspekten mit jeweils drei Bedingungen durchgeführt und dabei die Kennlinien von Kraft, Druck und Temperatur aufgenommen. Die gesammelten Daten ergeben, dass der Balgzylinder, insbesondere der Zylinder Ave_300, durch ein Proportionalventil mit Kraftregelung grundsätzlich alle Anforderungen der Gewichtskraftkompensation erfüllen kann. Durch die weitere Optimierung der Struktur und Regelung sollte der Balgzylinder die Anforderungen der GKK völlig erfüllen und die vorliegende GKK ersetzen können.
Integration zusätzlicher Rotationsachsen in die Nanomess- und Positioniermaschine NMM-1. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Durch moderne Fertigungstechnik ist es möglich die Funktionsoberflächen von optischen und mikrosystemtechnischen Bauteilen so zu gestalten, dass zahlreiche Funktionen gleichzeitig integriert werden können und damit Bauteile kleiner, leichter und leistungsfähiger sind als herkömmliche Komponenten. Diese Oberflächen sind nicht mehr mit Sphären oder Ellipsen beschreibbar und werden als Freiformflächen bezeichnet. Für die messtechnische Untersuchung dieser Oberflächen mit der Nanomess- und Positioniermaschine, die eine Unsicherheit im Nanometerbereich aufweist, müssen die derzeit vorhandenen translatorischen Achsen um zwei Rotationsachsen erweitert werden. Damit können das Messobjekt oder das Messsystem, beziehungsweise beide, so zu einander ausgerichtet werden, dass die Messrichtung immer senkrecht zur gerade beobachteten Oberfläche steht und somit Messabweichungen reduziert werden. In voran gegangenen Forschungsarbeiten sind kinematische Prinzipe entwickelt worden. Eines dieser Prinzipe, mit verteilten Rotationen, sieht eine Rotation des Messobjekts um die z-Achse und eine Rotation des Oberflächenmesssystems um die y-Achse vor. Für die erste Erprobung ist ein Aufbau konzipiert und konstruiert worden. Dieser Aufbau beschränkt sich zunächst auf die Rotation des Messobjekts um seine Hochachse. Um die erwarteten Messabweichungen des ausgewählte Rotationssystems beurteilen zu können, sind Voruntersuchungen durchgeführt worden. Diese haben die unvermeidlichen mechanischen Abweichungen durch Fertigungstoleranzen bezüglich des Rundlaufs und der Senkrechtstellung der Rotationsachse quantifiziert. Die interferometrische Rundlaufmessung hat Abweichungen im Bereich von 18 [my]m bis 127 [my]m gezeigt. Die Standardabweichung der Messwerte liegt je nach Drehrichtung zwischen 2 [my]m im Uhrzeigersinn und gegen diesen 12 [my]m. Die Wiederholbarkeit der Position ist ebenfalls abhängig von der Bewegungsrichtung, diese liegt bei 123 [my]rad (im Uhrzeigersinn) beziehungsweise 177 [my]rad (gegen den Uhrzeigersinn) und wurde auch interferometrisch bestimmt. Die Verkippung des Aktortisches ist mit Hilfe eines Autokollimationsfernrohrs erfasst worden. Thermische Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Aktor keine nennenswerte Erwärmung der Umgebung auftritt. Die Funktionsfähigkeit des Aufbaus auf der NMM-1 ist mit Oberflächenmessungen an einer Optik untersucht worden. Die Aufgabe war dabei den Krümmungsradius einer konvexen Linse zu bestimmen. Dies ist mit einzelnen Messungen entlang von Linien und einer Flächen-Messung erfolgt. Für die Auswertung der Messdaten sind Algorithmen für die Näherung von Kreisen und Kugeln genutzt worden um die Krümmung zu bestimmen.
Laserscanner zur simultanen Positionsbestimmung und Kartenerstellung mobiler Roboter. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Diese Arbeit befasst sich mit der Evaluation von Laserscannern im Kontext der Umfeldsensorik in der Robotik im Hinblick auf autonom fahrende Systeme. Der erste Teil befasst sich mit der Erweiterung eines vorhandenen Teststandes in den Räumen der Zentralforschung der Robert Bosch GmbH in Renningen. Hierfür wurden zum einen zusätzliche Messaufbauten und Messvorschriften erstellt und zum anderen teilautomatisierte Evaluationsverfahren für die Tiefengenauigkeit, die laterale Genauigkeit, die Winkelauflösung, die Abbildung großer Flächen in Hinsicht der Krümmung sowie das Interpolationsverhalten an teiltransparenten Flächen erarbeitet. Des Weiteren wurden mehrere Laserscanner vermessen und auf etwaige Korrekturmöglichkeiten untersucht. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Ausarbeitung und Implementierung eines Korrekturmodells für entfernungsabhängige Tiefenfehler in ein vorhandenes SLAM-Framework.
Numerische Berechnungen der fest-flüssig Phasenumwandlung von Fixpunktmaterialien mit verschiedenen Simulationsmethoden. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Computersimulationen gewinnen, nicht zuletzt aufgrund stetig wachsender Computerleistung, zunehmend an Bedeutung. Sie werden dann eingesetzt, wenn physische Modelle zu aufwendig sind. Die Simulation von Phasenumwandlungen ist insbesondere in der Messtechnik von Interesse, da sich mit diesen bei bestimmtem Druck gut reproduzierbare Temperaturplateaus erzeugen lassen. Diese Plateaus finden bei der Kalibrierung von Temperatursensoren Verwendung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen numerischen Methoden zur Modellierung von Phasenumwandlungen. Hierfür wird eine Wasserfixpunktzelle mit einem industriellen Pt-1000-Widerstandsthermometer modelliert. Als Referenz dazu werden Messungen der Sprungantwort des Systems von Raumtemperatur auf 40 ˚C und Messungen des Erstarrungs- und Schmelzplateaus in einem Thermostat aufgenommen. Das verwendete Thermometer wird dazu im Thermostat mittels Vergleichsverfahren kalibriert; es folgt die Aufstellung eines Messunsicherheitsbudgets. Betrachtet werden RC-Modelle, die auf der elektrothermischen Analogie beruhen, die klassischen FEM-Modelle und die von letzteren ausgehenden, mittels Modellreduktion erstellten Modelle. Als Software kommt dabei ANSYS, LTSpice, MATLAB, und Simulink zum Einsatz. Es zeigt sich, dass die Sprungantworten des reduzierten und des FEM-Modells mit den gemessenen Sprungantworten gut übereinstimmen. Die RC-Modelle weisen deutlichere Abweichungen auf. Zwischen den Plateaulängen und den Plateauverläufen der Modelle und der Messung lassen sich, wenn bei den Modellen die Tabellenwerte für Wasser angenommen werden, auch Differenzen feststellen, die auf eine Verunreinigung des Wassers der Fixpunkzelle schließen lassen. Die favorisierte Modellierungsmethode, die Modellreduktion, wird anschließend an dem Anwendungsfall der Modellierung eines selbstkalibrierenden Temperaturfühler erprobt.
Erarbeitung einer Mess- und Auswertestrategie zur Ermittlung von Messabweichungen des Fokussensors auf geneigten Oberflächen. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die Nanopositionierung- und Nanomessmaschine (NPMM) ist eine hochauflösende Messmaschine, um die Geometrie und Oberflächenstruktur des Messobjekts zu messen. Für unterschiedliche Messaufgaben werden unterschiedliche Antastsysteme wie z. B. taktile Sensoren und optische Sensoren auf die NPMM montiert. In der vorherigen Arbeit und bei den Untersuchungen wurde erläutert, dass das Messsignal bei optischen Verfahren von der Neigung der zu messenden Oberfläche beeinflusst wird. Dieser Einfluss führt zu einer Messabweichung zwischen der taktilen Messung und der optischen Messung auf derselben Oberfläche. In der vorliegenden Arbeit wird diese durch Neigung verursachte Abweichung zwischen dem taktilen Verfahren und dem optischen Verfahren untersucht. Als Messobjekt wird ein Konkavspiegel ausgewählt. In den Messungen spielt die Position des Scheitelpunkts des Spiegels eine wichtige Rolle. Zuerst wird ein Messverfahren vorgestellt, um den Scheitelpunkt automatisch und präzis zu finden. Dann werden die Messungen auf unterschiedlichen Messlinien entsprechend der eingestellten Messstrategie automatisch realisiert. Dieselben Messungen werden zuerst mit optischen Verfahren und dann mit taktilen Verfahren durchgeführt und die Abweichung zwischen den Messwerten wird bestimmt. Um diese Abweichung auf die umfassende Oberfläche zu beschreiben wird eine Methode der Superposition vorgestellt. Damit kann die unbekannte Abweichung in einer beliebigen Messrichtung durch die bekannten Abweichungen in der x- und y-Richtung und zusätzlich der Drehwinkel ermittelt werden. Basierend auf dieser Methode der Superposition wird eine gute Übereinstimmung zwischen der berechneten Abweichung und der gemessen Abweichung angezeigt, wobei die Differenz im Bereich von ± 20 nm liegt. Zusätzlich wird die Methode der kleinsten Quadrate, eine andere Möglichkeit, um die Abweichung abzuschätzen, vorgestellt. Anschließend werden die Vor- und Nachteile der jeweiligen Methode für Berechnung der Abweichung beschrieben. Die Einfluss-faktoren während der Messungen werden auch diskutiert. Des Weiteren werden Vorschläge zur Verbesserung der Ergebnisse gemacht.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die messtechnische Analyse zweier optischer Sensoren, die auf der scannenden Weißlichtinterferometrie basieren. Die Besonderheit beider Sensoren liegt im verbauten Kamerachip, welcher die Aufnahme einer Topographie im Bruchteil einer Sekunde ermöglicht und somit bedeutend schneller als andere auf dem Markt verfügbaren und vergleichbaren Systeme ist. Einer der Sensoren wurde im Vorfeld neu entwickelt und miniaturisiert mit dem Ziel, ein Handmessgerät zu realisieren. Zur Charakterisierung beider Sensoren werden jeweils verschiedene Messungen zur Linearität des Sensors sowie zum Verhalten bei einer Messung mit geneigter Probe. Die Messungen werden dabei auf automatisierten Testständen realisiert, deren Aufbau und Funktionsweise beschrieben werden. Es konnten verschiedene Phänomene und Messfehler beobachtet werden, die die Genauigkeit der Sensoren reduzieren. Weiter war es möglich, Strukturen der untersuchten Proben zu detektieren. Auf Grund der Ausprägung, der Überlagerung und der Größenordnung der Messfehler ist es zum Zeitpunkt der Anfertigung dieser Arbeit jedoch nicht sinnvoll, Messungen unter praxisnahen Bedingungen zu realisieren. Die Systeme müssen weiter optimiert und angepasst werden, um die Messfehler zu korrigieren und die Messgenauigkeit zu verbessern.