Berichte aus dem Lehrstuhl für Messtechnik und Sensorik
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The detection and characterisation of undesired lead structures on shaft surfaces is a concern in production and quality control of rotary shaft lip-type sealing systems. The potential lead structures are generally divided into macro and micro lead based on their characteristics and formation. Macro lead measurement methods exist and are widely applied. This work describes a method to characterise micro lead on ground shaft surfaces. Micro lead is known as the deviation of main orientation of the ground micro texture from circumferential direction. Assessing the orientation of microscopic structures with arc minute accuracy with regard to circumferential direction requires exact knowledge of both the shaft’s orientation and the direction of surface texture. The shaft’s circumferential direction is found by calibration. Measuring systems and calibration procedures capable of calibrating shaft axis orientation with high accuracy and low uncertainty are described. The measuring systems employ areal-topographic measuring instruments suited for evaluating texture orientation. A dedicated evaluation scheme for texture orientation is based on the Radon transform of these topographies and parametrised for the application. Combining the calibration of circumferential direction with the evaluation of texture orientation the method enables the measurement of micro lead on ground shaft surfaces.
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Efforts in decarbonization lead to electrification, not only for road vehicles but also in the sector of mobile machines. Aside from batteries, those machines are electrified by tethering systems, nowadays featuring an AC low voltage system. Those systems are applied, e.g., to underground load haul dumpers with short tethering lines and low machine power. To expand tethering to further markets as agricultural machinery, this work proposes an HVDC tethering system allowing higher machine power and transmission length due to thinner, lighter tethering lines. The HVDC voltage is converted by distribution over a number of series connected DC/DC converters. Less blocking voltage on the semiconductors allows faster switching technology to reduce the converters’ weight and volume. The concepts modularity allows for flexible adaption on various application scenarios. Since comparable concepts exist for offshore wind farms connectivity, its applicability for this is discussed. A full bridge inverter/rectifier LLC resonance DC/DC converter is presented for the modules. A switched LTI converter model is developed and a Common Quadratic Lyapunov Function (CQLF) is computed for prove of stability. The converter control features soft startup and voltage control over all modules. The concepts are validated by simulation and on a scaled prototype.
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In the field of measurement technology, the use of unmanned aerial vehicles is becoming more and more popular. For many measurement tasks, the use of such devices offers many advantages in terms of cost and measurement effort. However, the occurring vibrations and disturbances are a significant disadvantage for the application of these devices for several measurement tasks. Within the scope of this work, a platform for measurement devices is developed. The platform is designed specifically for use on drones. The task of the platform is to isolate measurement equipments mounted on it from the drone disturbances. For this purpose we go through the product development process according to VDI 2221 to design a mechanical model of the platform. Then, control strategies are applied to isolate the platform. Since the disturbances acting on a drone are not always stationary, two control strategies known for their ability to handle uncertain systems are used. One of them comes from the field of acoustic.
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Messgeräte zur geometrischen Produktspezifikation werden mit Normalen nach DIN EN ISO 5436-1 und DIN EN ISO 25178-70 kalibriert. Dabei kommen meist künstliche Oberflächenstrukturen zum Einsatz. Aufgrund immer höherer Anforderungen ist für hochgenaue Messaufgaben allerdings eine praxisorientierte Kalibrierung erforderlich. Ein modellbasierter Ansatz zur Auslegung von Normalen, die eine solche praxisnahe Kalibrierung erlauben, wird im Rahmen dieser Arbeit ohne Einschränkung auf ein spezielles Messverfahren vorgestellt und untersucht. Dabei ermöglichen drei Säulen eine Verbesserung gegenüber konventionellen Normalen: die Berücksichtigung physikalischer Effekte bei der Messung, die Definition neuer Oberflächenstrukturen, als deren Ausgangspunkt reale Bauteiloberflächen dienen, sowie die Berücksichtigung fertigungstechnischer Effekte. Die neu generierten Normale werden mit virtuellen und realen Messungen auf ihren praktischen Einsatz hin untersucht. In diesem Rahmen werden auch neue Kalibrierstrategien, eine Unsicherheitsbilanz sowie ein allgemeiner Leitfaden zur Generierung von Normalen abgeleitet.
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Die geometrische Produktspezifikation steht - wie viele andere Industriezweige - vor einschneidenden Veränderungen. Durch Digitalisierung und Automatisierung ändern sich viele industrielle Rahmenbedingungen. Ziel dieser Arbeit ist es, die derzeitigen Trends für die industrielle Rauheitsmesstechnik systematisch zusammenzutragen. Basierend auf diesen Veränderungen werden korrespondierende eigene Forschungsarbeiten vorgestellt, welche an die gezogenen Schlussfolgerungen anknüpfen. Dabei wird ein ganzheitlicher Ansatz zur Betrachtung technischer Oberflächen gewählt, welcher zunächst die fertigungstechnische Erzeugung deterministischer Rauheitsstrukturen analysiert. Anschließend werden die Beschreibung der resultierenden Topographiemerkmale mittels mathematischer Modelle und deren messtechnische Erfassung durch typische Topographie-Messgeräte untersucht. Weiterhin wird die hierauf aufbauende Charakterisierung der Oberfläche thematisiert, welche durch die Anwendung der Operationen Einpassung, Interpolation, Filterung und Berechnung von Rauheitskenngrößen gekennzeichnet ist.
Im Rahmen fertigungstechnischer Betrachtungen werden dabei neue Technologien für die Herstellung flächenhafter Kalibriernormale untersucht, welche stellvertretend für deterministische Rauheitsstrukturen dienen, die immer weitere industrielle Verbreitung finden, um funktionelle Bauteileigenschaften mithilfe der Oberflächenbeschaffenheit abzubilden. Als Fertigungsverfahren werden dabei das direkte Laserschreiben sowie das Mikrofräsen betrachtet.
Für die eigentliche Betrachtung dieser Oberflächen werden dabei Ansätze zur Modellierung von Rauheitseigenschaften untersucht, welche auf Methoden aus der Zeitreihenmodellierung basieren.
Die messtechnische Erfassung von Rauheitsstrukturen ist anschließend Gegenstand der Analyse des Übertragungsverhaltens. Dabei werden hier ebenfalls Modelle genutzt, um die Übertragung von Oberflächeneigenschaften durch technische Rauheitsmessgeräte zu modellieren.
Letzte Betrachtungen werden zur Auswertung von Rauheitskenngrößen angestellt. Dabei werden insbesondere die funktionsorientierten Rauheitskenngrößen untersucht, welche aufgrund der zunehmenden Komplexität technischer rauer Oberflächen verstärkt an Bedeutung gewinnen.
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Automation, Industry 4.0 and artificial intelligence are playing an increasingly central role for companies. Artificial intelligence in particular is currently enabling new methods to achieve a higher level of automation. However, machine learning methods are usually particularly lucrative when a lot of data can be easily collected and patterns can be learned with the help of this data. In the field of metrology, this can prove difficult depending on the area of work. Particularly for micrometer-scale measurements, measurement data often involves a lot of time, effort, patience, and money, so measurement data is not readily available. This raises the question of how meaningfully machine learning approaches can be applied to different domains of measurement tasks, especially in comparison to current solution approaches that use model-based methods. This thesis addresses this question by taking a closer look at two research areas in metrology, micro lead determination and reconstruction. Methods for micro lead determination are presented that determine texture and tool axis with high accuracy. The methods are based on signal processing, classical optimization and machine learning. In the second research area, reconstructions for cutting edges are considered in detail. The reconstruction methods here are based on the robust Gaussian filter and deep neural networks, more specifically autoencoders. All results on micro lead and reconstruction are compared and contrasted in this thesis, and the applicability of the different approaches is evaluated.
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Die taktile Rauheitsmesstechnik ist ausgiebig erforscht, genormt und dient für andere Messprinzipien und Messverfahren als Referenz. Allerdings fehlen für eine Rauheitsmessung auf Konturen Grundlagenuntersuchungen, Richtlinien und Normen. Eine Messung und Auswertung der Rauheit und Kontur in einem Schritt bringen der Industrie wertvolle ökonomische Vorteile. Kombinierte Rauheits- und Konturenmessplätze erlauben bereits heute aufgrund ihres vertikalen Messbereiches von mehreren Millimetern und einer vertikalen Auflösung im Nanometerbereich eine kombinierte Rauheits- und Konturenmessung in nur einem Messvorgang. Das Ziel der vorliegenden Dissertation sind Grundlagenuntersuchungen, um starke und schwache Einflüsse bei der taktilen 2D Rauheitsmessung auf Konturen zu ermitteln. Einflussgrößen und Messparameter werden aufgezeigt, analysiert und neue Ansätze für die Messstrategie und die Auswertung präsentiert und untersucht. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen erfolgen an ausgewählten Normalen und technischen Oberflächen mit den vorgestellten Parameterkombinationen. Die Auswertung der Rauheitskennwerte wird mit den erläuterten Auswertemethoden durchgeführt und es erfolgt eine Analyse der Profile. Für ein vollständiges Messergebnis wird die Messunsicherheit bestimmt und diskutiert.
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Die vorliegende Arbeit behandelt das Thema der pneumatischen Abstandsmessung. Diese Technologie ist neben der taktilen und optischen Messtechnik eine der drei Ansätze, um Messaufgaben in der Fertigungsmesstechnik zu lösen. Der große Vorteil pneumatischer Sensoren ist ihr Selbstreinigungseffekt, wodurch in rauen Umgebungen sicher gemessen werden kann. Momentan fehlende Grundlagenkenntnisse führen jedoch zu einer ineffizienten Nutzung der Technik. Im Rahmen dieser Arbeit wurde neues Wissen erarbeitet, so dass eine optimierte Anwendung dieser Sensorklasse möglich ist. Für das laterale und dynamische Verhalten der Sensoren sind Modelle zur Vorhersage von Messergebnissen vorgestellt. Weiterhin finden sich ausführliche Auslegestrategien für systemkritische Bauteile in dieser Arbeit. Auf Basis der Grundlagenuntersuchungen sind die wichtigsten Einflussgrößen der Messunsicherheit erläutert. Zur effizienten Wissensübertragung ist abschließend eine moderne Software präsentiert, welche eine Auslegung pneumatischer Sensoren für eine gegebene Messaufgabe ermöglicht und so das gesamte Wissen der Arbeit für den Anwender in der Industrie zusammenfasst.
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Gängige Füllstandmesssysteme für mobile Schüttgutsilos werden i. d. R. invasiv an der Innenseite des Behälters angebracht. Hierdurch sind die Sensoren abrasiven Mechanismen und einem entsprechend hohen Verschleiß ausgesetzt. Dies führt zu einer geringen Wirtschaftlichkeit der bisherigen Füllstandüber-wachung von mobilen Schüttgutsilos. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Umsetzbarkeit eines alternativen, nichtinvasiven Sensorkonzeptes untersucht, welches auf der Auswertung der füllstandabhängigen Impulsantwort des Silos basiert.
Hierzu werden anhand einer analytischen Modellierung des Messsystems die potentiellen Einflussgrößen des Sensorkonzeptes identifiziert. Anschließend werden die potentiellen Einflussgrößen im Rahmen numerischer Untersuchungen (FEM/DEM) näher analysiert und bewertet. Die ermittelten, scheinbar kritischen Einflussgrößen werden weiterhin experimentell untersucht. Es werden zwölf Füllstandkennwerte definiert, anhand derer eine Support Vector Machine trainiert und anschließend zur robusten Ermittlung des Füllstandes verwendet wird.
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Die vorliegende Arbeit behandelt die Neuentwicklung der Betriebselektronik für eine Rasterkraftsonde die im Frequenzmodulationsverfahren betrieben wird. Rasterkraftsonden haben das Potenzial zukünftige Messaufgaben der Fertigungsmesstechnik, die durch Tastschnittgeräte und Optische Messgeräte nicht mehr gelöst werden, zu lösen. Als Grundlage für die Entwicklung eines Sensors zum Messen rauer, technischer Oberflächen dient die Akiyama-Sonde: bei dieser handelt es sich um eine Rasterkraftsonde deren Auslenkung sensorlos, ohne zusätzliche Bauteile, detektiert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst die Eignung der Akiyama-Sonde zum Messen technischer Oberflächen untersucht. Anschließend wurde eine neue Betriebselektronik für die Sonde entwickelt. Die neuentwickelte Elektronik zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus: in Kern besteht sie nur aus einem FPGA, einem Analog-Digital-Umsetzer und einem Digital-Analog-Umsetzer. Methodisch wurde bei der Entwicklung ein modellbasiertes Vorgehen gewählt: Zunächst wurde die Akiyama-Sonde in ihrem Arbeitspunkt modelliert. Basierend auf dem Modell erfolgte der virtuelle Entwurf der Betriebselektronik. Ein physikalischer Prototyp wurde somit erst spät im Entwicklungsprozess benötigt. Abschließend wurde anhand von Experimenten die Fähigkeit der neuen Betriebselektronik zum Messen von Auslenkungen im Nanometer-Bereich nachgewiesen.