Analyse, Optimierung und Synthese von nachgiebigen Koppelmechanismen für Ultrapräzisionsanwendungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. René Theska; Professorin Dr.-Ing. Lena Zentner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258176829

Festkörpergelenke werden als stoffschlüssige Drehgelenke in nachgiebigen Koppelmechanismen für Ultrapräzisionsanwendungen eingesetzt. Hier liegen die Anforderungen an die Präzision in der Größenordnung von Nanometern bzw. Winkelsekunden. Die Synthese nachgiebiger Mechanismen erfolgt vorwiegend durch die Ersetzung von Starrkörpermechanismen. Es besteht Forschungsbedarf, da der Zusammenhang zwischen der konkreten konstruktiven Gestaltung und dem kinematischen Verhalten in der erforderlichen Auflösung bisher in der Literatur nicht untersucht worden ist. Die vorwiegende Verwendung von elementaren Gelenkkonturen führt sowohl hinsichtlich der Abweichung zur vorgegebenen Bahnkurve als auch des maximalen Bewegungsbereiches zu starken Einschränkungen. Zur Überwindung dieser Limitierungen wird gegenwärtig die Gelenkanzahl im Mechanismus erhöht, während eine Konturoptimierung unter Beachtung der konstruktiven Umsetzung monolithischer Mechanismen nicht stattfindet. Die ungenügende Kenntnis des kinematischen Verhaltens verhindert bisher das Vordringen in zunehmend auftretende Applikationen der Ultrapräzisionstechnik mit kombinierten Forderungen an höchste Präzision und deutlich erweiterte Stellbereiche.Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung von Grundlagen zur Synthese nachgiebiger Mechanismen mit optimierten Festkörpergelenken. Als Schwerpunkt der 1. Projektphase wurden die Auswirkungen der Gelenkkontur auf die Mechanismuseigenschaften im Vergleich zum Starrkörpervorbild untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass Gelenke mit direkt im Mechanismus optimierten Polynomkonturen einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Konturen bieten, da sie eine gleichzeitige Erhöhung von Bewegungsbereich und Präzision ermöglichen. Eine weitere Verbesserung kann durch die Verwendung unterschiedlicher Konturen in einem Mechanismus sowie eine günstige Gestaltung der Gelenkorientierung und Koppelgeometrie erreicht werden. Ausgehend von der 1. Phase existiert zusätzlicher Forschungsbedarf bei der geometrischen Gestaltung von monolithischen Mikro- und Nanopositioniersystemen mit Makroabmessungen. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Weiterentwicklung einer neuartigen, gegenüber dem idealisierten Starrkörpermodell verbesserten Synthesemethode basierend auf den Gelenkdrehwinkeln. Diese erlaubt die gezielte geometrische Gestaltung von nachgiebigen Mechanismen unter Berücksichtigung des Einflusses der Skalierung.Verglichen mit dem aktuellen Forschungsstand ist insbesondere das Ziel der gleichzeitigen Erhöhung von Präzision und Stellbereich ein neuer Ansatz. Damit leistet das Vorhaben einen Beitrag zur Entwicklung einer skalenübergreifenden Synthesemethode für räumliche Mechanismen, die den Freiheitsgrad des Mechanismus und die Antriebsintegration im Positioniersystem berücksichtigt. Die Ergebnisse sollen an zwei Prototypen mit unterschiedlicher Skalierung verifiziert und in Form von Konstruktionsrichtlinien für die weitere Anwendung in der Ultrapräzisionstechnik aufbereitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen