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

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Festkörpergelenke werden als stoffschlüssige Drehgelenke in nachgiebigen Koppelmechanismen für Ultrapräzisionsanwendungen eingesetzt. Häufig liegen die Anforderungen an die Präzision dabei in der Größenordnung von Nanometern bzw. Winkelsekunden. Die Synthese nachgiebiger Mechanismen erfolgt vorwiegend durch die Ersetzung von Starrkörpermechanismen. Es besteht ein Forschungsbedarf, da der Zusammenhang zwischen der konkreten konstruktiven Gestaltung und dem kinematischen Verhalten in der erforderlichen Auflösung bisher in der Literatur unzureichend untersucht worden ist. Die mehrheitlich vorliegende Verwendung von Gelenken mit elementaren Aussparungsgeometrien 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 Optimierung der Gelenkkontur unter Beachtung der konstruktiven Umsetzung monolithischer Mechanismen nicht stattfindet. In der ersten Projektphase wurden die Auswirkungen der Festkörpergelenkkontur und der Gelenkabmessungen auf die Bewegungseigenschaften von nachgiebigen Koppelmechanismen im Vergleich zum Starrkörpervorbild untersucht. Da sich beim Übergang vom Starrkörpermechanismus zum nachgiebigen Mechanismus bisher nicht betrachtete Eingangsparameter ergeben, sind die Einflüsse der konkreten konstruktiven Umsetzung bei der Analyse und Optimierung weitgehend nicht bekannt. Die ungenügende Güte der Kenntnis des kinematischen Verhaltens verhinderte bisher das Vordringen in zunehmend auftretende Applikationen der Ultrapräzisionstechnik mit kombinierten Forderungen an höchste Präzision und deutlich erhöhte Bewegungsbereiche. Das Hauptziel des Projektes war die Erarbeitung von wissenschaftlichen Grundlagen zur Synthese nachgiebiger Koppelmechanismen mit optimierten Festkörpergelenken für die Ultrapräzisionstechnik. Als Schwerpunkte der zweiten Projektphase wurden die Auswirkungen von bisher nicht betrachteten kinematischen Eingangsparameter und der konstruktiven Umsetzung des nachgiebigen Mechanismus untersucht. Hierfür fand die Untersuchung des Getriebefreiheitgrades des Starrkörpervorbildes, der Antriebsintegration, der Kopplung von Teilmechanismen und der Skalierung sowie die Synthese und Optimierung von geeigneten Punkt- und Ebenenführungsmechanismen für Präzisionsbewegungen, die für den Aufbau von räumlichen Positioniersystemen verwendet werden können statt. Anhand hochauflösender messtechnischer Untersuchungen an verschiedenen Mechanismen konnte das mittels FEM-Simulationen vorher bestimmte reproduzierbare Verhalten für die Bewegung des Abtriebsgliedes bestätigt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Freiheitsgrad des Starrkörpervorbildes, die Integration des Antriebs sowie die Kopplung der Teilmechanismen einen entscheidenden Einfluss auf die kinematischen Eigenschaften des monolithischen Positioniersystems aufweisen. Eine weitere Eigenschaftsverbesserung kann durch die gezielte Gestaltung der Festkörpergelenke mit unterschiedlichen Potenzfunktionkonturen erreicht werden. Bei der Miniaturisierung von nachgiebigen Mechanismen können die gewünschten Bewegungseigenschaften durch geeignete Skalierung geschafft werden. Damit leistet das Vorhaben infolge der zweiten Projektphase folgende Beiträge gegenüber dem gegenwärtigen Stand der Forschung: Berücksichtigung des Freiheitsgrades des Starrkörpermechanismus, der Antriebsintegration und der Skalierung bei der Synthese von nachgiebigen Mechanismen, Untersuchung der Kopplung von Teilmechanismen in räumlichen Positioniersystemen, Zielabhängige Mechanismenoptimierung mit unterschiedlichen Festkörpergelenkkonturen in Bezug zum und unabhängig vom Starrkörpervorbild mit unterschiedlichen Ansätzen (Geometrieparameter, Gelenkorientierung, Gelenkposition), Weiterentwicklung der drehwinkelbasierten Synthesemethode.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Entwicklung eines PC-Programms zur Analyse von nachgiebigen Mechanismen für beliebige Bewegungsaufgaben. In: Tagungsband Sechste IFToMM D-A-CH Konferenz 2020, Lienz, Österreich, 27.-28. Februar, 2020
  Henning. S.; Zentner, L.
  
• Theoretical and experimental investigation of performance characteristics and design aspects of cross-spring pivots. International Journal of Solids and Structures 185-186, S. 240-256, 2020
  Goncalves Junior, L.A.; Theska, R.; Lepsikon, H.A.; Ribeiro Junior, A.S.; Linß, S.; Gräser, P.
  
• Analysis of planar compliant mechanisms based on non-linear analytical modeling including shear and lateral contraction, Mechanism and Machine Theory 164, 104397, 2021
  Henning, S.; Zentner, L.
  
• Characterization of Thin Flexure Hinges for Precision Applications Based on First Eigenfrequency. In Microactuators, Microsensors and Micromechanisms (MAMM 2020., Mechanisms and Machine Science, vol 96., Ilmenau; Zentner, L., Strehle, S., Eds.; Springer: Cham, 2021; pp 15–24
  Darnieder, M.; Harfensteller, F.; Schorr, P.; Scharff, M.; Linß, S.; Theska, R.
  
• High-precision and large-stroke XY micropositioning stage based on serially arranged compliant mechanisms with flexure hinges, Precision Engineering, 2021
  Gräser, P.; Linß, S.; Harfensteller, F.; Torres, M.; Zentner, L.; Theska, R.
  
• Non-linear analytical modeling of planar compliant mechanisms, Mechanism and Machine Theory, 155, 104067, 2021
  Henning, S.; Linß, S.; Gräser, P.; Theska, R.; Zentner, L.
  
• Novel Planar Two-Axis Leaf-Type Notch Flexure Hinge with Coincident Rotation Axes and Its Application to Micropositioning Stages. In: Microactuators, Microsensors and Micromechanisms. MAMM 2020., Mechanisms and Machine Science, vol 96., Ilmenau; Zentner, L., Strehle, S., Eds.; Springer: Cham, 2021; S. 1–14
  Linß, S.; Gräser, P.; Torres, M.; Kaletsch, T.; Theska, R.; Zentner, L. A.
  
• Optimization of Compliant Path-Generating Mechanisms Based on Non-linear Analytical Modeling. In: Microactuators, Microsensors and Micromechanisms (MAMM 2020), Mechanisms and Machine Science, vol 96., Ilmenau; Zentner, L., Strehle, S., Eds.; Springer: Cham, 2021; S. 25–35
  Henning, S.; Linß, S.; Gräser, P.; Schneider, J.D.; Theska, R.; Zentner, L.
  
• Synthesemethode zur Bestimmung geeigneter Geometrieparameter von Festkörpergelenken. In: Tagungsband Siebte IFToMM D-A-CH Konferenz 2021, 18.-19. Februar, 2021
  Henning, S.; Linß, S.; Zentner, L.