Algorithmen und Bewertungsmethoden zur Optimierung von Aktorsystemen für die Mikrosystemtechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
2.1. Allgemeinverständliche Darstellung der wesentlichen Ergebnisse und der erzielten Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens zum Zeitpunkt der Antragstellung. Die wesentlichen Ergebnisse des Forschungsprojektes sind im Einzelnen: • Gestaltung eines automatisierten Unterstützungssystems für den Entwurf von Aktorsystemen mittels multikriterieller Optimierung • Entwicklung einer neuen, schnellen Simulationsmethode für komplexe Aktorsysteme Der Fortschritt gegenüber dem Stand des Wissens zum Zeitpunkt der Antragsstellung umfasst: • Alle Komponenten eines Assistenzsystems fiir den beschleunigten Entwurf besserer wenn nicht optimaler Aktorsysteme wurden wissenschaftlich entwickeh und die Machbarkeit demonstriert. Das Verfahren des Laserstrahljustierens mit Aktoren hat das Potential hochpräzise Fertigimg von Kleinstteilen berührungslos und effektiv zu realisieren. Allerdings ist der Entwurf dafiir notwendiger Aktorsysteme mit einem großen Zeit- und Kostenaufwand verbunden und erfordert ein hohes Maß an Expertise vom entwickelnden Ingenieur. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Algorithmen und Methoden entwickeh, mit denen es möglich ist, den Entwurf von Aktorsystemen für das Laserstrahljustieren durch einen Rechner zu unterstützen. Der Entwurfsprozess von Aktorsystemen wurde entsprechend angepasst. Der entwickelnde Ingenieur schlägt basierend auf einem Aktorkatalog, in dem bereits bekannte Aktorsystementwürfe archiviert werden, einen Initialentwurf vor. Für den Initialentwurf wurde eine Modellierungsmethode auf Basis der Denavit-Hartenberg Konvention erarbeitet, die ein Aktorsystem geometrisch und funktional abbildet. Die Modellierung erfolgt als Kette von Blechstreifen und erlaubt die Kennzeichnung von Bereichen, so genarmten Aktorelementen, die mittels Laserstrahl umgeformt werden. Der Suchraimi kaim mit der Modellierungsmethode eingeschränkt werden, um den Entwurfsprozess zu beschleimigen. Femer wurde eine Syntax entworfen, mit der die Anforderungen an das Aktorsystem bezüglich der zu erzielenden Genauigkeit in der Montage, ausgedrückt als Justageaufgabe, formuliert werden. Der Bauraum, in dem das Aktorsystem montiert werden soll, imd mögliche Beschränkungen der BestrahlungszugängHchkeit fur den Laser werden als Randbedingungen in das Unterstützungssystem integriert. Das rechnergestützte Assistenzsystem optimiert den Initialvorschlag bezüglich der in diesem Forschungsprojekt definierten Qualitätskriterien. Für jedes Qualitätskriterium wurde ein Algorithmus entwickelt, der es ennöglicht, die Qualität eines Aktorsystementwurfs bezüglich des Kriteriums in einem Zahlenwert auszudrücken. Die Kriterien sind: • Eignung des Aktorsystems fiir die Justageaufgabe: Zur Bewertung ist eine Simulation der Verformbarkeit des Aktorsystem mittels Laserstrahlung nötig. Für einfache Aktorsysteme wurde fur die Simulation ein Algorithmus der Inversen Kinematik verwendet. Für komplexe Aktorsysteme wurde ein Algorithmus entwickelt, der eine schnelle Umformsimulation mittels Balkenelementen erlaubt. • Zuverlässigkeit: Um die Justagefähigkeit des Aktorsystems auch bei Ungenauigkeiten in der Fertigung und etwaigen äußeren Einflüssen zu garantieren, bewertet ein Algorithmus, wie nah an die Grenze des theoretisch Möglichen das Aktorsystem zur Erfüllung der Justageaufgabe belastet werden muss. Hierfür wurden Formeln weiterentwickelt, die eine Berechung des theoretischen Maximaleffekts für die Laserstrahlumformmechanismen Temperatur-Gradienten-Mechanismus und Stauchmechanismus erlauben. • KoUisionsfreiheit: Das Aktorsystem muss in den spezifizierten Bauraum passen. Der entwickelte Bewertungsalgorithmus belohnt Entwürfe, die einen bestimmten Abstand zu allen anderen Bauelementen des Bauraums nicht unterschreiten. Somit körmen mögliche Ungenauigkeiten in der Fertigung der Aktorsysteme toleriert werden. • Bestrahlungszugänglichkeh: Der entwickelte Algorithmus für dieses Kriteriums überprüft, ob die Aktorelemente des Aktorsystems für die Laserstrahlung zugänglich sind, und belohnt Entv^öirfe, die aus möglichst wenig Richtungen bestrahlt werden müssen, um alle Aktorkomponenten zu erreichen. • Einfachheit des Entwurfs: Durch die Einfuhrung eines Qualitätsmerkmals, das einfachere Entwürfe bevorzugt, bevorzugt das Assistenzsystem Entwürfe, die nicht benötigte Elemente eines Aktorsystems entfemen. Dadurch kann der entwerfende Ingenieur den Initialentwurf frei auslegen. Um diese Qualitätskriterien gleichzeitig berücksichtigen zu können, wurden die sie in einen mehrkriteriellen, evolutionären Optimierungsalgorithmus integriert. Dieser Ansatz erlaubt die automatische Generierung echter Kompromisse aus dem Initialentwurf. Ein entsprechendes Programm wurde zimi Beweis der Machbarkeit dieses Assistenzsystems realisiert und auf Testfalle angewendet. 2.2. Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen. Die entwickelten Algorithmen und Methoden wurden im Rahmen einer Machbarkeitsstudie reaUsiert. Für den produktiven Einsatz in der Industrie bieten folgende Punkte Verbesserungspotential: • Einbindung des Assistenzsystems in eine CAD-Sofhvare. • Weiterentwicklung der Algorithmen zur Beschleunigung der Berechnung Ein derartiges System könnte das Verfahren des Laserstrahljustierens insgesamt in die industrielle Anwendung bringen. Als zukünftiges Forschungsfeld könnte die schnelle Simulationsmethode für komplexe Aktorsysteme zum Beispiel zur Bestrahlungsplanung weiterqualifiziert werden. Hierfür müsste allerdings intensiv nach Möglichkeiten zur Beschleunigung der Simulation und Sicherstellung der Berechnungsgenauigkeit geforscht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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18th Conference on Simulation and Visualization (SimVis) 2007 Titel: Rechnergestützter Entwurf von Aktorsystemen für die lasergebundene Mikrojustage Abstract:
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6th CIRP Intemational Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering 2008 Titel: Fast, problem specific approaches for the evaluation of laser beam propagation in process planning
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6th Intemational Conference on Industrial Tools and Material Processing Technologies 2007 (ICIT&MPT 2007) Titel: Application of genetic algorithms for the optimization of actuator systems for laser micro adjustment
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8th CIRP hitemational Design Semmar 2008 Titel: Developing a computer aided design system for actuator design for laser micro Adjustment
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CIRP Intemational Seminar on Manufacturing Systems (2006) Titel: Planning and Control of Laser Forming Applications.
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IWOTE 08 (2008) Titel: Algorithms for Planning and Control of Laser Forming
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LANE 2007 Titel: Computer Assisted Design of Complex Actuator Systems for Laser Micro Adjustment
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PLETTKE, R.; HAGENAH, H.; GEIGER, M.: Computer assisted design of actuator systems for laser micro adjustment. In: MICARI, F.; GEIGER, M.; DUFLOU, J.; SHIRVANI, B.; CLARKE, R.; DI LORENZO, R.; FRATINI, L. (Hrsg.): Proceedings ofthe 12th Intemational Conference on Sheet Metal (SheMet07). Key Engineering Materials, ISSN 1013-9826 (2007), Zürich : Trans Tech Publication Ltd., S. 807 - 814
