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Entwicklung adaptiver Strukturen am Beispiel einer funktionsintegrierten Lagerung zur aktiven Schwingungsisolation empfindlicher Geräte

Bartel, Torsten :
Entwicklung adaptiver Strukturen am Beispiel einer funktionsintegrierten Lagerung zur aktiven Schwingungsisolation empfindlicher Geräte.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung adaptiver Strukturen am Beispiel einer funktionsintegrierten Lagerung zur aktiven Schwingungsisolation empfindlicher Geräte
Language: German
Abstract:

Die Analyse- und Fertigungsgenauigkeit von Maschinen, Geräten und Aufbauten im Nano und Subnanobereich nimmt immer weiter zu. Zur Reduktion von Umgebungsschwingungen, welche die Funktion moderner Systeme beeinträchtigen, reichen bauliche Maßnahmen und passive Lösungen zur Schwingungsreduktion immer häufiger nicht mehr aus. Daher werden zunehmend aktive Systeme zur Steigerung der Schwingungsisolation eingesetzt. Herkömmliche aktive Systeme basieren meistens auf getrennt voneinander ausgeführten elektrodynamischen Schwingspulen, einer rein mechanischen Struktur, Sensoren, der Regelungshardware und Aktorverstärkern. Demgegenüber bietet eine Integration aktorischer, sensorischer und mechanischer Eigenschaften in ein multifunktionales Bauteil eine Reduktion der Komplexität und kompaktere Bauweisen. Dazu können multifunktionale Materialien, wie piezoelektrische Keramiken, eingesetzt werden. Piezoelektrische Biegebalken, auch Bimorphe genannt, erfüllen die Anforderungen, die an Aktoren und Sensoren zum Einsatz in aktiven Isolationssystemen gestellt werden. Trotz der möglichen Vorteile sind Isolationsplattformen aus piezoelektrischen Bimorphen bislang nicht Stand von Wissenschaft und Technik. In dieser Arbeit wird die methodische Entwicklung der wesentlichen Komponenten einer funktionsintegrierten Isolationsplattform vorgestellt. Ausgehend vom bekannten V-Modell erfolgt die Entwicklung der Einzelkomponenten in verschiedenen Entwicklungsschritten. Dabei unterstützt eine flexible Simulationsumgebung, die anhand von Detaillierungsebenen an den jeweiligen Entwicklungsschritt angepasst werden kann. Während in der ersten Detaillierungsebene idealisierte Komponenten zur Ermittlung prinzipieller Auslegungsgrößen betrachtet werden, können in der Folge Teilsysteme durch Modelle ausgetauscht werden, die auf analytisch, numerisch oder messtechnisch ermittelten Daten basieren. Als Schwerpunkt dieser Arbeit werden die Entwicklungsschritte des piezoelektrischen Bimorphaktors vorgestellt. Dabei werden die analytische Geometrieoptimierung des Bimorphs und daraus abgeleitete Möglichkeiten für seine konstruktive Umsetzung beschrieben. In der Folge wird gezeigt, wie numerische und messtechnische Daten zur Verifizierung der Auslegungsvorgaben ermittelt werden können. Zur Integration einer höheren Detaillierungsebene des Aktormodells in die Simulationsumgebung wird die passive Aktordynamik als Zustandsraummodell abgebildet und sein Blockierkraftverlauf durch ein IIR-Filter approximiert. Alle dazu benötigten Daten lassen sich numerisch oder messtechnisch ermitteln. Eine reduzierte, aber ähnliche Beschreibung wird auch für einen Bimorphsensor aufgezeigt. Ergänzend wird ein Überblick zur Modellierung einer Aufbaustruktur als idealer Starrkörper und als elastische Struktur gegeben. Bezüglich der Regelung werden die Prinzipien verschiedener zentraler und dezentraler Signalrückführungen vorgestellt. Abschließend wird die Anwendung der Entwicklungsmethodik zum Aufbau einer prototypischen, dreiaxial aktiven Schwingungsisolationsplattform demonstriert und ein Einblick in die Entwicklung einer sechsaxial aktiven Isolationsplattform gegeben. Der Einsatz der vorgestellten funktionsintegrierten Lager ermöglicht neuartige, kompakte Bauweisen, die über die Möglichkeiten des gegenwärtigen Stands der Technik hinausgehen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The analyzing and manufacturing precision of devices working at nano and subnano scale is increasing continuously. For reduction of the influence of environmental vibration, active systems are used, effecting enhanced vibration isolation. Commonly used systems base on separate units as electro dynamic voice coils, structural components, sensors, actuator amplifiers and a controller unit. The integration of multifunctional elements additionally offers a reduction of complexity and a more compact design. Therefore multifunctional materials, as piezoelectric ceramics, can be used. Piezoelectric bending beams, also called bimorphs, fulfill the demands on actuators and sensors used in an active isolation system. Despite possible advantages, isolation devices using piezoelectric bimorphs are not state of the scientific and technical knowledge. In this work, the methodical development of the essential components of a functionally integrated isolation platform is described. Basing on the known V-model, the development steps of single components are presented. Consisting of different detailing levels, a flexible simulation environment supports the design process of the isolation system. In a first detailing level of the simulation environment, idealized components are used in order to investigate principle design parameters. Subsequently, models based on analytical, numerical or measured data are substituted. The description of the single development steps of a piezoelectric bimorph actuator are in the main focus of this work. This includes a parameter optimization procedure, numerical and experimental verification, and possibilities of hardware realization. In order to integrate a higher detailing level of the actuator into the simulation environment, the passive actuator dynamic is represented by a state space model, while its blocking force is approximated by a filter. All required data can be determined numerically or experimentally. A reduced description is also given for a bimorph sensor. Additionally, a survey of the modeling of the mounted device as ridged body and elastic structure is given. Concerning the vibration control, centralized and decentralized control principles are presented. Finally, the applicability of the design methodology is demonstrated in the development process of a three degree of freedom vibration isolation device for sensitive equipment. Furthermore an overview of the development steps of an isolation system with six active degrees of freedom is given. The application of the presented functionally integrated mount enables a novel and compact design, which is beyond the current state of the art. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
16 Department of Mechanical Engineering > Research Group of System Reliability and Machine Acoustics (SzM)
Date Deposited: 26 May 2014 10:05
Last Modified: 06 Jun 2014 08:09
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39542
Referees: Melz, Prof. Tobias and Rinderknecht, Prof. Stephan
Refereed: 17 March 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3954
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