Ein Beitrag zur geometrischen Gestaltung und Optimierung prismatischer Festkörpergelenke in nachgiebigen Koppelmechanismen

Linß, Sebastian GND

Wesentlicher Aspekt bei der Synthese eines nachgiebigen Koppelmechanismus ist die geometrische Gestaltung und Optimierung der prismatischen Festkörpergelenke hinsichtlich geforderter Mechanismuseigenschaften. In der vorliegenden Arbeit erfolgt eine ganzheitliche, d. h. vom Einzelgelenk auf den Mechanismus übertragbare Untersuchung unter Berücksichtigung der Drehachsenverlagerung. Es wird eine allgemein anwendbare Synthesemethode nachgiebiger Mechanismen abgeleitet, die ausgehend vom Starrkörpermechanismus eine gezielte Gestaltung sowie beschleunigte FEM-basierte Optimierung ermöglicht. Hiermit lassen sich der Bewegungsbereich vergrößern und die Bahngenauigkeit erhöhen. Die Besonderheit der Synthesemethode besteht in der Verwendung identischer oder unterschiedlicher Festkörpergelenke mit Standard- oder Polynomkonturen. Hierfür werden grundlegende Hinweise sowie drei neue Ansätze zur Bestimmung der geometrischen Gelenkparameter mittels Umsetzungstabelle, Kurventafel oder computergestützter Konturoptimierung vorgestellt. Das Potenzial der Synthesemethode für die Präzisionstechnik wird an einer Schubkurbel zur Realisierung einer Punktgeradführung aufgezeigt.

For the realization of high precise motion, often compliant mechanisms are used instead of rigid-body mechanisms. In these solid-state mechanisms, the flexibility is achieved by material coherent revolute joints. In compliant linkage mechanisms, mostly prismatic flexure hinges with basic cut-out geometries are used. In contrast to form- and force-closed joints the angular deflection of flexure hinges is limited. Thus, the motion range of the mechanism is limited too. In addition, no exact relative rotation of two rigid links is possible with a flexure hinge, as always a shift of its axis of rotation occurs. In turn, this leads to path deviations of the compliant mechanism compared to the rigid-body mechanism. Regarding the required mechanism properties, the step of the geometric design of the prismatic flexure hinges is a key aspect in the synthesis of a compliant linkage mechanism, which is investigated in this thesis. Hence, a holistic consideration is carried out, which can be transferred from a hinge to a mechanism. For the investigation of a single flexure hinge a suitable approach for modeling the rotational axis is crucial. After this, the multi-criteria optimization of the hinge contour is investigated for a single hinge and in the mechanism. Based on known rigid-body replacement approaches, this thesis presents a general method for the synthesis of compliant linkage mechanisms. The synthesis method allows a specific design and accelerated FEM-based optimization with identical or different hinges. This can be used to increase the motion range and to improve the path accuracy. The contribution of the synthesis method results due to the consideration of the design of the prismatic flexure hinges with standard or polynomial contours. For this, basic hints and three new approaches for determining the geometric parameters of the hinge contour and dimensions using a look-up table, nomogram or computer-aided contour optimization are proposed. Such designed mechanisms are particularly suitable for use in precision engineering. The potential of the synthesis method is exemplified for a compliant slider-crank mechanism for realizing a rectilinear guiding of a coupler point.

Zur Realisierung von Bewegungen mit hohen Anforderungen an die Präzision werden Starrkörpermechanismen zunehmend durch nachgiebige Mechanismen ersetzt, in denen die Beweglichkeit durch stoffgekoppelte Drehgelenke realisiert wird. In diesen nachgiebigen Koppelmechanismen kommen überwiegend prismatische Festkörpergelenke mit einfachen geometrischen Aussparungen zum Einsatz. Im Gegensatz zu form- und kraftgekoppelten Gelenken ist der Auslenkwinkel eines Festkörpergelenkes begrenzt, wodurch der Bewegungsbereich des Mechanismus eingeschränkt wird. Zudem lässt sich mit einem Festkörpergelenk keine exakte relative Drehung zweier starrer Glieder realisieren, da grundsätzlich eine Drehachsenverlagerung stattfindet. Dadurch ergeben sich Bahnabweichungen des nachgiebigen Mechanismus im Vergleich zum Starrkörpermechanismus. Wesentlicher Aspekt bei der Synthese eines nachgiebigen Koppelmechanismus ist die in dieser Arbeit untersuchte Phase der geometrischen Gestaltung und Optimierung der prismatischen Festkörpergelenke hinsichtlich geforderter Mechanismuseigenschaften. Hierzu erfolgt eine ganzheitliche, d. h. vom Gelenk auf den Mechanismus übertragbare Betrachtung. Für die durchgeführte Untersuchung von Einzelgelenken ist ein geeigneter Ansatz zur Drehachsenmodellierung von entscheidender Bedeutung. Die anschließende mehrkriterielle Optimierung der Gelenkkontur findet für ein Einzelgelenk und im Mechanismus statt. Als Ergebnis der Arbeit wird eine allgemein anwendbare Synthesemethode nachgiebiger Koppelmechanismen abgeleitet, die ausgehend vom Starrkörpermechanismus eine gezielte Gestaltung sowie beschleunigte FEM-basierte Optimierung mit identischen oder unterschiedlichen Gelenken ermöglicht. Hiermit lassen sich der Bewegungsbereich vergrößern und die Bahngenauigkeit erhöhen. Die Besonderheit der Synthesemethode besteht in der Berücksichtigung der Gestaltung prismatischer Festkörpergelenke mit Standard- oder Polynomkonturen. Hierfür werden grundlegende Hinweise sowie drei neue Ansätze zur Bestimmung der geometrischen Parameter der Gelenkkontur und -abmessungen mittels Umsetzungstabelle, Kurventafel oder computergestützter Konturoptimierung vorgestellt. Auf diese Weise gestaltete Mechanismen eignen sich besonders für die Präzisionstechnik. Das Potenzial der Synthesemethode wird am Beispiel einer nachgiebigen Schubkurbel zur Realisierung einer Punktgeradführung aufgezeigt.

Zitieren

Zitierform:

Linß, Sebastian: Ein Beitrag zur geometrischen Gestaltung und Optimierung prismatischer Festkörpergelenke in nachgiebigen Koppelmechanismen. Ilmenau 2015. Universitätsverlag Ilmenau.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export