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Abstract in German:
Die Verwendung elektrischer Aktoren in nachgiebigen Präzisionsmechanismen kann unerwünschte Nebeneffekte hervorrufen. Durch die Notwendigkeit der externen Energiezufuhr wird etwa die Verwendung von Kabeln erforderlich und es wird Wärme eingetragen. Um diese Auswirkungen zu verringern, muss die externe Energiezufuhr minimiert werden. Dies kann durch den Einsatz eines mechanischen Antriebssystems ermöglicht werden. Derartige Antriebe nutzen mechanische Energiespeicher. Durch die Freigabe der gespeicherten potentiellen Energie kann die erforderliche Energiezufuhr eines Aktors reduziert werden. In einem konkreten Fall wird ein Mechanismus gesucht, der es ermöglicht, Lasten von bis zu 400 g mit möglichst geringer Energiezufuhr über ± 1 mm in vertikaler Richtung zu verschieben. In der Literatur ist der entsprechende Mechanismentyp als Konstantkraftmechanismus bekannt. Der Mechanismus wird mit der bewährten Starrkörpersubstitutionsmethode synthetisiert. Zunächst werden die Entwurfsvariablen geeigneter Starrkörperstrukturen bestimmt. Aufgrund der Komplexität der Variablenabstimmung wird ein genetischer Optimierungsalgorithmus entwickelt, um den Syntheseprozess als Optimierungsproblem zu lösen. Infolge seiner Effizienz wird der Algorithmus auch für die anschließende Gestaltsynthese eingesetzt. Hier werden die Starrkörperstrukturen in nachgiebige Strukturen umgewandelt. Dies geschieht mithilfe von Beschreibungen für nachgiebige Kerbgelenke, basierend auf nichtlinearen Differentialgleichungen. Aus den synthetisierten Bestandteilen werden mehrere Lösungsvorschläge zusammengestellt. Die Qualität der Ergebnisse wird diskutiert. Es wird klar, dass das verwendete Pseudo-Starrkörpermodell Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Modellierung von Gelenken mit konzentrierter Nachgiebigkeit aufweist. Mit einem Modell, das die Verschiebung der Gelenkdrehachse berücksichtigt, können die Ergebnisse zu einem späteren Zeitpunkt genauer an die Ergebnisse eines vollständig nachgiebigen FE-Modells angenähert werden. Außerdem wird die Verwendung eines solchen verbesserten Modells für die Struktursynthese mit dem Optimierungsalgorithmus vorgeschlagen.
Abstract in English:
The use of electric actuators in compliant precision mechanisms can cause undesirable side effects. For example, the need for an external energy supply means that cables have to be used and that heat is introduced. To reduce such effects, the supply of external energy must be minimised. This can be achieved by using a mechanical drive system. Such drives utilise mechanical energy storage. By releasing the stored potential energy, the required energy supply of an actuator can be reduced. For a specific case, a mechanism is being sought that can compensate for a mass of up to 400 g over a range of ± 1 mm. In literature, the relevant type of mechanism is known as the constant force mechanism. The mechanism is synthesised using the well-established rigid body replacement method. First, the design variables of suitable rigid body structures are determined. Due to the complexity of the variable tuning, a genetic optimisation algorithm is developed to solve the synthesis process as an optimisation problem. Due to its efficiency, the algorithm is also used for the subsequent shape synthesis. Here, the rigid body structures are converted into compliant structures. This is done with the help of descriptions for compliant notch joints based on non-linear differential equations. The synthesised components are used to compile several proposed solutions whose quality is discussed. It becomes clear that the pseudo-rigid body model used has potential for improvement with regard to the modelling of joints with concentrated compliance. With a model that considers the displacement of the rotational axis of the joint, the results could be approximated more closely to the results of a fully compliant FE model at a later stage. The use of such an improved model for structural synthesis with the optimisation algorithm is also proposed.