Das automatische Erstellen einer Fahrbahn ist eine wichtige Voraussetzung für verschiedene Anwendungen der Robotik, wie z. B. autonome Fahrzeuge oder fahrerlose Transportsysteme. In dieser Arbeit werden verschiedene bekannte Verfahren der Bahnplanung vorgestellt und miteinander verglichen. Die Berücksichtigung mechanischer Zwangsbedingungen ist dabei ein Schwerpunkt der Betrachtungen. Anschließend wird die konkrete Implementierung eines abtastbasierten Verfahrens beschrieben und der Einfluss verschiedener Parameter auf dessen Funktionalität untersucht. Der Planungsalgorithmus wird außerdem um die Möglichkeit einer dynamischen Umplanung der aktuellen Bahn erweitert. Zahlreiche Simulationen belegen, dass das umgesetzte Verfahren auch komplexe Bahnplanungsprobleme unter verschiedenen Bedingungen in vergleichsweise kurzer Zeit lösen kann. Schwächen zeigen sich vor allem bei sehr engen Manövrierräumen und extrem dynamischen Umgebungen. / Automatic path planning is an important prerequisite for various applications in robotics, such as autonomous vehicles or automatic guided vehicle systems. In this thesis, different approaches for path planning are presented. The methods are compared and evaluated, especially considering their ability to handle differential constraints. Then, the concrete implementation of a sampling-based approach using motion primitives is explained. This algorithm is finally expanded to allow dynamic replanning in reaction of unexpected environmental changes. In numerous simulations, the implemented method proves its ability to solve path planning problems under a variety of conditions in a relatively short amount of time. It is only in extremely narrow spaces and highly dynamic environments when the approach fails to generate a solution.

Für die Beschreibung der formativen Verfestigung wird das viskoplastische Materialmodell nach Chaboche/Rousselier durch eine nichtquadratische Fließfunktion erweitert. Diese wird durch die Verallgemeinerung der Gleichung der Pascalschen Schnecke auf den Raum der effektiven Deviatorspannungen erhalten. Der Nachweis der thermodynamischen Konsistenz des modifizierten Materialmodells wird erbracht. Die Modellierung der Ausrichtung der Fließfläche beim Wechsel der Belastungsrichtung oder einer fortgesetzten inelastischen Beanspruchung erfolgt auf der Basis experimenteller Beobachtungen. Wie die durchgeführten Berechnungsbeispiele belegen, können mit dem erweiterten Material-modell Experimente zur stationären zyklischen Beanspruchung, insbesondere auch die formativen Veränderungen der Fließfläche bei proportionalen und nichtproportionalen Belastungen, gut wiedergegeben werden. / For the description of the distortional hardening the viscoplastic material model according to Chaboche/Rousselier is extended by a non-quadratic yield function. This function is obtained by the generalisation of the equation of Pascal’s snail on the space of the effective deviatoric stresses. The verification of the thermodynamical consistency of the modified model is provided. The reorientation of the yield surface, which is observed experimentally in case of a change of a loading direction or a continued inelastic load, has been modelled. The examples demonstrate, that the experiments concerning stationary cyclic behaviour are well approximated, particularly with regard to the distortional hardening of the yield surface during proportional and non-proportional load.

Die Beschreibung von Oberflächeneigenschaften erfolgt durch Parameter, die die Funktion von Bauteilen oder Prozesseigenschaften für die Herstellung abbilden. Dabei können die gesamte geometrische Gestalt und/oder Teile der Oberfläche von Bedeutung sein. Die Dissertation stellt eine neue ganzheitliche Methode für die Bewertung von Oberflächen bis in den Nanometerbereich vor. Ausgehend von der Betrachtung der Oberfläche als geometrische Struktur ergeben sich Konsequenzen für die vollständige Erfassung mit Tastschnittgeräten. Neue Messbedingungen, die Reduzierung von Störeinflüssen und Veränderungen an den Messgeräten sind für die Erfassung bis in den Nanometerbereich notwendig. Eine ganzheitliche Bewertung von geometrischen Strukturen erfordert ein System mit dem alle Bestandteile auf die gleiche Art und Weise unabhängig von der Dimension betrachtet werden können. Hierfür bietet ein neues Einhüllendes System eine Strategie, mit der durch Trennung der Oberflächenbestandteile mit morphologischen Filtern einhüllende Oberflächen entstehen.

Eine der wichtigsten Eigenschaften einer Werkzeugmaschine ist ihre Dynamik. Agilere Maschinen benötigen weniger Zeit für den Bearbeitungsprozess und verursachen damit geringere Stückkosten. Maschinen, die große Bauteile bearbeiten sollen, müssen jedoch selbst auch groß sein. Aufgrund des 2. Newtonschen Gesetzes (F=m*a) implizieren schwerere Maschinenstrukturen geringere Beschleunigungen bei konstanten Antriebskräften. Durch überlagerte Kinematiken ist es möglich, Werkzeuge in großen Arbeitsbereichen hochdynamisch zu bewegen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Konzepten und den daraus resultierenden Algorithmen, um die Bewegung für die redundanten Achsen zu zerlegen. Ziel der Dissertation ist es, Algorithmen und Konzepte zur Bewegungszerlegung für redundante Achsen zu entwickeln und in Bezug auf Praxistauglichkeit und Realisierbarkeit in aktuellen Steuerungen vergleichend zu evaluieren. / One of the most important features of machine tools is its dynamics. Fast machines mean less time for the working process and lower running costs. However, a machine tool for working on large workpieces, has to be big, too. Because of the Newton's 2nd axiom (F=m*a), heavy structures imply low accelerations to keep the driving force constant. This doctoral thesis refers to an approach using more drives than the applied degrees of freedom, which means redundancy. In this way, it is possible to build up hierarchical drive structures with different dynamics and specialized tasks. For example, small, lightweight 5DOF structures can be supported by additional large, heavy machine structures. Long travels are done by the large machine structure and high acceleration and jerk are provided by the small unit. Several algorithms have been developed and evaluated to split a trajectory for a machine tool with hierarchical drive structures.

Forscher des Sächsischen Textilforschungsinstitutes und der Professur Fördertechnik haben gemeinsam mit der Industrie ein neues Zugmittel für den Stückguttransport entwickelt. Dieses Zugmittel basiert auf einem gewirkten Seil, in welches in definierten Abständen Stahlbolzen eingearbeitet sind. Zur Aufnahme des Fördergutes und zum Gleiten in einem Führungssystem werden auf die Bolzen Tragplatten aus Kunststoff geschnappt. Der Antrieb des Zugmittels erfolgt formschlüssig an den in einer definierten Teilung integrierten Bolzen. Das neue Zugmittel zeichnet sich durch eine erhöhte Kurvengängigkeit und Festigkeit aus.

Zur Gewährleistung der Funktionalität sind antriebstechnische Zahnriemen mit einer bestimmten Vorspannung zu beaufschlagen. An der Professur Fördertechnik der Technischen Universität Chemnitz wurde gemeinsam mit der Ebert Kettenspanntechnik GmbH Schkeuditz ein neuartiges Spannelement für Zahnriemengetriebe entwickelt. Es handelt sich um einen elastischen Ring, der platzsparend zwischen den Riementrumen angeordnet wird. Die durch die Ringgeometrie und das Kunststoffmaterial beeinflussbare Spannkraft wird dabei sicher und zielgerichtet auf beide Trume übertragen. Das unter dem Markennamen „ROLL-RING“® angebotene Spann- und Dämpfungselement funktioniert drehrichtungsunabhängig, ist einfach und schnell zu montieren und problemlos austausch- oder nachrüstbar. Besonders hervorzuheben ist das charakteristische, getriebeschonende Spannkraftverhalten. Zudem trägt der ROLL RING® effektiv zur Dämpfung von konstruktions- oder belastungsbedingten Schwingungen bei.

In Produktionsanlagen mit radial gekoppelten Rotoren wie beispielsweise Papier- und Druckmaschinen treten im höheren Drehzahlbereich störende Schwingungen auf. Der Entstehungsmechanismus der Schwingungen ist im nichtlinearen Verhalten der Kontaktstelle in enger Abstimmung mit der elastischen Lagerung der Walzen zu suchen. In dieser Arbeit wird aus maschinendynamischer Perspektive eine systematische Zusammenstellung von Rotormodellen entwickelt. Durch die Auswahl eines geeigneten Kontaktpartners wird das Modell vervollständigt. So kann ein Minimalmodell zur Untersuchung von Schwingungsphänomenen entwickelt werden. Fokussiert auf die Beschreibung der Koppelstelle werden geeignete Kontaktmodelle abgeleitet und vereinfachend betrachtet. Ein zur Unterstützung der theoretischen Analyse entworfener Versuchsstand diente zur Durchführung zahlreicher Versuche, die Parameterwerte für die Berechnungsmodelle lieferten und Schwingungsphänomene belegten. Die beschriebenen Modelle werden zur abstrahierenden numerischen Untersuchung ausgebaut und genutzt. / Paper- and printing machines contain radially coupled rolls. Vibrational phenomena has been experienced at higher rotational speeds. The mechanisms leading to these vibrations are to be found in a nonlinear contact behavior between the roller pairs. A systematic approach to modelling of rolls has been developed from a dynamics point of view. Selecting an appropriate contacting roll model, the roller pair model has been completed. The so obtained minimum model is best situated to work out the influence of selected parameters on the dynamical behavior. With the focus set on the coupling of the rolls a simplified contact model is developed. Experimental data are obtained from a testing rig in support of the theoretical analyses. Parameter values have been calculated from experimental results. As a conclusion, the simulation models show the vibrational phenomena observed at the test rig.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Überblick über aktuelle Entwicklungen beim Einsatz von Leichtmetallen im Leichtbau gegeben und dabei vor allem die Bedeutung der Werkstoffe Aluminium, Magnesium und Titan herausgestrichen. Dabei wird ersichtlich, welche Bedeutung Guss- und Knetlegierungen im Einzelnen zukommt und wie sich durch neue Erkenntnisse bei der Werkstoffbehandlung neue Strategien für Konstruktion und Fertigung ergeben. Eine sehr wesentliche Rolle für die optimale Nutzung der Werkstoffeigenschaften spielen die Fügeverfahren. Optimierte Werkstoffe mit neuen Eigenschaftsprofilen erfordern angepasste Fügeverfahren, um mit den Fügestellen keine Schwachpunkte in der Konstruktion zu schaffen. Nicht zuletzt soll die Arbeit durch die Zusammenfassung und Gegenüberstellung aktueller Forschungsergebnisse und des Standes von Forschung und Technik zu neuen Ideen im Sinne des Leichtbaus anregen.

Die Wissensarbeit erfährt derzeit einen signifikanten Wandel: Virtuelle Kooperation, mobiles Arbeiten, Web 2.0 und Social Media sind nicht mehr nur Schlagworte sondern werden Teil der modernen Arbeitswelt. Wie gelingt es, herkömmliche Organisationen in die Arbeitswelten 4.0 zu führen und traditionelle geistige Tätigkeiten in Wissensarbeit 4.0 zu wandeln? Nur selten ist das Ursache-Wirkungs-Prinzip geklärt, wenn neue Organisations- und Unterstützungskonzepte für Wissensarbeiter gestaltet werden; noch zu häufig werden die Wissensarbeiter ohne genaue arbeitsorganisatorische Konzeption und Planung einem Versuchs-und-Irrtums-Prinzip ausgesetzt, wodurch die Potenziale für innovative und produktivitätsförderliche Arbeitsweisen nicht ausgeschöpft werden. Im Workshop „Wissensarbeit 4.0“ wird daher der Frage nachgegangen, welche Elemente innovative Arbeitswelten ausmachen, wie eine Transformation der Organisationen erreicht werden kann und welche Themen zukünftig relevant sind.

Steigende Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen sind nicht mehr allein durch die Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens zu erfüllen. Die Simulation des thermischen Verhaltens kann bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung entscheidende Hinweise zur Gestaltung des Maschinenentwurfes geben. Die Arbeit beschreibt die Methodik und Umsetzung eines Simulationswerkzeuges aufbauend auf Programmen der Finite-Elemente-Analyse. Neben der Modellierung von Antriebs- und Gestellkomponenten wird auf deren Kopplung eingegangen. Thermische Lasten durch Hauptantrieb, Nebenantrieb und Zerspanungsprozess werden dargestellt. Mit der Berücksichtigung konvektiver Randbedingungen als funktionaler Zusammenhang wird die Genauigkeit der Simulation gesteigert. Möglichkeiten zur Abbildung von Aufstellbedingungen und Temperaturschwankungen der Umgebung werden aufgezeigt. Hinweise zur Einbindung von thermischen Kompensationsmaßnahmen runden das Konzept ab. Anhand eines Demonstrators werden der theoretische und praktische Nachweis der Funktionsfähigkeit erbracht. / Simulation of the thermal behavior of cutting machine tools during the conceptual stage Greater demands in the accuracy of machine tools can no longer be achieved by improved static and dynamic functions alone. The simulation of thermal behavior can provide essential information for the machine’s design concept at the earliest stages of product development. This thesis describes methodology and implementation of a simulation tool, based on software utilizing finite element analysis. In addition to the modeling of drives and base components, the work focuses on coupling different sub-components. Heat sources of the main drive, feed drives and cutting process are described. Greater accuracy is obtained by the implementation of convection as a functional process in the simulation. Methods of implementing working area conditions and temperature deviations in the environment are illustrated. Finally, steps for incorporation of a thermal compensation mechanism are included to complete the concept. The workflow applied to a demonstration structure validates the theoretical background and demonstrates the functionality of the thesis. / Моделирование температурных характеристик металлорежущих станков на этапе разработки В настоящее время растущие требования к точности металлорежущих станков обеспечиваются не только улучшением их статических и динамических параметров. Моделирование температурных характеристик на ранних стадиях проектирования может задать определяющее направление для всего процесса разработки и производства металлорежущего станка. Данная работа описывает методику и реализацию средств симуляции, основанных на программе анализа конечных элементов. Кроме моделирования звеньев привода и неподвижных звеньев станка на них также наложены связи. Показаны температурные воздействия от главного и вспомогательного приводов, а также непосредственно от самого процесса резания. Введение учета конвекционных граничных условий как функциональной связи улучшает точность моделирования. Представлены способы для отображения начальных условий и температурных изменений среды. Концепцию завершают указания для учета термокомпенсаций. Изложены доказательства теоретической и практической применимости.