Date post: | 16-Jan-2017 |
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Science |
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© Fraunhofer
Problemstellung
Störende Schwingungen verringern die Präzision photonischer Systeme
Adaptronische Systeme ermöglichen hochwirksame Lösungen durch Integration von
Aktoren
Sensoren
Regelungstechnik
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Anwendungen für die Adaptronik in der Photonik
SOFIA - Im Flugzeug montiertes Teleskop
Aktive Schwingungsisolation für optische Tische (Thorlabs)
• hoch spezialisierte Systeme
• Leistungsfähige Komponenten
Hohe Entwicklungskosten
Teure Komponenten
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Open Adaptronik
Open Source Entwicklungswerkzeuge
Leicht verfügbare Basiskomponenten
Nutzung leicht zugänglicher Fertigungsverfahren
Erschliessung der Adaptronik für breite Anwenderkreise
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Ziele von Open Adaptronik
Ein offenes und leicht umsetzbares System für die Schwingungsmessung und -analyse
Ein Open Source Software-Toolkit zur einfachen, methodischen Systementwicklung
Ein Open Source Hardware-Toolkit für die angepasste, preiswerte Umsetzung adaptronischer Systeme
Eine offene Wissensplattform zur Dokumentation und zum fachlichen Austausch
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Forschungsbereich Adaptronik
Modellbildung und Simulation
Experimentelle Analyse
Design und Prototyping
System- zuverlässigkeit
Regelungs- technik und Systemintegr.
Strukturdynamik und Schwingungs-
technik
Zuv. Signalverar-beitung und Struk-turüberwachung
Aktoren und
Sensoren
Analyse und Beratung
passive, aktive und
adaptive Maßnahmen
…
Regelungs-technik
SHM
Smarte Sensorknoten
und –netze …
Neue Aktoren und Antriebe
Smarte Materialien
Elektroaktive Polymere
…
Betriebsfester und funktionsint.
Leichtbau
Faserverbund-bewertung
Prot. Bauteil-fertigung
Int. aktiver Materialien
…
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Vom Konzept zum Produkt
Neue (Funktions)Materialien, Materialverbünde und smarte Komponenten
Modellbildung, Simulation und Auslegung
Konstruktion, Fertigungstechnologien und Prototyping inkl. Funktionsintegration
Control Engineering und Systemintegration
Systemtest, zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren, Zuverlässigkeit
Unterstützung der Industrie in folgenden Themen
Problemanalyse, Beratung und Produktgestaltung
Systemintegration und Demonstration
Technologietransfer und Weiterbildung
Schwingungstechnik, Überwachung, Vibroakustik, betriebsfester Leichtbau
Systemintegration und Test
Konzeption und Auslegung
Design und Prototyping
Forschungsbereich Adaptronik Portfolio
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Forschungsbereich Adaptronik Arten der Zusammenarbeit
öffentlich finanzierte Projekte
EU, BMWi, BMBF,… TRL 1
TRL 2
TRL 3
TRL 4
TRL 5
TRL 6
TRL 7
TRL 8
TRL 9
Basic Technology Research
Research to Prove Feasibility
Technology Development
Technology Demonstration
System / Subsystem Development
System Test & Operations
Vertragsforschung
Dienstleistungen für die Industrie
Angewandte Forschung
Anwendung bewährter Methoden und Verfahren Strukturanalyse Beratung Fachkräftequalifikation, …
angewandte Forschung bilaterale Kooperation Machbarkeitsstudien …
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Erfahrungen in der Schall- und Schwingungsminderung
Schallminderung Doppelglas-fenster
Aktiver Industrie-schalldämpfer
Aktive Motorlager Schiffbau
Aktive Systeme im Automobilbau
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Arbeitspaket 1: Definition Anwendungsbeispiele, Randbedingungen und Lastenheft
Arbeitspaket 1.1: Definition der Anwendungsbeispiele
Recherche interessanter Beispielanwendungen aus der Literatur
Diskussion potentieller Anwendungen mit den Kooperationspartnern der TU Darmstadt
Priorisierung und Vorabauswahl
Arbeitspaket 1.2: Potentialanalyse der Anwendungsbeispiele
Recherche adaptronischer Lösungen für die gewählten Anwendungsbeispiele
Heuristische Abschätzung der Umsetzbarkeit mit vereinfachten Systemen und Open Source Werkzeugen
Arbeitspaket 1.3: Präzisierte Aufgabenstellung und Lastenheft
Sammlung der Anforderungen an die adaptronischen Systeme
Sammlung von Anforderungen an die Open Source Entwicklungsumgebung
Definition studentischer Anwendungsprojekte
Darstellung der Aufgabenstellungen als Beispiele auf Homepage/ Wissensplattform
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Vorarbeiten
Lagerung optischer Komponenten im Labor
Schwingungsanalyse an einem Helikopter mit Kamerahalterung
Biegemode bei 23 Hz Kamera- position
Rotor- anregung
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Nächste Schritte im Projekt
Review der Vorarbeiten
Workshop zur Findung von Anwendungsbeispielen
Teilnehmer: LBF, Fablab
Zusätzlich: Einsammeln von Ideen (Studenten, Alumni, Maker…)
Ideen aus anderen Open Photonik Projekten (myphotonics?)
Priorisierung
Definition von studentischen Arbeiten
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Arbeitspaket 2: Entwicklung einer offenen Plattform für die Struktur- und Schwingungsanalyse
Arbeitspaket 2.1: Pflichtenheft der Analyseplattform
Gesamtsystemspezifikation entsprechend Anforderungen (AP1.3)
Hardwarespezifikation
Softwarespezifikation
Arbeitspaket 2.2: Prototyping der Datenerfassung und Signalverarbeitung
Recherche und Auswahl nutzbarer Open Source Frameworks (Arduino, IOIO, embed etc.)
Recherche und Auswahl kostengünstiger Sensorik (z.B. MEMS)
Bewertung vorhandener Datenerfassung- und Analysekapazitäten (Notebooks, Tablets, Smartphones, Soundkarten)
Qualifikation der Komponenten
Arbeitspaket 2.3: Entwicklung eines Prototypen
Prototypische Umsetzung von Hard- und Software
Funktionsprüfung und Test
Dokumentation (Schaltpläne, Layouts, Quellcode)
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Vorarbeiten
MEMS Sensoren im generativ gefertigten Gehäuse zur Schwingungsmessung
Datenerfassungsystem auf Basis von uC-Hardware (Arduino, Raspberry PI)
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Nächste Schritte im Projekt
Spezifikation , Auswahl und Qualifikation geeigneter Sensoren im Hinblick auf die Anwendungsbeispiele
Spezifikation , Auswahl und Qualifikation geeigneter SV-Plattformen im Hinblick auf die Anwendungsbeispiele sowie Anbindung an die offene Modellbibliothek
Definition der erforderlichen Analysewerkzeuge, sowie Bwertung und Auswahl geeigneter Plattformen und Softwareframework
Definition und Ausschreibung studentischer Arbeiten
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Arbeitspaket 3: Entwicklung einer offenen Plattform für die Systemauslegung und Modellbildung 3.1 Konzeptionierung der Plattform
Anforderungen speziell für die offene Plattform werden definiert
Open Source Simulationswerkzeuge werden hinsichtlich ihrer Eignung evaluiert
Definition des Umfangs der zu erstellenden Bibliothek, der benötigten Modelle und die Auswahl der geeigneten Simulationswerkzeuge.
Definiton von Schnittstellen zwischen den Programmen
Das geplante Vorgehen wird mittels eines einfachen Beispiels erprobt
3.2 Erstellung eines Analysetools zur Bewertung von Messdaten
Erstellung eines Analysetools
Vorgehen zur Auswahl möglicher schwingungsreduzierender Maßnahmen wird erarbeitet und dokumentiert
3.3 Aufbau Werkzeugkasten für fortgeschrittene Anwender
Erstellung quelloffener und leicht nutzbarer Modell- und Komponentenbibliotheken
Verknüpfung verschiedener Simulationswerkzeuge
3.4 Aufbau Werkzeugkasten für Einsteiger (1.5 PM)
Der Werkzeugkasten aus 3.3 wird stark vereinfacht: Ablauf auf der Projektwebsite
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Erstellung von kommerziellen Matlab Toolboxen zur Simulation aktiver Systeme
Eigene Simulationsmethotik integriert
Bietet Unternehmen die Möglichkeit aktive Systeme effizient auszulegen
Angebotene Toolboxen
Structure and Vibration Toolbox
Ansys®-Matlab® Interface Toolbox®
Smart Structures Toolbox
Weitere Informationen :
www.mechanical-simulation.de
Vorarbeiten: Mechanical Simulation in Matlab
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Vorarbeiten: Aktordesign mit dem Open Source Tool FEMM
Die ermittelten Aktorparameter können unkompliziert in weitere Simulationsumgebungen übertragen werden.
Stromdurchflos- sener Leiter
Magnet
Feldlinien- führung →
F→
I→
BAktormodell im Halbschnitt
Modellbildung von kommerziell verfügbaren Aktoren
Tauchspulenaktor VM4032-315
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Nächste Schritte im Projekt
Aufbereitung der gesammelten Liste mit Open Source Werkzeugen
Definition von Benchmark-Beispielen
Evaluierung ausgewählter Tools gegen kommerzielle Werkzeuge
Qualität des Ergebnisses
Handling
Öffentliche Dokumentation als Tutorial / Whitepaper
Definition studentischer Arbeiten
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Arbeitspaket 4: Entwicklung eines offenen Werkzeugkastens für die Umsetzung von adaptronischen Systemen
4.1 Recherche
Recherche handelsüblicher Komponenten (z.B. Aktoren und Verstärker aus dem Audio-Bereich, Signalverarbeitung) zur Realisierung adaptronischer Komponenten
Benutzung der Sensorik aus AP 2
Dokumentation geeigneter Komponenten und Darstellung der Einsatzbereiche sowie Vor- und Nachteile auf der Wissensplattform (AP5)
4.2 Anpassung der Aktorik und passiver Komponenten
Benötigten Komponenten (aktiv und passiv) festlegen.
Anpassung eines leicht erhältlichen Aktorsystems an adaptronische Anwendungen
Mechanischer Entwurf der passiven Komponenten (z.B. Federn, Dämpfer)
Anpassung an mögliche Fertigungsverfahren, welche leicht und preiswert zugänglich sind: (Beratung durch das FabLab, AP 4U).
Fertigung, Aufbau und Erprobung der Komponenten
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Arbeitspaket 4: Entwicklung eines offenen Werkzeugkastens für die Umsetzung von adaptronischen Systemen
4.3 Regelungstechnik und Signalverarbeitung
Auswahl einer Signalverarbeitungsplattform z.B. Arduino/ Raspberry PI
Implementierung der Algorithmen aus der offenen Plattform
Funktionstests vor der Erprobung in AP6
4.4 Zusammenstellung des Werkzeugkastens
Sammlung der gefundenen Lösungen
Prüfung der Kompatibilität der Komponenten untereinander
Erarbeitung von Vorschlägen für die Skalierung der passiven und aktorischen Komponenten als Basis für die Anpassung an spezifische Probleme durch die Nutzer
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Vorarbeiten
Prototyping von Schwingungstilgern mit generativ gefertigten Komponenten
50 100 150 200 250 300-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
-35
Frequenz [Hz]
FRF
[dB
| 1m
/s/N
]
Summenfrequenzgang Geschwindigkeit/Kraft
ohne Tilgermit Tilger (innen)
1
2
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Vorarbeiten
Realisierung von Leistungselektronik mit preiswerter Audio-Hardware
Realisierung digitaler Regelungstechnik für Active Noise Control mit Arduino und Low Cost 32bit uC
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Nächste Schritte im Projekt
Review der Vorarbeiten
Evtl. direkte Übernahme in die Wissensplattform
Recherche weiterer Lösungen (Literatur, Studenten)
Definition einer Auswahl von Komponenten
Aufbau, Evaluierung gegen Laborhardware (Studentische Arbeiten)
Dokumentation auf der Wissensplattform
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Arbeitspaket 5: Dokumentation und Erstellung einer offenen Wissensplattform
AP 5.1 Strukturierung und Auswahl geeigneter Tools für Wissensplattform
Definition der Anforderungen an die Wissensplattform
Recherche und Evaluierung von geeigneten offenen Tools zur Zusammenarbeit des Projektteams untereinander und mit Nutzern aus der Öffentlichkeit
Strukturierung der Plattformen zum Wissenstransfer
AP 5.2 Projekthomepage
Aufbau und Einrichtung einer Projekthomepage (z.B. www.openadaptronik.de)
Fortlaufende Dokumentation des Projektverlaufs und -ergebnisse über Website
Möglichkeit der gemeinsamen und gegenseitigen Verbesserung von Komponenten und Systemen durch die Anwender
Bürgerbeteiligung über Diskussionsforum, Gästebuch und Kontaktseite
dokumentierter Bereich für den Download versionierter Distributionen des Toolkits bzw. von Komponenten
Verlinkung aller projektrelevanten Webseiten und Onlinetools zur Zusammenarbeit
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Arbeitspaket 5: Dokumentation und Erstellung einer offenen Wissensplattform
AP 5.3 Wissensplattform
In der Wissensplattform werden das erarbeitete Know How sowie Baupläne und Tutorials offen zugänglich gemacht.
Die Wissenplattform soll Technik-Laien befähigen schnell und erfolgreich neue Anwendungen realisieren zu können und fortgeschrittenen Anwendern (z.B. aus dem universitären Umfeld oder kmU) die Möglichkeit bieten eigene Inhalte beizusteuern.
Ergebnisse aus der Komponentenentwicklung (AP2-4) und der Anwendung und Evaluierung (AP6) anhand der Beispielanwendungen aus der Photonik werden gesammelt, aufbereitet und veröffentlicht.
Die Dokumentation des methodischen Entwicklungsprozesses dient dabei auch der Wissensvermittlung und kann weitere Entwicklungen von außerhalb des Projekts anstoßen.
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Stand der Arbeiten: Projekthomepage
Reservierte Internetadressen:
www.openadaptronik.de
www.openadaptronik.com
Nutzung des Open Source Content-Management-Systems Joomla
Geplante Vernetzung mit
de.wikipedia.org/wiki/Adaptronik
www.adaptronik.fraunhofer.de
…
OpenAdaptronik Blog:
http://blog.fraunhofer.de/Openadaptronik
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Stand der Arbeiten: Wissensplattform
Erstellung einer Wissensplattform in der Fraunhofer Wikifarm
OpenAdaptronik Wiki: http://s.fhg.de/openadaptronik
Frei Zugänglich und wird mit Blog verknüpft
Späterer Umzug auf Projekthomepage geplant
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Nächste Schritte im Projekt: Verbreitung
Definition von Standards für Dokumentation
Quellcodes, Baupläne, Berichte
Definition eines geeigneten Lizenzmodells für die Veröffentlichung
Nutzung von GitHub zum Austausch über Source Code :
https://github.com/OpenAdaptronik
Beteiligung an Maker Faire Berlin (30.09-02.10)
Vernetzung mit der Makerszene im RheinMain Gebiet
Auswahl einer geeigneten offenen Kollaborationsplattform zur Dokumentation
Teilnahme MakerSpace@Fraunhofer (20.04)?