Ingenieurbüro für Elektrotechnik

Interessante Hintergründe zu verschiedenen Projekten:

Warum ist eine genaue Regelung von Hydraulikzylindern mit Slip-Stick-Effekt so schwierig?

Der Slip-Stick-Effekt entsteht durch Reibungseffekte: Hydraulikzylinder müssen sehr gut abgedichtet sein, damit kein Hydrauliköl ausfliesst. Diese Dichtung erzeugt Haftreibung am Zylinderkolben. Wenn der Kolben also ausfahren soll, dann muss der Öldruck erst soweit ansteigen, daß die Haftreibung überwunden wird. Der nun sich bewegende Kolben erfährt eine Gleitreibung an der Dichtfläche, die aber viel geringer ist als die Haftreibung. Infolge des nun zu hohen Öldrucks, macht der Kolben einen Sprung von 2mm (in unserem Fall). Infolge des nun vergrößerten Ölraumes sinkt der Öldruck unter den Wert, der die Haftreibung zu überwinden vermag, und der Kolben steht wieder still. Dieses Spiel wiederholt sich in Millisekunden. Infolge dessen "rüttelt" der Kolben und seine Position ist nur auf 2mm genau. Wir konnten durch einen speziellen Regelungsalgorythmus die Sprungweite des Kolbens von 2mm auf unter einen halben Millimeter begrenzen.

Warum braucht es eine Temperatur-Genauigkeit von 0,05°C bei einem Schwimmbecken?

Wir hatten die Herausforderung zu meistern, in einem Schwimmbecken, welches für Therapiezwecke genutzt wird, die Temperaturregelung zu realisieren. In diesem Becken kommt man durch die angewandte Therapiemethode in eine so tiefe körperliche Entspannung, daß alle Muskeln loslassen. In einer so kompletten Entspannung produziert der Körper so gut wie keine Eigenwärme mehr. Darum spürt die Haut jede kleinste Temperaturänderung, und zwar im Bereich von unter einem Zehntel Grad. Eine Temperarur auf 0,1° genau einzuhalten, bedeutet aber eine maximale Abweichung von +/-0,05° für die Regelung. Die Schwierigkeit dabei sind die Störfaktoren: Wasser verdunstet und kühlt ab, Wellen laufen an den kälteren Beckeneinfassungen entlang und kühlen sich ab, einströmendes warmes Wasser zur Temperaturerhöhung bildet Wärmeinseln. Hinzu kommt, daß die Laufzeit des einströmenden warmen Wassers von der Heizung bis zum Temperatursensor, auch Totzeit genannt, für Schwimmbecken im Bereich von 10-30 Minuten liegt. Die Regelung wärmt das Wasser aber auf, bis die Solltemperatur erreicht ist und schaltet dan wieder ab. Durch die große Totzeit "merkt" aber die Heizung die Temperaturerhöhung erst, wenn die Temperatur am Eingang schon viel zu hoch ist. Dies alles erzeugt so starke Schwankungen der Temperatur, das es in unserem Fall die Therapiemethode ad absurdum führt. Als Lösung haben wir eine spezielle Anordnung der Heizung aus Grundheizung und Booster realisiert. Weiterhin haben wir einen speziellen (vorausschauenden) Algorythmus entwickelt, um den Einfluß der Totzeit zu minimieren. Und zuletzt wurde die Wirkung der Regelung mit Hilfe eines YX-Schreibers über längere Zeit aufgezeichnet. So konnten Parameterwirkungen genau verifiziert und präzise eingestellt werden. Das Ergebnis ist eine Sprungantwort von unter zwei 2 Minuten und eine Regelabweichung von der Solltemperatur unter +/-0,05°C.

Die Brillen-Beschichungsmaschine.

Wenn Sie beim Optiker Gläser für Ihre Brille kaufen, dann bestellt der Optiker die Gläser beim Hersteller. Dieser hat in seinem Lager eine Vielzahl an sogenannten Rohlingen, die wie kleine flache Zylinder aussehen. Auf der einen flachen Seite des Zylinders ist bereits der fertige Schliff aufgebracht mit allen Nuancen wie Dioptrien, Zentrierung, Astigmatismus-Korrektur, etc. Der Hersteller fräst dann mit einer Maschine die restlichen zwei Flächen des Zylinders genau nach Vorgaben des Optikers. Das erste Problem dabei: Die Gläser kommen in Kunststoffschalen aus dem Lager. Die Schalen haben 1-2mm hohe Stege am Boden und die Gläser liegen irgendwo auf der Bodenfläche. On Top: Die Gläser sind meist unterschiedlich für linkes und rechtes Auge und dürfen nicht verwechselt werden. Außerdem haben sie oft nur eine Höhe von etwa 5mm oder weniger. Wie also greift man so etwas? Das zweite Problem: Ein Zylinder hat nur drei Flächen und wenn ich zwei gleichzeitig bearbeiten will, muss ich das Brillenglas an der schon fertigen Seite anfassen und maschinen-geeignet fixieren. Das Fixieren geschieht über das Aufschmelzen eines sogenannten Fräskonus, den die Maschine dann kraftschlüssig packen kann. Der Fräskonus selbst ist aus niedrigschmelzendem Metall mit einer Schmelztemperatur von ca. 65°C. Aber all das auf der fertigen Brillenseite ohne die zu beschädigen?? Für beide Problemstellungen gab es bis dahin keine Automatisierungsmöglichkeit. Deshalb haben wir für unseren Auftraggeber folgende Lösungen entwickelt: Um das Brillenglas in der Schale sauber zu greifen, haben wir einen kleinen elastischen Greifer mit Spinnenarmen konstruiert, der das Glas sanft greift und es dann zentriert. So konnten wir zu 100% fehlerfrei die Gläser aus den Schalen heben und wieder korrekt zurücklegen. Um das Brillenglas vor einer Beschädigung zu schützen, haben wir eine Kunststoff-Folie gefunden, die mit einem Klebstoff beschichtet ist, und die Folie auf das Glas geklebt. Die Folie und der Kleber haben die besondere Eigenschaft sich im alkalischen Wasserbad vollständig und rückstandsfrei aufzulösen, z.B. in einer Spülmittel-Lösung. Für die Fixierung zum Fräsen wird dann der Fräskonuns auf die Folie aufgeschmolzen. Die Folie auf dem Brillenglas darf aber keine noch so kleine eingeschlossene Luftblase haben, weil die Kräfte bei der Bearbeitung dann die Folie herunterreissen würden. Also haben wir das zu bearbeitende Brillenglas ins Vakuum befördert, dort die Folie aufgebracht und beschnitten. Anschliessend hat unser Spinnengreifer die Gläser wieder in Ihre Schale zurückgelegt und unsere Maschine befördert die Schale zur nächsten Station. Dadurch konnten wir den Produktionsschritt erstens überhaupt automatisieren und zudem aufs Vielfache beschleunigen.