Rapperswil, 19. April HELVETING Engineering AG Dr.-Ing. Karl Vielhaber

«Präzisions-Positionierung in der Medizintechnik» Symposium für virtuelle Produktentwicklung

Rapperswil, 19. April 2012

HELVETING Engineering AG Dr.-Ing. Karl Vielhaber

HELVETING ist ein Schweizer Ingenieurunternehmen

St. Gallen Neuenhof Bern Hünenberg ZG


Die HELVETING AG gehört zur Gruppe HESS FRANCE. Diese Dachorganisation zählt 6

Firmen mit Dienstleistungs- & Produktionsstandorten in der Schweiz und in Frankreich.
HELVETING ist 1982 als Hess-Beratungen gegründet worden – sie ist zu 100% in

Familienbesitz und hat in der Schweiz vier Standorte -1-

HELVETING – kurz und bündig HELVETING bietet interdisziplinäre Ingenieursdienstleistungen
HELVETING - mehr als 100 Ingenieure aus den Disziplinen:

Maschinenbau, Elektrotechnik/Elektronik und Informationstechnologie (IT)
Wir bieten Entwicklungsleistungen, Projektmanagement,

Qualitäts- & Technologiemanagement und Technische Beratung
Wir entwickeln Produkte und Prozesse von der Idee über

Funktionsmuster bis zur industriellen Verwertung
Wir setzen Schwerpunkte in den Branchen:

Medizin- & Mikrotechnik, Maschinen- und Anlagenbau, Consumer-Produkte
Ihr Vorteil ist unsere Fachkompetenz, Qualität,

Effizienz und Transparenz

-2-

Projektbeispiel: Präzisions-Positioniersystem in der Medizintechnik

Roll

Anforderungen und Randbedingungen für ein 2-Achsen Winkel-Positioniersystem
Winkelverstellbereich > ± 3.5º
Positionierunsicherheit 5/1000º (85 µrad)
Wiederholpräzision 1/1000º (17 µrad)

Pitch


Winkelgeschwindigkeit > 1º / s
Traglast bis 1000 kg
max. 50 kg Eigengewicht
max.120 mm Bauhöhe
Integration in Gesamtsystem

-3-

Als Konzept für die zentrale Lagerung setzte sich ein massives Kreuzgelenk durch Kreuzgelenk

Eigenschaften Konzept Kreuzgelenk
Hohe Steifigkeit bei kompakter Bauweise
Direkte Messung des Winkels – hohe

Grundgenauigkeit
Einfache Fertigung und Montage

Alternatives Konzept: Bogenführung Winkelencoder


Drehpunkt ausserhalb des

Positioniertischs möglich - wählbar über Radius

Bogenführung


Linearencoder bieten bei dem gegebenen

Bauraum eine höhere Auflösung

Linearencoder -4-

Der Winkel wird durch einen Standardantrieb über einen Keil eingestellt Keilantrieb

Kniehebelantrieb


Vorteil Keilantrieb: Winkelunabhängige Last
Die Motoren können kleiner dimensioniert werden, damit wird Gewicht gespart -5-

Layout und Kinematik des Gesamtsystems

-6-

Für die Systemgenauigkeit ist die Steifigkeit des Kreuzgelenks massgeblich

Winkelencoder

Verifikation der FEA durch Tests

-7-

Z-Moment

Vorgehen zur belastungsgerechten Auslegung des Kreuzgelenks (1) Definition der Koordinatensysteme

Definition der Lagersteifigkeiten

-8-

Vorgehen zur belastungsgerechten Auslegung des Kreuzgelenks (2) Kontaktdefinition

Vernetzung

-9-

Vorgehen zur belastungsgerechten Auslegung des Kreuzgelenks (3) Fixieren des Systems

Definition der Freiheitsgrade

- 10 -

Vorgehen zur belastungsgerechten Auslegung des Kreuzgelenks (4) Aufbringen der Schraubenvorspannkräfte

Aufbringen der äusseren Last

- 11 -

Vorgehen zur belastungsgerechten Auslegung des Kreuzgelenks (5) Auswertung der Berechnungsergebnisse und Optimierung der Geometrie und des Materials

- 12 -

Anschliessend wird die Gesamtmasse reduziert, um die Spezifikationen einzuhalten Ausgangssituation

Prototyp


70 kg: das sind 20 kg über den


47 kg

Spezifikationen


Einhausung Mechanik separat von


Präzision ungenügend,

Kreuzgelenk nicht ausreichend steif

Elektronik
Einsatz von Gussteilen

Kreuzgelenk: Stahlguss, Keil: Aluminiumguss
Abdeckungen Alu-Leichbau

(Superplastisch geformt)

- 13 -

Auch die Hard- und Software zur Winkelregelung wurde mit virtuellen Entwicklungstools entwickelt
Gleichzeitige Regelung zweier

verschränkter Achsen - beide Motoren wirken auf beide Encoder
Bewegungen von Pitch und Roll sind für

die Bahnsteuerung in jedem Moment der Bewegung synchron Boards Controller Board


Mehrere aufeinander gesteckte Prints in

abgesetztem Gehäuseteil, passiv gekühlt
Verteilprint für kürzestmögliche

Anbindung aller Aktoren und Sensoren
Treiberboard versorgt Endstufen /

Antriebskomponenten
Controllerboard: FPGA zur Regelung des

Systems, Schnittstelle zur Steuerung von aussen

Treiberboard - 14 -

Tests zur Verifikation der Systemeigenschaften wurden mit ultrapräzisen Universalmessgeräten durchgeführt Verifikation der Systemspezifikationen
Referenzmessungen unter voller Last mit

Lasertracker
Positionierabweichung besser 0.004º
Wiederholpräzision besser 0.0008º
Hohe Steifigkeit Source Name

Source Pt (x)

Source Pt (y)

Source Pt (z)

Destination Pt (x)

Destination Destination Pt (y) Pt (z)

Distance

P1 -meas-

-23.404072 16.779884 1183.589866

-23.402643

16.780071 1183.591223 0.001980

P3 -meas-

-23.820011 19.473410

183.332878

-23.818780

19.473202

183.330911 0.002330

P2 -meas-

-23.542529 17.575419

682.773398

-23.541137

17.574991

682.772041 0.001991

P4 -meas- -523.142535 30.407631

158.673049 -523.144258

30.407864

158.671812 0.002134

P5 -meas- 476.594148 12.349052

160.253602 476.591819

12.349268

160.256806 0.003967

- 15 -

Das Positioniersystem steht unmittelbar vor der Markteinführung


HELVETING hat die Auftrags-Entwicklung von der Idee über die Machbarkeitsbewertung

bis zur Industrialisierung durchgeführt und die Zulassungsdokumentation für Europa und die USA erstellt - 16 -

Weitere Projektbeispiele

Crash-Simulation an Schutzhelmen Schwingungsunterdrückung an grossen Lüftern

- 17 -

Optimierung der Strömungsgeometrie eines Solar-Reaktors

HEP – unser zertifizierter Entwicklungsprozess Projektmanagement mit Methode

Verkauf 0

Definition

1

Konzeption

2

Realisierung

3

Verifikation & Validierung

4

Industrialisierung

HELVETING Engineering Prozess (HEP) Professionelle Projektabwicklung nach ISO 9001 und 13485 – unser systematisches, objektorientiertes Projektmanagement nach HEP führt zum Erfolg.

- 18 -

5

Formen der Zusammenarbeit mit HELVETING Entwicklungsdienstleistung
Als Dienstleister entwickeln wir technische Lösungen von der

Idee bis zur industriellen Herstellung


Als Generalunternehmer übernehmen wir die Verantwortung

für Ihre Projekte

Technische Beratung
Projektmanagement, Technologiemanagement,

Innovationsmanagement, Wirtschaftlichkeitsbewertungen


Qualitätsmanagement, Qualitätssicherung, Produkt- und

Prozess-Optimierung


Zertifizierungen und Produktzulassungen

Expertenmandate
Das geforderte Fachwissen mit der nötigen Kapazität zur

richtigen Zeit

- 19 -

HELVETING Engineering AG [email protected] www.helveting.com Niederlassung Neuenhof Industriestrasse 7 CH-5432 Neuenhof Tel +41 56 204 20 70 Fax +41 56 204 20 71

Herzlichen Dank!

Niederlassung Bern Morgenstrasse 129 CH-3018 Bern Tel. +41 31 348 60 50 Fax +41 31 348 60 51 Niederlassung Uzwil Bahnhofstrasse 108 CH-9240 Uzwil Tel +41 71 955 64 30 Fax +41 71 955 64 31

- 20 -