Adjustment of the relative position of compliant joints within a monolithic mechanism

Abstract

The sensitivity of electromagnetic force compensated weighing cells can be enhanced by adjusting the relative distance between two specific joints in its mechanism. However, owing to the difficulties of the adjustment of the flexure hinge position in the compliant mechanism, this adjustment option has not yet been realized. In this scientific thesis, an adjustment device was developed. This adjustment device can be integrated into an EMFC weighing cell and allows adjustments while the balance is in operation. To this end, the guideline VDI 2221 was applied in the design process to develop possible concept solutions. The most suitable option was selected by a technical-economic analysis. The technical realization of the selected solution concept was elaborated based on design guidelines and model equations. The adjustment device was designed to work under a tensile force of up to 15 N. A finite element analysis was performed to evaluate the operation of the adjustment device. This analysis demonstrates the feasibility of the device to shift the flexure hinge within a displacement range of 6 mm. The numerical analysis reveals an angular deflection up to 7.2 arcsec perpendicular to the rotational axis of the adjusted joint. Based on the original model, geometry variations of certain components were investigated to identify optimization possibilities. It was found that the angular distortion can be diminished by a more symmetric setup, especially concerning the linear guide.

Die Empfindlichkeit von elektromagnetisch kraftkompensierten Wägezellen kann durch die Justierung des relativen abstands zwischen zwei spezifischen Festkörpergelenken erhöht werden. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Justierung der Festkörpergelenkposition im nachgiebigen Mechanismus ist diese Justiermöglichkeit jedoch noch nicht realisiert. In dieser Masterarbeit wurde ein eine Justiereinrichtung entwickelt. Diese Justiereinrichtung kann in eine EMFC-Wägezelle integriert werden und ermöglicht eine Justierung während des Betriebs der Waage. Zu diesem Zweck wurde im Entwicklungsprozess die Richtlinie VDI 2221 angewendet, um mögliche Konzeptlösungen zu entwickeln. Die geeignetste Option wurde durch eine technisch-ökonomische Analyse ausgewählt. Die technische Realisierung des ausgewählten Lösungskonzepts wurde auf der Grundlage von Designrichtlinien und Modellgleichungen erarbeitet. Die Justiereinrichtung wurde so konzipiert, dass sie unter einer Zugkraft von bis zu 15 N arbeitet. Eine Finite-Elemente-Analyse wurde durchgeführt, um den Funktion der Justiereinrichtung zu bewerten. Diese Analyse demonstriert die Möglichkeit des Gerätes, das Festkörpergelenk in einen Verschiebungsbereich von 6 mm zu verschieben. Die numerische Analyse zeigt eine Winkelauslenkung bis 7.2 arcsec senkrecht zur Drehachse des justierten Gelenks. Basierend auf dem Originalmodell wurden Geometrievariationen bestimmter Komponenten untersucht, um Optimierungsmöglichkeiten zu identifizieren. Es wurde festgestellt, dass die Winkelverzerrung durch einen symmetrischeren Aufbau, insbesondere hinsichtlich der Linearführung, verringert werden kann.