2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16043Die systematische Entwicklung sensorintegrierender Maschinenelemente (SiME), insbesondere unter Berücksichtigung des stark limitierten Bauraums, eines effizienten Datenmanagements und eines autarken Energiehaushalts, stellt eine wesentliche Herausforderung im Bereich der mechatronischen Entwicklung dar, die aktuell methodisch nicht ausreichend unterstützt wird. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, am Beispiel von Befestigungs- und Bewegungsschrauben einen modellbasierten mikroelektronischen Modulbaukasten zur systematischen Entwicklung von Sensorsystemen in SiME zu konzipieren und zu testen, um anwendungsfallspezifisch Sensorsysteme aus Elektronikmodulen konfigurieren und vorauslegen zu können. Dies soll durch die dafür notwendige Kollaboration zwischen den unterschiedlichen Bereichen Mechanik, (Mikro-) Elektronik, Software sowie Konstruktionsmethodik erreicht werden.Zu Beginn werden mechanische, elektrische und geometrische Anforderungen an Sensorsysteme in sensorintegrierenden Befestigungs- und Bewegungsschrauben identifiziert. Diese werden als Grundlage für den modellbasierten Modulbaukasten in ein Anforderungsmodell in der Modellierungssprache SysML implementiert. Nachfolgend werden die zur Erfüllung der Anforderungen notwendigen Produkteigenschaften ermittelt. Anschließend werden verfügbare mikroelektronische Komponenten identifiziert, hinsichtlich ihrer Eigenschaften analysiert und es wird eine geeignete Struktur für deren Klassifizierung erarbeitet. Die Komponenten werden im SysML-Modell mit den zugehörigen Abhängigkeiten und den notwendigen Parametern für die Konfiguration und Vorauslegung als mikroelektronischer Modulbaukasten modelliert. Diese Art der Modellierung ermöglicht das Hinterlegen von unterschiedlichen Datenelementen und erlaubt eine einfache Konsistenzprüfung bei nachträglichen Anpassungen sowie die Erweiterung des Modulbaukastens. Wird die Baukastenstruktur in ein geeignetes Konfigurationssystem übertragen, so erlaubt dieses die anwendungsfallspezifische Kombination von Modulvarianten und eine Konfiguration unterschiedlicher Lösungsalternativen für Sensorsysteme in SiME. Diese erfolgt unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen aus der Messaufgabe und den individuellen Einsatz- und Randbedingungen des Maschinenelements. Die Systemkonfiguration und -vorauslegung erfolgt anhand von drei neu zu definierenden Grundstrategien: daten-, energie- oder bauraumoptimiert. Zwei Sensorsysteme werden exemplarisch für eine prototypische Umsetzung in Form von Demonstratoren ausgewählt. Für eine initiale Verifizierung des Modulbaukastens und des Konfigurationssystems werden die prototypisch realisierten Sensorsystem Demonstratoren in jeweils eine Befestigungs- und eine Bewegungsschraube integriert. Die realisierten SiME-Prototypen werden abschließend in statischen und dynamischen Tests experimentell untersucht, um einen Abgleich zwischen den gemessenen und prognostizierten Signalen und Einsatzgrenzen der Sensorsysteme zu ermöglichen.The systematic development of sensor-integrating machine elements (SiME), in particular taking into account the severely limited installation space, efficient data management and a self-sufficient energy budget, represents a significant challenge in the field of mechatronic development that is currently not sufficiently supported methodologically. The aim of this project is to design and test a model-based microelectronic modular system for the systematic development of sensor systems in SiME, using the example of fixing and motion screws, in order to be able to configure and predefine application-specific sensor systems from electronic modules. This is to be achieved through the necessary collaboration between the different areas of mechanics, (micro-) electronics, software and design methodology.At the beginning, mechanical, electrical and geometrical requirements for sensor systems in sensor-integrating fixing and motion screws are identified. These are implemented in a requirements model in the modelling language SysML as the basis for the model-based microelectronic modular system. Subsequently, the product characteristics necessary to fulfil the requirements are determined. Available microelectronic components are subsequently identified, analysed with regard to their properties and a suitable structure for their classification is developed. The components are modelled in SysML with the associated dependencies and the necessary parameters for configuration and predesign as a microelectronic modular system. This type of modelling makes it possible to store different types of data elements and allows a simple consistency check in the case of later adjustments as well as the extension of the microelectronic modular system. If the modular structure is transferred to a suitable configuration system, it allows the application-specific combination of module variants and the configuration of different solution alternatives for sensor systems in SiME. This is done taking into account the respective requirements from the measurement task and the individual application and boundary conditions of the machine element. The system configuration and design is based on three newly defined basic strategies: optimised for data-, energy- or installation space. Two sensor systems are selected as examples for prototypical implementation in the form of demonstrators. For an initial verification of the model based modular system and the configuration system, the prototypically realised sensor system demonstrators will each be integrated into a fixing and a motion screw. Finally, the realised SiME prototypes will be experimentally examined in static and dynamic tests to enable a comparison between the measured and predicted signals and application limits of the sensor systems.