Absolventenbuch 2007 - Berner Fachhochschule Technik und

Transcription

Berner Fachhochschule
Haute école spécialisée bernoise
Technik und Informatik
Technique et informatique
2007
Diplomarbeiten|Travaux de diplôme
«Veränderung bedeutet Flexibilität
und Bereitschaft, neue Routen zu finden.»
Thomas Frey, Accountmanager Netze
Wir gehen die Veränderungen in der Energiebranche proaktiv an. Es gilt, eine Reihe von herausfordernden und anspruchsvollen Projekten zu bewältigen. Dafür sind wir auf leistungsbereite und
weiterbildungshungrige Mitarbeiter angewiesen. Dies in unterschiedlichsten Berufen. Von den
Ingenieurwissenschaften über die verschiedensten Disziplinen der Betriebs- und Rechtswissenschaften bis hin zur Mathematik.
Im Gegenzug bieten wir faire und fortschrittliche Arbeitsbedingungen. Unsere Mitarbeitenden
erhalten den nötigen Spielraum für Eigeninitiative und aktive Mitgestaltung. Die BKW ist eine Arbeitgeberin, die ihre Angestellten konsequent fördert und ihnen viele Entwicklungsmöglichkeiten bietet.
Verschaffen Sie sich einen ersten Eindruck unter www.bkw-fmb.ch
oder schreiben Sie uns auf [email protected]
In diesem Buch stellen wir die
faszinierenden
Diplomarbeiten
der Berner Fachhochschule für
Technik und Informatik des Jah
res 2007 in kompakter Form vor.
Viele dieser Arbeiten entstanden
in enger Zusammenarbeit mit der
Industrie. Dieses Vorgehen garan
tiert der Hochschule Praxisbezug,
den Studierenden Kontakte zu ihrer Branche und zu
künftigen Arbeitgebern und der Wirtschaft Unterstüt
zung durch kompetente Partner an der Hochschule.
Die Arbeiten sind einerseits Abschluss eines heraus
fordernden Ingenieursstudiums und ein Meilenstein im
Leben dieser jungen Menschen und ihrer Familien. An
dererseits sind sie Startpunkt zu einer Ingenieurskarriere
in unserer Volkswirtschaft. Damit beginnen diese be
gabten und engagierten Menschen, einen wertvollen
Beitrag an unsere Gesellschaft zu leisten und Verant
wortung für eine nachhaltige Entwicklung zu überneh
men.
Die Ingenieurskunst spielt in unserer Gesellschaft eine
zunehmend wichtige Rolle bei der Innovationsförde
rung und leistet damit einen wesentlichen Beitrag für
die globale Konkurrenzfähigkeit der Schweiz.
Lassen Sie sich von diesen Ideen und Prototypen
begeistern und geben Sie diesen jungen Ingenieuren
Mut und Unterstützung, damit die besten Arbeiten den
Weg in die industrielle Umsetzung finden.
Ich hoffe, dass der Funke der Faszination beim Durch
blättern der Broschüre auf möglichst viele junge Leute
übergreift, die sich noch nicht definitiv für eine Studien
richtung entschieden haben. Ein Ingenieurstudium
führt mit Sicherheit zu interessanten und spannenden
Berufsfeldern und eröffnet reelle Chancen für einen er
folgreichen beruflichen Karriereweg.
Unsere Aufgabe ist es, die jungen Ingenieurinnen und
Ingenieure so auszubilden und auf ihren verantwor
tungsvollen Beruf vorzubereiten, dass wir den techno
logischen Herausforderungen der Zukunft getrost ent
gegensehen können.
Nous présentons, dans ce Book, un condensé pas
sionnant des travaux de diplômes de la Haute école
spécialisée bernoise – Technique et informatique de
l’année 2007. Une grande partie de ces travaux résul
tent de notre collaboration avec l’industrie.
Cette manière de faire garantit à notre Haute école le
lien avec la pratique, à nos étudiantes et étudiants un
savoir approfondi et des relations avec de potentiels
futurs employeurs et à l’industrie la collaboration avec
des partenaires HES.
Si ces travaux sont la conclusion d’études d’ingénieurs
motivantes et marquent une étape importante dans la
vie de ces jeunes et de leurs familles, ils représentent
également le point de départ d’une carrière d’ingénieur
dans notre économie nationale. Ces diplômées et di
plômés compétents et engagés apportent un soutien
précieux à notre société et assument avec sérieux leurs
responsabilités pour un développement durable.
Dans notre société en pleine croissance, l’art de l’in
génieur joue un rôle important pour la promotion de
l’innovation et contribue à la compétitivité de la Suisse.
Laissez-vous enthousiasmer par ces travaux et encou
ragez et soutenez ces jeunes ingénieures et ingénieurs
afin que les meilleures idées puissent être produites
dans l’industrie.
J’espère qu’en parcourant ce Book, un très grand
nombre de jeunes qui n’ont pas encore pris de décision
quant à leurs futures études, seront gagnés par l’étin
celle de l’ingénierie. Les études d’ingénieurs ouvrent,
assurément, des champs d’activités passionnants et
comportent une chance réelle d’entreprendre une car
rière professionnelle réussie.
Notre devoir est d’offrir une excellente formation aux
jeunes ingénieures et ingénieurs et de les préparer à
affronter les défis technologiques de leur profession
avec responsabilité afin que nous puissions tous aller
au-devant de l’avenir avec confiance.
Im November 2007
Lukas Rohr
Direktor BFH-TI
Berner Fachhochschule - Technik und Informatik
http://www.ti.bfh.ch
Traduction réalisée par Gabriella Scorrano
Novembre 2007
Lukas Rohr
Directeur HESB-TI
Haute école spécialisée bernoise - Technique et informatique
1
Diplomarbeiten 2007
Travaux de diplôme 2007
Berner Fachochschule - Technik und Informatik
Infoline :
e-mail :
Homepage :
0848 48 49 50
[email protected]
www.ti.bfh.ch
Konzept, Produktionsleitung und Layout :
Concept, direction du projet et réalisation :
[email protected]
Sponsoring und Inserate / Sponsoring et annonces :
[email protected]
Und ohne sie wäre das Book 2007 nicht entstanden :
Et sans eux, le Book 2007 n’aurait pas vu le jour :
Christine Beerli
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Ein Dank an alle Fachbereichsleiter :
Un remerciement aux doyens de sections :
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
I
V
M
E
V
F
Ein besonderer Dank an alle DiplomandInnen und an alle DiplombetreuerInnen.
Un remerciement chaleureux aux diplômé-e-s ainsi qu‘a ux directrices et directeurs de projets.
Giampaolo Possagno
Ein herzliches Dankeschön geht an unsere Inserenten : Seite
Page
Un chaleureux remerciement à nos annonceurs :
BKW FMB Energie AG, 3000 Bern
Bystronic Laser AG, 3362 Niederoenz
RUAG Electronics, 3000 Bern
Sputnik Engineering AG, 2502 Biel-Bienne
Selectron Systems AG, 3250 Lyss
Elca, 3000 Bern
Wystar AG, 3000 Bern
ALSTOM, 5401 Baden
EnDes Engineering Partner AG, 4703 Kestenholz
Müller Martini, 4800 Zofingen
Cendres & Métaux SA, 2501 Biel-Bienne
Stryker Osteosynthesis, 2545 Selzach
Hy-Tech AG, 2555 Brügg
2
Cover 2
Cover 3
Cover 4
37
65
99
117
133
141
157
175
193
197
www.bkw-fmb.ch
www.bystronic.com
www.ruag.com
www.solarmax.com
www.selectron.ch
www.elca.ch
www.wystar.ch
www.alstom.com
www.endes.ch
www.mullermartini.com
www.cmsa.ch
www.osteosynthesis.stryker.com
www.hytech.com
InhaltSeite
Liste der Diplomandinnen und Diplomanden (Reihenfolge nach Fachbereich)
4-
7
Automobiltechnik
8 - 33
Elektro- und Kommunikationstechnik
34 - 85
Informatik
86 - 125
Maschinentechnik
126 - 167
Mikrotechnik
168 - 200
Die Diplomandinnen und Diplomanden sind je Fachbereich in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt. Bei Teams
bestimmt die alphabetische Position des ersten Teammitglieds die Einordnung im Absolventenbuch.
Table des matièrespages
Liste des diplômées et des diplômés par section
4-
Automobile
8 - Electricité et systèmes de communication
34 - Informatique
86 - Mécanique
126 - Microtechnique
168 - 7
33
85
125
167
200
Les diplômé-e-s sont présenté-e-s dans l'ordre alphabétique par section. Lorsqu'il s'agit d'un team, c'est le nom
de la personne dont la première lettre est le plus près du début de l'alphabet qui détermine la position du team
dans la brochure.
Beispiel
Exemple
BE
BI
BU
Bern
Biel-Bienne Burgdorf
VA
Ort, wo die Diplomarbeit ausgestellt wird.
Lieu où le travail de diplôme est exposé.
Vauffelin
Titel der Arbeit / Titre du projet
Fach - Branche / Professor - Professeur / in Zusammenarbeit mit … - en collaboration avec …
Vorname Name
Prénom Nom
Geburtsjahr
Année de naissance
Telefon
Téléphone personnel
E-Mail
E-mail
3
Book
2007
4
xxxxxxxx
Diplomarbeiten 2007
Travaux
de diplôme 2007
Fach
/ Prof ...............................................
Experte .....................................................
Liste des diplômées et des diplômés par section
Automobiltechnik – Technique automobile
Aebischer Beat
Ammann Reto
Arnold Stephan
Aschwanden Fabian
Bachofer David
Ballestraz Gilles
Biedert Andi
Blanc André
Brassel Michael
Bürgisser Lukas
De Fazio Andreas
8
9
10
11
12
13
19
14
15
16
17
Fankhauser Philip
Gianotti Marco
Giobellina Martial
Grin David
Hilfiker Thomas
Hons Markus
Iseli Felix
Lathion Vincent
Pellascio Simone
Rebsamen Patrick
Richner Didier
18
14
19
20
17
21
22
13
23
24
12
Riesen Sebastian
Rochat Mikaël
Schlaeppi Florent
Schmidt Christian
Schmucki Roland
Schüpbach Christoph
Schütz Konrad
Sturny Benedikt
Tulipani Sandra
Zeller Mischa
25
26
27
26
28
29
10
30
31
32
Elektro- und Kommunikationstechnik – Électricité et systèmes de communication
Aebi Stefan
Beck Marc-André
Blaser Kurt
Christ Michael
Egloff Dominique
Feuz Sascha
Frei Bruno
Gäumann Martin
Gautschi Ramon
Geiler Rinaldo
Gerber Matthias
Granito Flavio
Grossenbacher Peter
Habegger Mathias
Hachen Marc
Hanselmann Marc
Holzwarth Dominique
Isenschmid Dominic
Jordi Florian
Känel Fabian
Kaufmann Reto
Kilic Michael
34
35
36
41
42
43
44
45
46
85
48
49
50
51
39
52
53
39
54
55
51
56
Kohler Lukas
Kopp Thomas
Kundert Jens
Lauper Alexander
Ledermann Martin
Marbot Raphael
Märki Basil
Meier Adrian
Meier Thomas
Meyer Marcel
Moor Jürg
Müller Andreas
Mürner Marc
Ochsenbein Christian
Pfäffli Andreas
Portmann René
Reber Thomas
Riemer Steven
Rochat Stany
Romano Giuliano
Sawicki Benjamin
Schärf Philipp
46
57
58
59
60
61
62
64
63
66
59
55
44
67
68
69
70
71
72
85
55
73
Schenk Dominic
Schläppi Christian
Schmid Mario
Schnegg Sandro
Schöni Ulrich
Schori Stefan
Schütz Andri
Spirig Marco
Steffen Pascal
Steiner Martin
Tschudi Jonas
von Waldkirch Bernhard
Vuilleumier Jean-Pascal
Wenger Hans Ulrich
Wicki Florian
Wiedmer Stefan
Wingeier Markus
Wittmer Jörg
Wyss Marco
Zbinden Peter
Zink Stephan
Zivkovic Nebojsa
50
66
53
43
74
40
75
76
63
77
78
68
49
79
80
81
81
82
67
83
84
38
5
Diplomarbeiten 2007
Liste des diplôméés et des diplômés par section
Informatik – Informatique
Aeby Adrian
Arn Stefan
Bachmeier Werner
Balmer Stephan
Berger Muriel
Beyeler Christian
Boesch Gregor
Bourquin Timothée
Bovet Pascal
Burgener Sandro
Burri Thomas
Canobbio Stefan
Champion Florian
Creus Daniel
Di Blasi Fabio
Di Tomaso Fabiano
Dröscher Andreas
Fankhauser Simon
Fasciati Claudio
Ferreira César
Fiechter Sebastian Frey Maurus
Galeuchet Jérôme
Garcia Manuel 6
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
90
96
97
96
87
98
100
101
95
97
102
101
98
107
Gasser Cinzia
Gerber Martin Gisler Cyrill
Glauser Reto
Haldimann Cinthya Haldimann Fabian Hauzaree Nicolas
Hegner Christian
Heimberg Markus Hofacker Stephan
Järmann Kurt
Käser Daniel
Krebs Silvan Peter
Kuhn Philipp
Liechti Olivier
Loacker Mirjam
Lüthi Walter Andreas
Müller Benjamin
Mumenthaler Peter
Mürner Michel
Obi Simon
Pfister Christof
Rawyler Thomas
Reginster Cédric
103
104
88
105
106
107
93
108
109
87
110
111
102
93
94
90
95
112
113
114
115
111
112
108
Rieder Matthias
Rodriguez Martin
Rohrbach Cédric
Rossel Grégory
Rüedlinger Matthias
Schaller Christoph
Schaller Philip
Scheidegger Samuel
Schmid Romed
Stähli Bernhard
Stauffer Marcel Steck Florian
Steinhauer Benjamin
Stettler Marco
Strahm Lars
Thommen Olivier
Uhlmann Philipp
Urben Michel
Weber Marc-André
Weber Raphael
Wiget Martin
Wüthrich Hannes Zaugg Lukas
Zesiger Claudio
116
118
116
97
119
120
100
88
113
103
121
122
123
108
124
120
119
110
101
114
86
121
104
114
Diplomarbeiten 2007
Liste des diplôméés et des diplômés par section
Maschinentechnik – Mécanique
Affolter Michael
Andrijanic Simo
Balsiger Frank
Belletti Marco
Bergström-Gigon Anne
Bolli Tilo Marco
Bosshard Thomas Urs
Bracher Karin
Brüngger Stefan
Calli Cihan
Diggelmann Simon
Dummermuth Andreas
Ebener Matthias
126
127
128
129
130
132
131
134
135
136
137
138
139
Eberlin Christian
Frei Matthias
Gfeller Timotheus
Jaeggi Boris
Jost Fabian
Kiener Martin
Kronig Florian
Mallow Daniel
Matter Heinrich
Mauderli Gregor
Maurer Andreas
Messerli Beat
Muralt Martin
140
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
Renner Johannes
Schwab Marco
Spring Simon-Ulrich
Streit Micha
Studer Marc
Trachsel Stefan
Tschanz Andreas
Uehlinger Marcel
Wälti Roland
Weber Markus
Wittwer Adrian
Zoller Roman
155
156
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
Schüpbach Andrea Stadler Mathias
Stirnimann Patrik Stöckli André Stoll Daniel
von Niederhäusern Tim Wenger Thomas
Widmer Daniel
Zwicky Daniel
191
192
194
195
173
196
198
199
200
Mikro- und Medizintechnik – Microtechnique et génie médical
Aeschbacher Yann
Amrein Roman
Barendregt Matthias
Brawand Daniel
Brodard Audrey Däpp Alexander
Décosterd Cédric Do Rego Henrique Eggimann Christian Egli Roman
Graf Mathias
168
169
170
171
172
173
174
176
177
178
179
Haefner Tobias
Liniger Simon
Meister Dominic
Rubi Barbara
Rüfenacht Marius
Rüfli Sophie
Sans Marc-Antoine
Sarbach Matthias
Schaffer Simon
Schläfli Thomas
Schlup Fabien http://www.ti.bfh.ch
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
7
BI
Automobiltechnik
Technique automobile
Kombi-Anhänger für die Landwirtschaft
Konstruktion / Prof. Hans-Ulrich Feldmann
Experten: Sebastian Tobler, Hans-Jörg Gisler
Anhänger sind in der Landwirtschaft tagtäglich im Einsatz um Transporte von individuellen Materialien
zu ermöglichen.
Der in dieser Diplomarbeit zu konstruierende Anhänger soll für verschiedene Transportgüter
kombinierbar sein. Die häufigsten Transportgüter des Kunden sind Quader-, Rund- und Siloballen.
Aber auch ein Hoflader muss transportiert werden können. Es soll auch die Möglichkeit bestehen
später einen Viehaufbau aufzusetzen. Die Konstruktion muss nach VTS und StVZO erfolgen und eine
Einlösung auf 40 km/h ermöglichen.
Beat Aebischer
1982
079 796 52 53
[email protected]
Die Grundlage dieser Arbeit ist ein
Anhänger, der unter meiner Mithilfe
im ersten Studienjahr hergestellt
wurde. Damals wurde die ganze
Konstruktion ohne Berechnung
hergestellt. Der Wunsch des Kun
den ist nun einen grösseren, ver
hältnismässig leichteren Anhänger
zu besitzen, der somit eine grösse
re Nutzlast aufweist. Der Preis soll
20’000 SFr nicht übersteigen.
Die zu Beginn der Diplomarbeit
erstellte Marktanalyse zeigt, dass
momentan ein grosser Bedarf an
Anhängern vorhanden ist.
In Absprache mit dem Auftragge
ber wird eine Anforderungsliste
erstellt, welche in Kombination mit
den gesetzlichen Vorgaben die
Rahmenbedingungen vorgibt. Mit
tels Lösungssuche und Auswer
tung wurde ein Konzept gefunden,
welches einerseits den Preis und
andererseits die Bedürfnisse des
Kunden deckt.
Es wird eine statische Berechnung
durchgeführt, um die Längs- und
Querträger zu dimensionieren. Bei
Profilen, wo Gewicht eingespart
werden soll, wird zusätzlich eine
Anhänger in Fahrposition
Anhänger im gekippten Zustand
8
FEM-Analyse durchgeführt, um die
Sicherheit zu garantieren.
Der Konstruktionsentwurf dient
als Grundlage für die Diskussion
mit dem Auftraggeber. Nach dem
Gutheissen des Kunden, können die
Konstruktionszeichnungen erstellt
und die Produktion in Angriff ge
nommen werden. In Zusammen
arbeit mit einer Firma, die La
ser- und Abkantprodukte herstellt,
können die speziellen Seitenprofile
angefertigt werden.
Die Achs-, Reifen-, Feder-, Kupp
lungs-, Hydraulik- und Beleuch
tungskomponenten sind vom be
stehenden Markt ausgewählt und
bestellt worden. Die Konstruktion
kann realisiert werden. Eine am
Schluss zu erstellende Gefahren
analyse soll aufzeigen, welche Vor
sichtsmassnahmen zu treffen sind,
um Unfälle zu vermeiden.
Zur Diplompräsentation soll der An
hänger als Prototyp bereitstehen.
Dem Transport von individuellen
Materialien durch den Kunden steht
nichts mehr im Wege.
BI
Konstruktion Kettenfahrwerk
Automobiltechnik
Konstruktion / Prof. Hans-Ulrich Feldmann / Digger DTR
In über 70 Ländern sind Menschen von der Minenplage betroffen. Dabei wird alle 30 Minuten eine
Person durch eine Mine verstümmelt oder getötet. Das sind jährlich 20000 Opfer, die direkt betroffen
sind und zusätzlich eine zehnfache Millionensumme von indirekt Betroffenen. Seit 1998 ist Digger
DTR auf die Entwicklung von Hilfsmitteln zur Minenräumung spezialisiert. Ihr Ziel ist es, den Minenräumequipen passende Lösungen anzubieten, damit sie effizient und sicher arbeiten können.
Mit der Entwicklung eines neuen Fahrwerkkonzepts für eine Kettenmaschine soll im Rahmen dieser
Diplomarbeit der Grundstein für einen neuen Maschinentyp gelegt werden. Dabei muss die
Konstruktion den durch die erschwerten Einsatzbedingungen hervorgerufenen Rahmenbedingungen
gerecht werden.
Entwicklung
Die Digger Foundation entwickelte in
Zusammenarbeit mit Minenräumern
eine Kettenmaschine, welche neben
dem Roden von Gestrüpp auch den
Boden auf einer Tiefe von ca. 20 cm
umgraben und entminen kann. Seit
Januar 06 und August diesen Jah
res befinden sich zwei Maschinen
des aktuellen Typs Digger D-2 im
Sudan und stellen ihr Können im
harten Einsatz unter Beweis. Ne
ben Optimierungen an den beiden
Maschinen für die Serienproduktion
wurde bereits eine neue Generation
ins Auge gefasst. Das Ziel ist, dass
Digger D-2
Lösung
Durch das Analysieren verschie
dener Fahrwerkstypen wurden
Kriterien definiert, um eine für den
Digger D-3 passende Fahrwerkgeo
metrie zu evaluieren. Dabei soll eine
Tandem-Laufrollenpendelung
die
gewünschten Vorteile beim Fahrver
halten erbringen. Mit der Definition
mit dem leistungsfähigeren Dig
ger D-3 die Effizienz im Rode- und
Umgrabebetrieb weiter gesteigert
werden kann. Vor allem im Rodebe
trieb wird das Kettenfahrwerk sehr
beansprucht. Mit einem herkömm
lichen, starren Kettenfahrwerk, wie
dies beispielsweise bei Bauma
schinen verwendet wird, wäre dies
nicht möglich. Dadurch dass sich
die Laufrollen dem Untergrund an
passen können, verhält sich die
Maschine ruhiger und kann besser
kontrolliert werden. Weiter besteht
beim Manövrieren die Gefahr, dass
Bereiche befahren werden, die
noch nicht von Minen gesäubert
sind. Bei einer allfälligen Detonation
soll der Schaden, verursacht durch
die zerstörerischen Druckwellen,
an der Maschine möglichst gering
gehalten werden. Um die hohe Ar
beitseffizienz nicht einzuschränken
soll der Reparaturaufwand minimal
sein. Dabei war zu berücksichtigen,
dass Reparaturen in Krisenregi
onen oftmals durch die fehlende In
frastruktur stark erschwert werden.
Diese und weitere Randbedin
gungen waren bei der Entwicklung
des Kettenfahrwerks für den Digger
D-3 zu berücksichtigen.
Reto Ammann
1982
078 678 32 80
[email protected]
Fahrwerk Digger D-3
verschiedener Fahrzustände wurden
Lastfälle errechnet, um im Anschluss
die entwickelten Fahrwerkkompo
nenten nach den daraus resultie
renden Kräften richtig dimensionie
ren zu können. Zur Verbesserung
der Hindernisübersteigfähigkeit
und dem Abfangen von Stosskräf
ten wurde ein Leitradpendelsystem
realisiert. Eine V-Formgebung einzel
ner Komponenten soll die Angriffs
fläche der Druckwellen gering halten,
so dass diese gut weichen können.
Mittels einer Gefahrenanalyse nach
Maschinenrichtlinien wurde das Pro
jekt abgeschlossen.
9
VA
Automobiltechnik
Indikatoren als Führungselemente für das DTC
Betriebswirtschaftslehre und Betriebsinformatik / Prof. Antonito Bolla
Experte: René Mumenthaler
Jedes Unternehmen muss eine kurz-, mittel- und langfristige Business-Strategie erstellen. Dies
kann jedoch ein schwieriges Unterfangen sein, wenn so gut wie keine Konkurrenz vorhanden ist
und das Unternehmen in verschiedene Bereiche unterteilt ist, welche nur indirekt im gleichen Wirtschaftssegment tätig sind. Trotzdem muss dem Verwaltungsrat wie auch den Aktionären kommuniziert werden, wie die Zukunft der Unternehmung aussieht. Häufig wird sogar eine Langfristplanung
über 10 Jahre verlangt.
Stephan Arnold
1980
078 659 28 21
[email protected]
Konrad Schütz
Anhand von Indikatoren will die Dy
namic Test Center AG (DTC) ihre
Zukunftsplanung vereinfachen. Das
DTC hat die Bereiche passive Si
cherheit, aktive Sicherheit, Engi
neering-Services und Unfallanalyse.
Das in Vauffelin beheimatete Unter
nehmen besteht seit 1994 und ist in
der Schweiz nahezu konkurrenzlos.
Dies birgt den Nachteil, dass sich
das DTC nicht an der Konkurrenz
orientieren kann. Aus diesem Grund
soll die Business-Strategie nun mit
tels Indikatoren erstellt werden. Als
Indikatoren werden Zahlen, wie
zum Beispiel das BIP, Anzahl Neu
wagenzulassungen pro Jahr etc.
verstanden. Wenn man die Entwick
lung dieser Zahlen über die letzten
Jahre untersucht, kann eventuell ein
Zusammenhang zu Kennzahlen des
DTC gefunden werden.
Grundsätzlich ist damit zu rechnen,
dass als Beispiel nicht der Umsatz
der DTC AG sich am BIP orientiert,
sondern der Umsatz eines Be
reiches oder sogar nur der Umsatz
eines Geschäftsfeldes. Anhand des
Bildes unten ist ersichtlich, wie aus
dem Umsatz der Cashflow berech
net wird. Die Summe der Cashflows
der Geschäftsfelder ergibt den
Cashflow der Geschäftsbereiche
und die Summe der Cashflows der
Bereiche ergibt dann den Cashflow
der DTC AG.
nen Vergleich mit den Kennzahlen
des Geschäftsfeldes.
Mit einem Tool, welches auf Basis
von Excel aufgebaut ist, soll dann
die Budgeterstellung übernommen
werden. Die Prognosen der Indi
katoren, Personalkosten, Betriebs
aufwand usw. können im Tool ein
gegeben werden. Anhand dieser
Eingaben wird der Cashflow der
Unternehmung berechnet und dar
gestellt.
Diese Berechnung kann bis zum
Die Schwierigkeit liegt im Erkennen Return on Investment (ROI) weiter
der Indikatoren. Denn jedes Ge getrieben werden. Die Grundlage für
schäftsfeld erhält Aufträge aus ver das Tool ist das du-Pont Schema.
schiedenen Marktsegmenten. So
mit müssen die Indikatoren dieser
Segmente zueinander gewichtet
werden. Dies ermöglicht dann ei
1982
079 661 66 12
[email protected]
Das du-Pont Schema zeigt die Berechnung des Cashflows
10
VA
Vorrichtung zur Kapazitätsmessung von Batterien
Automobiltechnik
Elektrotechnik / Prof. Kurt Hug; Andreas Kessi
Experten: Bruno Jäger, Carlo Bosia
Die Kapazität von Bleibatterien ist keine konstante Grösse. Sie variiert mit der Änderung des Ladezustandes, der Stromstärke, der Entladezeit, der zulässigen Entladeendspannung, der Temperatur
im Innern, des Plattenaufbaus und der Alterung.
Mit dem neuen Prüfstand kann nun die richtige Batterie für ein System gefunden werden. Im Weiteren kann auch eine Normmessung unter genau definierten Bedingungen durchgeführt werden.
Eine zusätzliche Funktion des Prüfstandes erlaubt die Messung des Innenwiderstandes.
Kapazitätsmessung
Für eine genaue Kapazitätsbestim
mung ist ein konstanter Strom unab
dingbar. Beim bisherigen Prüfstand
wurde die Stromkonstanthaltung
mittels Spannungsregler und Dar
lington-Transistor realisiert. Jedoch
konnte diese Konstanthaltung der
Basisspannung die Stromabnahme
infolge sinkender Batteriespannung
am Lastwiderstand nicht kompen
sieren. Deshalb wurde das alte Sy
stem durch eine zusätzliche Mes
sung, Verarbeitung und Regelung
mittels Controller ausgebaut. Die
Anlage ist nun in der Lage, die Ba
sisspannung am Transistor so an
zuheben, dass der Strom bis unter
10.5V Batteriespannung konstant
gehalten werden kann.
Da der neue Kapazitätsprüfstand
Messungen unter genormten Be
dingungen (IEC-Norm 95-1) im Be
reich von 2-8A und nichtgenormte
Messungen
zwischen
8-90A
durchführen kann, war die alleinige
Strommessung mittels Shuntwider
stand nicht ausreichend. Dies liegt
daran, dass der Shuntwiderstand
auf die 90A ausgelegt werden
muss und somit der Messfehler bei
kleinen Strömen zu gross wird. Nur
dank diesen zwei Bereichen können
die strengen Anforderungen erfüllt
werden. Der Controller vergleicht
nun die gemessenen Werte mit
den eingegebenen Sollwerten und
ändert bei Bedarf die Spannung
am Transistor. Die Belastung erfolgt
so lange, bis die eingegebene Ent
ladeendspannung (10.5V bei Norm
messungen) erreicht wird. Für die
Datenaufzeichnung sind am Gerät
4mm-Messbuchsen zur Messung
der Batteriespannung und des Ent
ladestromes angebracht.
Innenwiderstandsmessung
Die Innenwiderstandsmessung ist
interessant um zum Beispiel eine
möglichst optimale Leistungsan
passung an die Verbraucher zu
finden. Ist nämlich der Innenwi
derstand gleich gross wie der Wi
derstand des Verbrauchers, kann
die maximale Leistung generiert
werden. Oft möchte aber auch ein
kleiner Innenwiderstand erreicht
werden, damit die Bordnetzspan
nung beim Einschalten von grossen
Verbrauchern nicht zu stark zusam
menbricht.
Für die Innenwiderstandsmes
sung werden die Lastwiderstände
für 2ms mit 30A belastet und da
bei Spannung und Strom über die
Messbuchsen aufgezeichnet.
Fabian Aschwanden
1983
079 219 82 87
[email protected]
Der Controller erlaubt eine genaue
und einfach bedienbare Kapazi
täts- und Innenwiderstandsmes
sung von Batterien und liefert somit
wichtige Daten für die Auslegung
eines Systems bezüglich Entlade
zeit und Innenwiderstand. Gerade
heute in der Zeit der Hybrid- und
Elektrofahrzeuge wird diese Anpas
sung immer wichtiger werden.
Prinzip
11
VA
Automobiltechnik
Anhängerbremsvergleich
Fahrzeugmechanik / Prof. Bernhard Gerster / Zbinden Posieux SA
Experte: Fredy Rüegg, Alfred Sasse
Die Firma Zbinden Posieux SA gelangte als Herstellerin von Anhängern sowie einem eigenen
Bremssystem mit der Anfrage an die BFH-TI, verschiedene Bremssysteme von 3.5t Anhängern zu
untersuchen. Im Gegensatz zu schweren Nutzfahrzeugen, können die leichten Anhängerzüge 3.5tZugfahrzeug und 3.5t-Anhänger mit dem PW-Führerausweis, ohne Tachograph, während sieben
Wochentagen und auch nachts betrieben werden. Zudem entfallen die Kosten der leistungsabhängigen Schwerverkehrsabgabe (LSVA). Deshalb werden Transportaufgaben zunehmend mit den vorher erwähnten leichten Anhängerzügen wahrgenommen. Wie steht es aber um deren Bremsverhalten? Ziel dieser Diplomarbeit ist ein objektiver Vergleich.
David Bachofer
1983
079 453 48 54
[email protected]
Didier Richner
1982
079 246 76 50
[email protected]
Ungünstigste Beladung
Während dem täglichen Stückgut
verkehr bei einer Transportfirma ist
es üblich, den Anhängerzug von
hinten nach vorne Stück für Stück
zu entladen. Dies kann dazu führen,
dass ein schweres Transportstück
alleine im vorderen Teil des Anhän
gers liegt. Bei Zentralachsanhän
gern, die in dieser Kategorie fast
ausnahmslos verwendet werden,
führt das zu einer erhöhten Stützlast.
Dabei können der gesetzliche, so
wie der vom Hersteller vorgeschrie
bene Höchstwert für die Stützlast
auf das Zugfahrzeug überschritten
werden. Dieser Zustand wurde als
ungünstigste Beladung bezeichnet.
Notbremsung
Bei der Notbremsung wurden je Unter dieser Bedingung wurden die
sechs Vollbremsungen aus Tempo drei Anhänger ebenfalls bei einer
60km/h ausgeführt. Aus den gemes Vollbremsung verglichen.
senen Grössen wurden der Schlupf,
die mittlere Vollverzögerung, sowie
die Bremskraftaufteilung Zugfahr
zeug/Anhänger und die Ansprech
zeiten ermittelt.
Zur Untersuchung standen drei An
hänger zur Verfügung. Einer mit Auf
laufbremsen, sowie je ein Anhänger
mit Trommel- und Scheibenbrem
sen und direkt angesteuerter, elek
trohydraulischer Betätigung, wie
sie vom Auftraggeber unter dem
Namen Trailerstop gebaut und ver
kauft werden. Als Vergleichsgrös
sen wurden die Verzögerung, die
Stützlast und die Auflaufkraft am
Kupplungspunkt zwischen Anhän
ger und Zugfahrzeug, die Raddreh
zahlen sowie die Bremsbelags
temperatur bei unterschiedlichen
Manövern gemessen.
Rückwärtsfahrt
Bei diesem Manöver wurde das
Bremsverhalten der verschiedenen
Bremssysteme beim Rückwärts
fahren ermittelt. Bei der Auflaufkraft
am Kupplungspunkt wurden zwi
schen Auflaufbremse und Trailer
stop Bauart bedingt die grössten
Unterschiede festgestellt.
Standardfahrt mit Standardbremsung
Um der Tatsache Rechnung zu tra
gen, dass Vollbremsungen norma
lerweise nur in seltenen Fällen aus
geführt werden müssen, wurde auch
ein Manöver “Standardfahrt” bewerk
stelligt. Hier ging es darum, mit jedem
Anhänger einen alltagsnahen Zyklus
zu fahren. Zum Vergleich wurden
auch hier die Bremskraftaufteilung
Zugfahrzeug/Anhänger, sowie die
Ansprechzeiten der verschiedenen
Systeme ermittelt.
Bremsung im Gefälle, Restbremswirkung im Tal
Bei der Bremsung im Gefälle auf
einer Strecke von 4.5km und einer
Höhendifferenz von 470m (durch
schnittliche Steigung von 10.4%),
wurden die Bremsbelagstempera
turen gemessen, sowie die Rest
bremswirkung im Tal anhand einer
Notbremsung bestimmt.
Vollbremsung des Anhängerzugs
12
VA
Mise en service d’un kit écologique pour scooter
Automobiltechnik
Mécatronique / Prof. Jean-François Urwyler
Experts : Joël Niklaus
L’environnement est actuellement une des principales inquiétudes des constructeurs de véhicules. C’est donc dans cette optique qu’un projet tel que celui du kit Ecoscoot peut voir le jour. Le but
principal du projet est de permettre à un scooter de se mouvoir grâce à un moteur électrique mais
également grâce à son moteur thermique original. L’autonomie de celui-ci doit être d’environ 10km
en électrique, soit plus ou moins le parcours d’un véhicule de ce type en une journée en ville. La prolifération des scooters dans les grandes villes devient inquiétante et la pollution émise par ce type
de véhicule trop élevée.
Le projet porte sur la mise en servi
ce d’un kit écologique pour scooter.
Il a été précédé par plusieurs tra
vaux de semestre durant lesquels
l’adaptation et le choix des diffé
rents composants ainsi que la fa
brication de différentes pièces ont
déjà été traités. Afin de faire avan
cer ce projet, nous nous devons de
finaliser ce montage et pour cela
nous avons différents points à tra
vailler selon trois orientations.
La première partie de ce projet est
d’achever l’adaptation des différents
éléments permettant la propulsion
de ce scooter. De nombreuses mo
difications ont été effectuées afin
de permettre à ce scooter de rouler
en mode électrique. Pour cela nous
avons créé plusieurs pièces et sup
ports pour obtenir une chaîne ciné
matique optimalisée.
La seconde partie, quant à elle,
porte sur les modifica
tions apportées à ce
scooter qui sont telles,
que ses caractéristi
ques de bases sont
fortement modifiées. Il
s’agit donc d’effectuer
diverses mesures afin de
pouvoir émettre les nouvelles don
nées dues à l’apport de ce moteur
électrique, mais également celles
qui sont modifiées par le surpoids
causé par ce système.
La dernière partie de ce projet
consiste à éditer une démarche
d’homologation d’un tel prototype.
Les modifications effectuées autant
sur les parties mécaniques qu’élec
triques doivent être homologuées
afin de respecter les normes en vi
gueur sur le territoire suisse. Nous
devons définir une marche à suivre
ainsi qu’un budget pour effectuer
une homologation. Cette démar
che nous permettra de proposer,
dans un futur, une offre de kit sur le
marché suisse.
Gilles Ballestraz
1983
079 672 35 92
[email protected]
Vincent Lathion
1983
079 614 89 94
[email protected]
Modélisation de la chaîne cinématique
13
VA
Automobiltechnik
Wissensmanagement im Auto Gewerbe Verband Schweiz
Betriebswirtschaftslehre / Prof. Antonito Bolla/Auto Gewerbe Verband Schweiz (AGVS)
Experte: René Mumenthaler
Ständiges Lernen und Weiterbilden sind wichtige Faktoren, um sich im Alltag zu bewähren. Auch für
Unternehmer eines Garagenbetriebes ist dies ein entscheidender Erfolgsfaktor. Der Auto Gewerbe
Verband Schweiz (AGVS) mit seinen rund 4000 Mitgliedern fördert dies unter anderem mit Kursen.
Um eine weitere Möglichkeit der Weiterbildung oder Problemlösung im Bereich der Betriebsführung
anzubieten, will er das Wissensmanagement mit einer Internetplattform unterstützen. Über diese
Plattform sollen sich Mitglieder sowie auch Nichtmitglieder über Probleme, Fragen und Neuerungen
informieren können und mit E-Learning-Werkzeugen die Weiterbildung vorantreiben.
André Blanc
1979
079 654 72 94
[email protected]
Marco Gianotti
1982
079 751 14 28
[email protected]
Aufgabenstellung
Diese Diplomarbeit dient dem AGVS
als erste Standortbestimmung im
Bereich Wissensmanagement. Im
Vordergrund steht die Suche nach
Methoden, die für das Wissens
management des Verbandes ge
eignet sind. Bestehende Lösungen
der Wirtschaft werden untersucht
und eventuell für die Verwendung
durch den AGVS angepasst. Zwei
Kernaufgaben sind dabei wesent
lich, der Wissenstransfer, also der
Weg von der Anfrage des Benüt
zers bis zur Antwort sowie die Wis
sensbereitstellung durch eine Au
torengruppe des Betreibers (siehe
Grafik). Im Weiteren wird eine Lö
sung gesucht, wie der Autobranche
die “Lifelong learning”-Einsicht am
Besten vermittelt werden kann. Mit
allen Massnahmen soll erreicht
werden, dass sich die Automo
bilbranche stetig weiterbildet, um
den steigenden Qualitätsansprü
chen zu genügen.
Vorgehen
Die Bedürfnisse der zukünftigen
Benutzer, also der Garagisten, er
mitteln wir anhand eines Fragebo
gens, der in Absprache mit dem
AGVS an ausgewählte Mitglieder
versendet wurde. In persönlichen
Gesprächen mit einigen Garagisten
erhielten wir weitere Impulse aus
der Branche.
Durch Anfragen bei Unternehmen
anderer Branchen, Anbietern von
Wissensmanagement-Lösungen
14
und anderen Branchenverbänden
wird abgeklärt, welche Methoden
sich im Alltag der Wirtschaft be
währen. Diese verschiedenen Me
thoden werden miteinander ver
glichen und auf ihre Verwendung
durch den AGVS untersucht.
gisten einen Kurs mit Frontal
unterricht oder höchstens eine
Mischform aus E-Learning als Vor
bereitung und anschliessendem
Kurs dem reinen E-Learning-Kurs
vor.
Zweitens, Garagen mit einer Mar
kenvertretung sind meist in allen
Bereichen der Betriebsführung und
Erste Erkenntnisse
Aufgrund der bisher eingegan insbesondere der Technik genü
genen Antworten und den persön gend mit Weiterbildungsangeboten
lichen Gesprächen zeichnen sich durch den Importeur versorgt.
Drittens, Betriebe ohne Marken
die folgenden Tendenzen ab:
Erstens, die Begeisterung für reine vertretung wünschen mehr Fortbil
E-Learning-Kurse ist gering. Allem dungsmöglichkeiten im Bereich der
Anschein nach ziehen die Gara Technik.
Schematische Darstellung der Wissensplattform
BI
Numerische Auslegung von Biegereisslaschen
Automobiltechnik
Konstruktion / Prof. Heinrich Schwarzenbach
Dipl.-Ing. Carsten Manneck; ThyssenKrupp Presta AG, Eschen FL
Bei der Entwicklung von Personenwagen wird dem Insassenschutz immer mehr Bedeutung beigemessen. Die Lenksäule bildet dabei ein integraler Bestandteil des Crashsystems. Bei ThyssenKrupp
Presta AG wird die im Crash in der Lenksäule zu absorbierende Energie von einer Biegereisslasche
aufgenommen, welche überwiegend durch empirische Versuche erarbeitet und ausgelegt wird.
Um in der Entwicklungsphase schneller auf Veränderungen reagieren zu können, wurde eine Methodik zur numerischen Auslegung mit LS-Dyna entwickelt. Diese Arbeit soll die Methodik auf andere
Designs anwenden und damit verifizieren. Zudem sollen die Abweichungen zwischen Versuch und
Rechnung weiter minimiert werden.
Die Lenksäule soll durch Deforma
tion eines integrierten Crashele
ments eine vorbestimmte Lenkrad
verlagerung ermöglichen. Dadurch
wird mehr Weg zur Verzögerung
des Fahrers zur Verfügung gestellt,
was die auf den Körper wirkenden
negativen Beschleunigungen senkt
und somit die schädlichen Bela
stungen auf den Insassen reduziert.
Biegereisslasche vor und nach einem statischen Crashversuch
Um die Bewegung des Fahrers kon
trolliert verzögern zu können, muss
die Verschiebung des Lenkrads
einem definierten Kraft-Weg-Verlauf
folgen.
Bei ThyssenKrupp Presta AG wur
de diese Verlagerung durch den
Einsatz einer Biegereisslasche reali
siert, welche das nötige Kraftniveau
durch Geometrie und Materialei
genschaften bestimmt.
Durch plastische Deformation die
ser speziellen Blechstruktur wird der
Lenksäule bei der Crashverschie
bung eine definierte Arbeit entzogen.
Die Biegereisslasche reisst entlang
einer eingebrachten konstruktiven
Kerbe auf und wird während der
Verschiebung des Schlittens in einer
180°-Schlaufe abrollend umgeformt.
Durch dieses Reissen und Umfor
men wird Bewegungsenergie in
Umformarbeit umgewandelt.
wiegend durch empirische Ver
suche erarbeitet und ausgelegt. Der
Ingenieur beginnt mit Prinzipver
suchen und untersucht die darauf
wirkenden Einflussgrössen. Aus der
Vielzahl der Einflussgrössen resul
tiert jedoch ein enormer Arbeitsauf
wand.
Um in Zukunft in der Entwicklungs
phase schneller auf veränderte An
forderungen an die Biegereisslasche
reagieren zu können und die Anzahl
der Prototypen zu reduzieren, sollen
Crashdeformationselemente durch
den Einsatz numerischer Metho
den möglichst anforderungsgerecht
ausgelegt werden. Deshalb wurde in
einer vorausgehenden Diplomarbeit
eine Methodik zur numerischen
Auslegung von Biegereisslaschen
mit dem FE-Programm LS-Dyna er
arbeitet. Diese Computersimulation
spart Zeit, Kosten und reduziert das
Risiko einer Fehlentwicklung.
Mike Brassel
1982
078 778 80 90
[email protected]
Biegereisslaschen werden heute
bei ThyssenKrupp Presta AG über Diese Methodik soll nun auf andere
Typen von Biegereisslaschen an
gewandt und verifiziert werden. In
einem weiteren Schritt werden die
Einflussparameter genauer unter
sucht, um Abweichungen zwischen
Versuch und Rechnung weiter zu
minimieren.
Diese Verifizierung soll es ermögli
chen, dass zukünftige Neuentwick
lungen schon durch Simulation am
Computer sehr weit entwickelt und
ausgelegt werden können, um die
Deformationselemente möglichst
schnell und billig in die Serienferti
gung eingliedern zu können.
Lenksäule mit Biegereisslasche
15
BI
Automobiltechnik
Datenerfassungskonzept eines Dieselteststands
Verbrennungsmotoren / Prof. Dr. Jan Czerwinski
Experte: Thomas Lutz
Motorenhersteller stehen immer mehr unter dem Druck der Öffentlichkeit und der Gesetzgebung,
effizientere und umweltfreundlichere Antriebskonzepte zu entwickeln. Die Abgasvorschriften für
Verbrennungsmotoren werden immer weiter verschärft, insbesondere hinsichtlich des Ausstosses
von NOx und Russ. Aus diesen Gründen wird am Paul Scherrer Institut PSI in Zusammenarbeit mit
den Industriepartnern ABB Turbosystems AG, Wärtsilä und Kistler AG ein neuer Motorenprüfstand
geplant und eingerichtet, um neue Prozessabläufe und Brennverfahren mit dem Ziel der NOx-Reduktion bei Grossmotoren zu untersuchen. Diese Arbeit befasst sich mit der Prüfstandsinstrumentierung, mit dem Ziel der Bilanzierung der Wärme und Massenströme.
Lukas Bürgisser
1981
079 271 31 23
16
Als Prüfling dient ein Wärtsilä 6L20
Sechs-Zylinder-Dieselmotor mit 52 L
Hubraum. Um die Maschine zu be
lasten, wird ein 400V/1.2 MW Asyn
chrongenerator installiert. Die Ener
gie wird durch einen Transformator
ins Mittelspannungsnetz von 16 kV
gespeist.
Zur Steuerung und Regelung dient
ein Prüfstandsregler von AVL, der
neben der Motordrehzahl- und Last
steuerung des Generators auch die
Regelung der NOx-reduzierenden
Massnahmen gewährleistet. Hierzu
melden eine Reihe von Sensoren
wie z.B. ein Drehmomentflansch
(20 kNm), Drehzahl-encoder, Ab
gasmessung, Temperaturen und
Drücke aller wichtigen Parameter
dem Prüfstandsregler über eine
Datenerfassung zurück.
Die
Prüfstandsinstrumentierung
umfasst zusätzlich zu den von Wärt
silä angebrachten Sensoren, die für
den Betrieb des Motors notwen
dig sind, noch weitere Temperatur-,
Durchfluss- und Drucksensoren, im
Wasser-, Öl- und Treibstoffkreislauf
sowie im Frischluft- und Abgassys
tem am Motor installiert werden.
Der Treibstoffverbrauch wird über
die Differenz der volumetrischen
Durchflussmessungen in der För
derleitung und dem Rücklauf be
stimmt. Die Wärmeströme werden
mittels der Temperaturdifferenzen
und Massenströmen der Gas- und
Flüssigkeitskreisläufe bilanziert.
Mit den zusätzlichen Sensoren
können die kritischen Grössen am
Prüfstand über eine Alarmanlage
überwacht werden. Damit ist ein
gefahrloser Betrieb während der
Messungen und bei unbemanntem
Betrieb gewährleistet.
Die Sensorsignale werden über
A/D-Wandler digital erfasst und
anschliessend an das Automati
sierungssystem, welches für die
Verarbeitung und Archivierung der
Signale verantwortlich ist, weiterge
leitet. Dazu wurde ein Konzept für
die Erfassung und Signalübermitt
lung erstellt.
Die Messung des Zylinderdruck
verlaufs und anderer schnell verlau
fender Signale der Motorsteuerung
werden separat mit einer sehr ho
hen Abtastrate von einem Transien
ten-Rekorder digitalisiert.
BI
Niederdruckindizierung im Abgas
Automobiltechnik
Prof. Dr. Jan Czerwinski / in Zusammenarbeit mit KISTLER Instruments AG
Experte: Thomas Lutz
Die Niederdruckindizierung als Grundlage zur Ladungswechselanalyse hat in den letzten Jahren an
Bedeutung gewonnen. Dies nicht zuletzt aufgrund immer strenger werdender Abgasrichtlinien. Bei
der Reduktion von Schadstoffkomponenten setzen die Motorhersteller immer mehr auf die Optimierung des Ladungswechsels. Eine wirkungsvolle Massnahme zur Reduktion der NOx und HC-Emis
sionen ist die, durch den Ladungswechsel gesteuerte, interne und externe Abgasrückführung.
Untersuchung der gasdynamischen Effekte im Auspuff
eines Ottomotors mit Hilfe der
KISTLER-Niederdruckindizierung.
Analysis of gasdynamic effects
in the exhaust of a gasoline engine using the KISTLER - low
pressure indication.
Um die Vorgänge beim Gaswech
Low Pressure Indication
sel des Motors zu analysieren, sind
1st exhaust pulse measured at different
die Kenntnisse der Druckverläufe
sensor positions
im Ansaugkanal sowie im Auslass
kanal notwendig. Diese Druckmes
sungen nennt man Niederdruckin
dizierung. Mit den empfindlichen
Messgebern und Messketten der
Firma KISTLER Instruments AG mit
Hauptsitz in Winterthur wurden in
der vorliegenden Arbeit Analysen
der Vorgänge des Auspuffstosses
durchgeführt. Mit einer speziell prä
parierten Auspuffanlage konnte ein
Zylinder isoliert werden, so dass die
Drücke der unterschiedlichen Mess
ebenen ohne Einfluss der Nachbar
zylinder gemessen und analysiert
werden konnten. Es wurde festge
stellt, dass die Asymmetrie der Aus
puffstösse besonders nach der am
Zylinder nahe liegenden Krümmung
am stärksten ausgeprägt ist.
Crooked Exhaust Pipe for low pressure measuring
In order to analyze the processes
during the gas exchange phase in
the engine, knowledge of pressure
traces in both inlet and outlet is re
quired. This pressure measuring is
known as “low pressure indication”.
In the presented work, analyzing
of the processes during exhaust
phase has been carried out us
ing sensitive pressure sensors and
measuring devices from KISTLER
Instruments AG. For this purpose a
special exhaust manifold was cre
ated allowing the isolation of a cyl
inder to avoid the influence on gas
dynamic effects from other cylin
ders. Pressure measurements were
carried out in different planes of the
exhaust pipe. Final results showed
that the asymmetric course of the
exhaust pulse could clearly be veri
fied, especially in the plane after the
crook of the exhaust pipe.
Andreas De Fazio
1982
079 681 31 50
[email protected]
Thomas Hilfiker
1980
079 752 85 05
[email protected]
17
BI
Automobiltechnik
Ölverdünnung bei der DPF-Regeneration
Dr. Carsten Becker, Dipl.-Ing. Heribert Härle, Robert Bosch GmbH Stuttgart
Beim Regenerationsbetrieb eines Dieselpartikelfilters (DPF) gelangt ein unerwünschter Anteil Dieselkraftstoff in das Motorenöl.
Infolge der Verschlechterung der tribologischen Eigenschaften
des Motorenöls werden dabei die zulässigen Ölwechselintervalle zwingend verkürzt. Deshalb gilt es
diese Ölverdünnung möglichst gering zu halten. Ziel dieser Zusammenarbeit mit der Robert Bosch
GmbH ist es nun, mittels Viskositätsmessung des Motorenöles sowie Applikationsmassnahmen an
einem Prüfstandsmotor, die Ölverdünnung näher zu untersuchen und zu beurteilen.
Philip Fankhauser
1982
079 332 70 18
[email protected]
Angesichts der immer strenger
werdenden Abgasnormen kommt
der Dieselmotor vor allem bezüg
lich der Partikelemissionen unter
Druck. Aus diesem Grund ist eine
Partikelemissionsminderung
mit
tels Dieselpartikelfilter heute Stan
dard. Der DPF behält dabei über
95 % der Partikelemissionen (Russ
mit angelagerten Kohlenwasser
stoffen, Sulfaten, Phosphaten und
Metalloxiden) zurück. Um eine
Überladung des Filters zu verhin
dern, muss dieser periodisch rege
neriert werden. Dafür muss die re
lativ geringe Abgastemperatur des
Dieselmotors (ab 100°C im Leer
lauf) im gesamten Kennfeldbereich
auf über 600°C gebracht werden,
um die angelagerten Partikel ver
brennen zu können. Dies geschieht
bei Pkw-Dieselmotoren mit Com
mon-Rail-Einspritzung im Idealfall
alle 300-800km während 10-15
Minuten durch Massnahmen wie
etwa späte Nacheinspritzung(en)
weit nach dem oberen Totpunkt
des Kolbens.
Infolge einer fehlenden geometri
schen und thermischen Abschirm
wirkung (durch Kolbenmulde resp.
Verbrennung) zwischen dem spä
ten Einspritzstrahl und der Zylinder
wand gelangen dabei aber auch
unverbrannte Dieseltröpfchen an
die kalten Zylinderwände und somit
in das Motorenöl.
Funktionsweise des Diesel-Partikelfilters
Abgase vom Motor
Partikel- und
Aschberückhaltung
Filterwände
Abgassystem aus Partikelfilter und
Oxidationskatalysator
Lambdasonde
Oxidationskatalysator
Partikelfilter
Gereinigte Abgase
Temperatursensor
Verschlussstopfen
hinten
Verschlussstopfen vorn
Abgas vom
Motor
18
Im Rahmen dieser Diplomarbeit
ging es nun darum, mithilfe einer
Viskositätsmessung des Motoren
öles den Kraftstoffeintrag bestim
men zu können. Dazu wurde zuerst
eine Kalibrierkurve für verschiede
ne Öl-Diesel-Mischungen erstellt.
Anschliessend konnten praxisnahe
Testlaufverfahren an einem Prüf
standsmotor durchgeführt werden.
Die verschiedenen Fahrzustände
sowie Applikationen wurden dann
untereinander verglichen und be
wertet.
Gereinigtes Abgas
Differenzdrucksensor
VA
Concept de sécurité d’un véhicule léger
Automobiltechnik
Technique automobile / Prof. Bernhard Gerster
Expert: Fredy Rüegg, Alfred Sasse
Heutzutage werden die Fahrzeuge zunehmend schwerer. Dies liegt vor allem daran, dass die Sicherheitsvorkehrungen und Komforteinrichtungen immer zahlreicher werden. Für eine nachhaltige Entwicklung in Richtung klimaneutraler Fahrzeuge ist jedoch eine massive Reduzierung des Fahrzeuggewichts nahezu unumgänglich. Ausserdem benötigt man für eine optimale Raumnutzung in Städten
und Agglomerationen wesentlich kleinere Autos. Besonders in rasant wachsenden Märkten wie China besteht daher heute schon Bedarf für eine neue Art von Fahrzeug, welches die Lücke zwischen
teuren, verschwenderischen Autos und dem dort so beliebten, jedoch gefährlichen Elektrofahrrad zu
schliessen vermag.
But du projet
Dans le cadre de son dernier pro
jet, Monsieur Walter Janach nous
a demandé un soutien concernant
la sécurité passive. Ce véhicule ul
tra léger est pour l’instant un pro
totype constitué d’une structure
sandwich pour le plancher et d’une
carrosserie en polystyrène expansé
(Sagex®, Styropor®). La question
principale est de savoir si les pas
sagers sont suffisamment protégés
par la structure seule, des ceintu
res de sécurité n’étant pas prévues
à l’heure actuelle. L’objectif est une
amélioration de la sécurité passive
par rapport à un vélo avec un ni
veau de sécurité comparable à ce
lui de véhicules électriques ayant
l’autorisation de circuler.
Déroulement des mesures
Pour le déroulement des essais, une
structure partielle a été fabriquée de
telle manière que les données né
cessaires pour définir le niveau de
sécurité puissent être acquises. Cet
te structure permet de filmer, à l’aide
d’une caméra high-speed (1000
images/sec), le mouvement du pas
sager lors d’une collision. Dans un
premier temps, la collision sera ef
fectuée entre le véhicule et un piéton
avec des vitesses de 5 à 30km/h.
Cette phase nous servira à démon
trer si oui ou non un choc simulta
né du passager et du piéton sur la
structure est possible. Ceci n’est ha
bituellement pas le cas avec des vé
hicules standards car leur poids est
en moyenne quinze fois supérieur
à celui d’un homme, le piéton est
donc projeté loin du véhicule avant
que le passager ne puisse le heurter.
Le nôtre ne faisant que 60kg, soit
moins de la moitié du poids total du
véhicule avec son passager, le dé
phasage temporel pourrait être ré
duit, voire inexistant.
Une deuxième phase consistera à
percuter un bloc de béton à la vites
se maximale de 30km/h, soit le cas
le plus extrême avec ce véhicule, et
observer si le niveau de sécurité est
encore acceptable.
Si les conditions ne devaient pas
être remplies, l’ajout d’un système
de retenue supplémentaire tel que
des ceintures devra être envisagé
et une nouvelle série d’essais devra
être effectuée.
Martial Giobellina
1980
[email protected]
Andreas Biedert
1982
076 433 02 05
[email protected]
Prototype, vue extérieure
Montage pour les essais avec un passager
Prototype, vue intérieure avec ses deux places
19
BI
Automobiltechnik
Analyse Marketing dans la branche automobile
Économie d’entreprise et informatique de gestion / Prof. Antonito Bolla
Expert: René Mumenthaler
Le garage Grin Sàrl à Lavigny a émis la demande d’obtenir une analyse de marché afin de pouvoir
déterminer laquelle de ses deux marques (Citroën et Mazda) il fallait promouvoir afin d’augmenter
ses ventes dans le but d’engager un nouveau vendeur. Le travail comporte donc deux parties, la
première qui traitera sur le potentiel de chacune des marques, et la deuxième qui sera axée sur les
investissements à fournir dus à l’engagement d’un nouveau vendeur.
David Grin
1986
079 625 27 78
[email protected]
20
Dans les garages d’aujourd’hui, les
constructeurs automobiles fixent
toujours plus d’objectifs de ventes,
il est donc très utile d’établir une lis
te des buts à atteindre à moyen et
à long terme. Dans cette vision des
choses, un garage voulant s’agran
dir se doit de prendre plusieurs
points en considération. Pour débu
ter, il est essentiel d’établir un profil
de la situation initiale dans le but de
déterminer si l’objectif fixé par le ga
rage, en l’occurrence le garage Grin
Sàrl est justifié. Pour cela, il faut te
nir en considération l’état et l’évolu
tion du marché automobile suisse
et vaudois, puis se rapprocher du
lieu d’implantation de l’intéressé.
L’intérêt de cette démarche est de
pouvoir contrôler la croissance ou
décroissance du marché, ainsi que
de définir si les ventes des deux
marques cibles sont à la hausse ou
à la baisse. Grâce à cette étude, le
taux de pénétration du marché sera
défini pour chacune des deux mar
ques, ce qui nous permettra égale
ment de définir le potentiel de ven
tes dans la région.
Afin de pouvoir s’attaquer à l’ac
quisition d’une plus grande part de
marché, il est primordial de bien
cibler la clientèle de la région dans
l’objectif de proposer un produit qui
répond à ses attentes, c’est pour
cette raison qu’une segmentation
des besoins et du mode de vie de
la clientèle actuelle et potentielle
doit être faite.
Dans le but de rendre utile ce travail,
il est impératif de fournir également
une liste des objectifs que l’entre
prise veut améliorer ou conserver
dans son fonctionnement interne,
aussi bien que l’image qu’elle veut
développer dans son environne
ment. Cette liste sera établie sur les
principaux critères du marketing, à
savoir : les produits qui seront mis
en ventes, la politique des prix et re
mises, la promotion régionale et la
distribution dans la zone cible.
En dernier point, il est important de
traiter l’élaboration et la réalisation
du concept afin de parvenir à la si
tuation désirée.
La réalisation de ces différents
points va amener le garage à aug
menter ses ventes, donc à accroî
tre sa clientèle. Il est donc judicieux
de prévoir à l’avance les effets dus
à la hausse des clients dans le but
de maintenir une bonne qualité du
service après vente. Un des princi
paux critères chers au garage Grin
est de conserver une image posi
tive dans sa région d’implantation, il
sera donc vital de prévoir les effets
afin de gérer au mieux ainsi que
dans les meilleurs délais les inves
tissements en matériel, ressource
humaine, surface de travail et de
stockage.
Segmentation de la population active et non active dans la commune de Rolle. Source : SCRIS.
Pénétration du marché dans la zone de chalandise du garage Grin. Programme : MIS.
VA
Transferpfadanalyse im Automobil
Automobiltechnik
Fahrzeugmechanik und -sicherheit / Prof. Bernhard Gerster
Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG:Dipl. Ing. Siegfried Mayer
Während der Entwicklung eines Fahrzeuges treten grundsätzlich immer akustische Phänomene
auf, welche lokalisiert und eruiert werden müssen. Wenn die Geräuschquelle selbst aus wirtschaftlichen Gründen nicht verändert werden soll, besteht nur noch die Möglichkeit den Transferpfad zum
Fahrerohr zu verändern. Dies kann durch das Verändern von Lagerspezifikationen geschehen oder
durch Austauschen von Bauteilen, die zu einer Eigenfrequenz angeregt wurden.
Um die Relevanz der einzelnen Transferpfade störender Geräusche zu ermitteln, wurden bisher aufwendige Abkoppelungs- oder Fremdlagerungsmethoden angewendet. Der Einsatz dieser Methoden
gestaltet sich jedoch relativ aufwendig und ist für bestimmte Phänomene nicht durchführbar, vor
allem wenn diese nur unter hoher Last auftreten.
Da diese Probleme immer kom
plexer werden und dem Ingenieur
aus wirtschaftlichen Gründen im
mer weniger Zeit zur Verfügung
steht, soll untersucht werden, ob
die relativ neuartige Methode der
BTPA / BTPS (Binaurale Transfer
pfad Analyse / Binaurale Transfer
pfad Synthese) der Firma Fa. Head
Acoustics in Zukunft ein wichtiges
Werkzeug darstellen könnte oder
nicht.
Um zu untersuchen, ob die Me
thode BTPA / BTPS ein wirtschaft
liches und effektives Tool für die
Transferpfadanalyse darstellt, kann
anhand typischer Geräusche, wie
zum Beispiel dem sogenannten
“Triebsatzheulen” eines Achsgetrie
bes festgestellt werden. Dieses Ge
räusch entsteht im Zahneingriff der
Kegel-Tellerrad-Verzahnung (Trieb
satz), welche für das Umlenken des
Kraftflusses und das Übersetzen
der Drehzahl bzw. des Drehmo
ments zuständig ist, bevor die Be
wegung ins Differenzial eingeleitet
wird.
Diplomarbeit untersucht wurde,
wollte man bei der vorliegenden
Arbeit einen Schritt weitergehen
und den Schwierigkeitsgrad erhö
hen. Bei der Arbeit von Herrn Dipl.
Ing. Durm handelte es sich um ein
Fahrzeug, welches nur über Heck
antrieb verfügt. Darum wurde bei
der jetzigen Arbeit ein Fahrzeug
gewählt, welches Allradantrieb
hat und somit zwei Achsgetriebe
mit der gleichen Übersetzung auf
weist. Dazu kommt noch, dass ein
zusätzliches Zwischensystem im
Fahrzeug vorkommt, da die einzel
nen Fahrwerksteile nicht direkt an
die Karosserie, sondern zuerst an
Da die Methode BTPA / BTPS bei einen Achsträger geführt werden,
der Firma Dr. Ing. h. c. F. Porsche der dann über vier Hauptlager an
AG bereits von Herrn Dipl. Ing. Tie der Karosserie angebunden ist. So
mo Durm ebenfalls in Form einer mit sollte mit dem akustischen Phä
nomen der Triebsatzverzahnung
und den beiden Getrieben, welche
in der gleichen Ordnung arbeiten,
eine gute Grundlage zur Überprü
fung der Funktionalität der BTPA /
BTPS geschaffen werden.
Markus Hons
1981
079 772 78 48
[email protected]
Die Arbeit basiert auf Beschleuni
gungs- und Luftschallmessungen
unter Verwendung von experimen
tell ermittelten Übertragungskenn
werten. Diese werden dann mit
dem Programm “Progno(i)se” der
Fa. Head Acoustics zur Identifizie
rung und Bewertung der Haupt
übertragungswege eingelesen.
Screenshot aus der Software Progno(i)se
21
VA
Automobiltechnik
Mikrocontroller-gesteuerte Hindernisbahn
Elektrotechnik / Prof. Kurt Hug; Andreas Kessi
Experte: Bruno Jäger, Carlo Bosia
Wenn es darum geht, die Verkehrssicherheit zu verbessern, ist der Mensch ein entscheidender Faktor. Mit einer drei-bis viermal höheren Unfallzahl als alle anderen Verkehrsteilnehmer ist die Altersgruppe der 18- bis 24-Jährigen aufgefallen. Dies hat den Gesetzgeber dazu veranlasst, per 1. Dezember 2005 den Führerschein auf Probe einzuführen. Dabei müssen die Fahranfänger in den ersten
drei Jahren mindestens zwei Fahrkurse absolvieren, die sogenannte 2-Phasen-Ausbildung. Um die
so entstehende Nachfrage an Fahrsicherheitszentren in der Region Bern und Biel zu decken, hat die
Fahrzentrum Lyss AG eine solche Anlage gebaut. Die Diplomarbeit besteht nun darin, die Steuerung
der Hindernisbahn anhand eines Modells zu planen und zu bauen.
Felix Iseli
1980
078 635 60 95
[email protected]
Die Hindernisbahn
Die Fahranlage enthält unter an
derem einen 70 m langen geraden
Gleitstreifen mit zwei Hindernissen,
sowie einen Gleitstreifen in der Kur
ve mit ebenfalls zwei Hindernis
sen und einer einschaltbaren Kur
venverengung. Bei bestehenden
Hindernisbahnen anderer Fahrsi
cherheitszentren werden diese Hin
dernisse durch Wassersäulen, die
aus der Fahrbahn schiessen, dar
gestellt. Da aber Wasser bei Minus
temperaturen Probleme bereitet,
und die Fahranlage das ganze Jahr
über betrieben werden soll, werden
die Hindernisse der Fahrzentrum
Lyss AG durch Lampen, die in der
Fahrbahn versenkt sind, dargestellt.
Weil das Durchfahren eines Licht
strahls nicht so gut erkennbar ist
wie das Durchfahren einer Wasser
säule, müssen Sensoren detektie
ren, ob ein aktives Hindernis über
fahren wurde oder nicht und dies
mit einer roten Leuchte anzeigen.
Die Steuerung
Ein Mikrocontroller übernimmt die
Steuerung sowie die Überfahr
detektion der Hindernisse. Dabei ist
der Mikrocontroller MC68HC05B6
das Mastermodul und kommuniziert
über den I2C-Bus mit den Slavemo
dulen an den Hindernissen. Im Wei
teren sendet die bereits bestehen
de Geschwindigkeitsmessanlage
seriell den Geschwindigkeitswert
beim Einfahren auf den Gleitstreifen
an das Mastermodul, so dass die
Ansteuerung der Hindernisse mit
22
einer geschwindigkeitsabhängigen
Zeitverzögerung geschehen kann.
Der Fahrinstruktor kann die Anla
ge mit drei Wählschaltern bedie
nen. Zwei Wählschalter dienen zur
Wahl des Hindernisprogramms und
mit dem dritten kann die Zeitverzö
gerung variiert werden. Es stehen
neun verschiedene Hindernispro
gramme zur Wahl, oder aber eine
automatische Wahl durch einen Zu
fallsgenerator.
Gerade Hindernisbahn
Hindernisbahn in der Kurve
VA
Gain écologique offert par le kit ECOSCOOT
Automobiltechnik
Mécatronique / Prof. Jean-François Urwyler
Experte: Joël Niklaus
Le but de ce travail de diplôme consiste dans l‘évaluation du kit ecoscoot qui a été créé pendant le
travail de semestre. Ce kit permet de transformer un scooter de base (seulement moteur à essence)
en un scooter hybride (moteur à essence associé à un moteur électrique), c’est-à-dire écologique.
Mon travail consiste à mesurer et évaluer différents paramètres comme, par exemple, la réduction
de l’impact sur l’environnement (donc la réduction de CO2), la mesure des paramètres d’utilisation
des batteries de traction et la détermination de l’économie d’énergie offerts par le kit ecoscoot.
Le projet EcoScoot, commencé
avec le travail de semestre d’hiver
au mois d‘octobre 2006, puis dé
veloppé ultérieurement lors du tra
vail de semestre d‘été, se poursuit
maintenant dans le cadre du travail
de diplôme par l‘évaluation du kit
ecoscoot. Plus précisément ce kit
ecoscoot comprend tout ce qu’il
faut pour transformer un scooter
normal en un scooter écologique,
comme, par exemple, des batteries
de traction, un moteur électrique,
un boîtier électronique etc.
en mode exclusivement thermique,
selon une comparaison WTW (well
to wheel). En ce qui concerne le well
to wheel dans le mode électrique,
on part de la digue pour arriver à
la roue arrière du scooter en pas
sant par le chargeur des batteries.
Par contre, pour le well to wheel en
mode thermique, il faut partir du
puits de pétrole, passer par le mo
teur thermique pour arriver, enfin, à
la roue.
Pour établir cette comparaison, j’ai
testé un scooter équipé avec le kit
Puisqu’on est, de nos jours, très
concernés par le problème de la
pollution, toutes les mesures et
les évaluations effectuées sur le kit
ecoscoot se concentrent autour de
l’aspect et l’impact environnemen
taux.
Mon travail consiste à comparer
l’énergie utilisée en mode exclusive
ment électrique et l’énergie utilisée
ecoscoot sur un parcours-type
défini en diverses phases de con
duite (comme l’accélération et la
vitesse constante en montée, des
cente et plat) dans le but de relever
l’autonomie des batteries, leur temps
de recharge en mode électrique
et la consommation d’essence en
mode thermique. De plus, au cours
du mode électrique, j’ai aussi relevé
le courant et la tension délivrés par
la batterie en testant le scooter sur
le parcours-type, afin de calculer
l’énergie utilisée en fonction du che
min parcouru.
Après avoir relevé tous ces pa
ramètres, on est à même de faire
un bilan entre les énergies utili
sées en mode électrique et celles
utilisées en mode thermique. Ceci
nous permet aussi de déterminer la
réduction d’émission de CO2.
Simone Pellascio
1985
076 433 37 13
[email protected]
23
BI
Automobiltechnik
Analyse d’écoulements dans les moteurs thermiques
Moteur à combustion / Prof. Dr. Jan Czerwinski / Liebherr Machines Bulle SA
Des moteurs thermiques Diesel de haute performance destinés à des véhicules industriels sont développés et produits par l’entreprise Liebherr Machines Bulle SA.
Les caractéristiques d’écoulement de certains éléments du moteur thermique ont une influence majeure sur la qualité et la stabilité de la combustion. Il est, de ce fait, important de pouvoir évaluer la
qualité de ces écoulements afin qu’une optimisation de la combustion soit possible.
Le but du présent travail a été de moderniser et d’étendre le domaine d’application d’un banc exis
tant pour la mesure d’écoulements et d’utiliser ce banc au travers de mesures effectuées sur des
composants influençant le remplissage du moteur.
Patrick Rebsamen
1984
078 898 12 83
[email protected]
La problématique actuelle et univer
selle dans le domaine du développe
ment des moteurs à combustion est
la diminution de plus en plus forte
des émissions polluantes (particu
les et oxydes azotiques: NOx) exigée
par les normes. Les ingénieurs de
l’entreprise Liebherr Machines Bulle
SA travaillent intensément au déve
loppement de nouveaux moteurs et
au perfectionnement de la combus
tion en ayant comme objectif l’aug
mentation des performances de
ces moteurs tout en diminuant leurs
émissions et leur consommation.
La recirculation des gaz d’échappe
ment (EGR pour Exhaust Gas Re
circulation) joue elle aussi un rôle pri
mordial quant à la composition des
produits de la combustion. En effet,
lors de températures de combustion
élevées, l’azote se combine avec
l’oxygène pour former les NO et NO2,
communément appelés NOx.
Pour diminuer l’émission de ce type
de gaz, une quantité déterminée de
gaz brûlés est prélevée à l’échap
pement et reconduite à l’admission
afin de substituer une partie de la
nouvelle charge par des gaz iner
tes. La conséquence bénéfique de
Une influence importante sur le ce procédé est une réduction de la
déroulement de la combustion est formation de NOx. Sur les moteurs
donnée par la qualité du mélange Diesel modernes, une proportion
de l’air au carburant lors de l’injec importante de gaz brûlés doit être
tion. Dans le cas des moteurs Die
sel à injection directe, ce mélange
est réalisé à l’aide d’un mouvement
de rotation de l’air dans le cylindre,
autour de l’axe de ce dernier, en
gendré lors de l’admission et ampli
fié dans le bol du piston
au cours de la compres
sion. Ce mouvement tour
billonnaire, appelé swirl, est
déterminé par l’inclinaison et la
forme des conduits d’admission
et par la disposition des soupapes.
Pour chaque application, il existe
un taux de swirl optimal. Un taux
de swirl trop grand ou trop petit en
gendre une dégradation de la qua
lité de la combustion et, de ce fait,
une émission accrue de particules.
Le taux de swirl peut être quantifié
mathématiquement.
Illustration of swirl (© 2004 The American Society of Mechanical Engineers)
24
mélangée à la charge fraîche, ce
qui impose de bonnes propriétés
d’écoulement de la part des com
posants du système EGR.
L’objectif principal de ce travail a été
d’évaluer la performance ainsi que
la possibilité de réglage en continu
du système EGR au travers de me
sures effectuées au banc d’essai
moteur en connaissant les carac
téristiques d’écoulement des com
posants du système. Afin de pou
voir évaluer ces caractéristiques
d’écoulement, un banc de mesure
du swirl existant a été modernisé et
entièrement revu de manière à ce
qu’il soit également utilisable pour
l’analyse d’agrégats tels que le sys
tème EGR en l’occurrence.
External EGR System of the Liebherr V8 engine (2006 Liebherr Machines Bulle SA)
BI
Kippnivellierung für Baustellenlastwagen
Automobiltechnik
Heutzutage sieht man auf fast jeder Baustelle mehrere Lastwagen, welche mit einem Kipperaufbau
ausgerüstet sind. Ohne diese wäre ein schneller Abtransport eines Aushubes oder das Anliefern
diverser Materialien nicht möglich. Wenn jedoch ein Lastwagen kippen will, kommt es häufig vor, dass
dieser in Längsrichtung zu schräg steht. Dies führt dazu, dass der Muldeninhalt nicht ausgeschüttet
werden kann, da sich der Schwerpunkt des Lastwagens beim Kippen vertikal zur Unterlage erhöht
und dieser so zur Seite umkippen könnte.
Diese Diplomarbeit umfasst eine Nivellier-Konstruktion, welche dieser Gegebenheit entgegen wirkt.
So kann die Mulde trotz Schräglage des Lastwagens gekippt und gelehrt werden.
Lösungssuche
Solche Nivellierungen für Lastwa
gen mit Kipper- bzw. Muldenauf
bau existieren bis heute keine. Im
Bereich der Baustellenfahrzeuge
gibt es einzig bei Hakengerät-Auf
bauten Konstruktionen, welche den
Aufbau und das Chassis beim Kip
pen ausgleichen und stabilisieren.
Dieses System kann manuell betä
tigt werden und gleicht den Aufbau
bei einer Schräglage von wenigen
Zentimetern aus.
Da das Ziel dieser Diplomarbeit aber
eine Konstruktion ist, welche Fahr
zeugneigungen von bis zu elf Grad
ausgleicht, ist dieses System für die
Konstruktion schlecht geeignet.
Somit ist für die Kippnivellierung
von Baustellenfahrzeugen eine
komplette Neukonstruktion nötig.
Um dies zu realisieren musste in
einer ersten Phase nach Möglich
keiten gesucht werden, welche als
Nivellier-System vorstellbar sind.
Zudem muss die Konstruktion di
versen Anforderungen standhalten,
bzw. diese einhalten. Dabei stellte
sich heraus, dass die wichtigsten
Punkte, auf welche die potentielle
Kundschaft ihr Merkmal legt, die
Beeinträchtigung der Nutzlast und
die Erhöhung des Schwerpunktes
sind. Überdies darf das System die
Sicherheit während der Fahrt nicht
verschlechtern und muss sämtlichen
staatlichen und vom Hersteller vorge
gebenen Normen entsprechen.
Konstruktion
Um die Nivellierung zu ermöglichen,
erwiesen sich Hydraulikzylinder
als optimal. Diese beeinträchtigen
die Nutzlast nur geringfügig und
ermöglichen einen sehr grossen
Kraftaufbau. Die Zylinder werden
einerseits am Hilfschassis und an
dererseits an der Kippwelle befe
stigt. Die Nivellierung des Aufbaus
erfolgt durch elektronisches An
steuern des hangunteren Zylinders.
Dieser bringt die Kippwelle, auf wel
cher die Mulde aufliegt, in horizon
tale Lage. Die dabei entstehenden
Längs- und Querkräfte werden am
Schwenkpunkt durch eine am Hilfs
chassis befestigte Konstruktion auf
genommen.
Das Nivelliersystem wird aus
schliesslich beim Kippen der Mulde
betätigt. Sollte dieses vor der Ab
fahrt nicht ausgeschaltet sein, oder
ist die Neigung des Lastwagens zu
stark, so wird der Fahrzeuglenker
mittels Warnvorrichtung auf das
Problem aufmerksam gemacht.
Schafft das Nivelliersystem den
Durchbruch bei Baustellenfahrzeu
gen, so ist im Bereich der Baustellen
sicherheit ein grosser Schritt getan!
Sebastian Riesen
1983
079 263 48 91
[email protected]
Kipper-Lastwagen mit ausnivellierter Mulde
25
VA
Automobiltechnik
Variable Heckspoilerbefestigung
Fahrzeugmechanik / Prof. Gerster Bernhard
Experte: Fredy Rüegg, Alfred Sasse
Ziel unserer Diplomarbeit ist die Konstruktion einer einstellbaren Heckspiolerbefestigung für Steilheckmodelle. Verstellbereich nach dem gängigen Super-2000-Reglement sowie schnelle und einfache Positionierung des Heckspoilers waren klare Rahmenbedingungen.
Mikaël Rochat
1986
079 712 00 41
[email protected]
Christian Schmidt
1982
079 439 61 34
[email protected]
26
In einem ersten Schritt sollen die auf
einen Heckspoiler wirkenden Kräfte
bei verschiedenen Positionen ge
messen und untersucht werden.
Eine schnelle Anpassung an das
vom Auftraggeber zur Verfügung
gestellte Fahrzeug, einen Renault
Clio Sport aus dem “New Clio Cup”
war Voraussetzung für eine erste
Messadapterkonstruktion.
Diese
diente als Schnittstelle zwischen
Fahrzeug und Messtechnik. Zur
Kraftmessung wurden Messzel
len verwendet. Diese sind unten
am Hilfsrahmen befestigt und über
Gewindestangen mit dem Spoiler
verbunden. Durch die vier Gewin
destangen, drei in vertikaler Rich
tung und eine in Fahrtrichtung,
konnten die auf den Spoiler wir
kenden Kräfte gemessen werden.
Durch die Gewindestangen wurde
ein Verstellbereich des Heckspoi
lers erreicht, welcher denjenigen
des Super-2000-Reglements weit
übersteigt.
Die Messdaten der Fahrten mit der
Adapterkonstruktion dienen als
Grundlage für die zweite Konstruk
tion, die eigentliche Heckspoilerbe
festigung. Der Verstellbereich wird
hier zwar durch das Super-2000Reglement stark eingeschränkt, je
doch soll der Verstellmechanismus
in Sachen Dauerfestigkeit sowie
Verstellmechanik sehr ausgereift
sein.
Die Verstellung muss einfach und
schnell ausgeführt werden können,
da während eines Trainings oder
sonstigen Abstimmungsfahrten die
Zeitspanne, in der das Fahrzeug in
der Boxengasse steht, möglichst
gering gehalten werden muss. Mit
unserer Lösung soll diesen Zielen
entsprochen und gleichzeitig die
Möglichkeiten des Super-2000Reglements so weit als möglich
ausgenutzt werden.
Durch unsere Konstruktion ermög
lichen wir unserem Auftraggeber
den Einsatz seines Rennfahrzeuges
in Langstrecken-Meisterschaften.
Durch die Möglichkeit einer Adaption
an nahezu alle Steilheckfahrzeuge
und den simplen sowie schnellen
Verstellmechanismus dürfte sich
ein gewisses Interesse von Drittper
sonen einstellen.
Heckklappe des Clio mit Hilfsrahmen, Kraftmessdosen und Gewindestangen
BI
Gérer avec succès dans la branche automobile
Automobiltechnik
Economie d’entreprise et informatique de gestion / Prof. Antonito Bolla
Expert: René Mumenthaler
Dans notre époque où le marché de l’automobile se globalise et où les marges rétrécissent sans
cesse, il est vital pour le garagiste d’être prudent et consciencieux dans la gestion de son entreprise. Les importateurs automobiles offrent des conditions très dures pour les garages qui doivent
parfois faire de gros sacrifices pour faire face aux contraintes budgétaires. Le nombre de ventes
et les surfaces d’exposition minimales sont des facteurs déterminants. La clientèle, quant à elle,
de moins en moins fidèle et faisant de plus en plus jouer la concurrence, vient ajouter une pression
supplémentaire sur les épaules du garagiste. Une bonne gestion est donc indispensable à la survie
d’un garage.
Un garage offre un service person
nalisé à chaque client lui permettant
ainsi d’accéder à la mobilité. Il est
indispensable à l’entretien de véhi
cules qui deviennent de plus en plus
complexes et spécifiques. La rela
tion garagiste client est basée sur la
confiance ; le sérieux est donc indis
pensable dans la gestion de cette
entreprise spécifique. Le client doit
pouvoir se rendre compte par luimême que l’organisation et la prise
en charge de son véhicule sont fai
tes de manière très professionnelle.
Analyse de gestion PCA
Par l‘intermédiaire de ce logiciel, le
garagiste élabore l‘évaluation des
chiffres du bilan et compte de résul
tat, la contribution au bénéfice par
chaque centre de profit, établit le
calcul du salaire de compensation,
élabore différentes stratégies et ob
tient les indices de référence ainsi
que les chiffres relatifs au Bench
mark de la branche automobile.
Organisation
La bonne gestion d’un garage passe
tout d’abord par une parfaite organi
sation et hiérarchisation des diffé
rents postes de travail. Les différents
départements (centres de profits)
doivent être bien séparés et sous la
responsabilité d’une seule personne.
Cette dernière devra répondre des
actes de son département. Le chef
d’atelier, par exemple, devra lui-mê
me distribuer les tâches au sein de
son atelier, et lui seul devra le faire.
Le chef d’exploitation ne devra pas
intervenir au cœur des processus
de chacun des départements.
Hiérarchisation
Chaque poste doit être parfaite
ment défini: responsabilités, tâches,
remplaçant, etc. doivent être clai
rement décrits et approuvés par la
personne en charge du poste. Le
travail consiste donc à créer des
schémas d’organisation applicable
au garage, une hiérarchisation ver
ticale et horizontale ainsi que la dé
finition des différents postes.
Florent Schlaeppi
1983
079 362 25 61
[email protected]
Processus
La modélisation des processus
permet un contrôle maximal de
chaque processus métier d’un ga
rage. La vente d’une voiture neuve
avec reprise, par exemple, est un
processus interdépartemental. À
la fois la vente, l’atelier et le maga
sin de pièces détachées entrent en
collaboration pour la satisfaction du
client. Un ordre bien précis, per
mettant d’organiser les différentes
activités, est un atout majeur au
bon fonctionnement de l’entreprise.
La clientèle doit être accueillie par
la bonne personne, ou redirigée
dans le bon département, les com
mandes de pièces doivent être syn
chronisées avec les travaux d’ate
lier. Tous ces processus sont plus
fonctionnels s’ils sont bien établis et
connus de chaque personne.
Processus vente
27
BI
Automobiltechnik
Dampflokomotive Chassisrisse
Konstruktion / Prof. Hans-Ulrich Feldmann; Kunde: Brienz Rothorn Bahn
Die Brienz Rothorn Bahn existiert bereits seit 1891. Sie befördert die Touristen mit Dampflokomotiven
aus drei Generationen von Brienz über 1678 m Höhendifferenz zum Rothorn. Die neusten ZahnradDampflokomotiven aus den Jahren 1992 und 1996 weisen Probleme mit der Dauerfestigkeit auf. Durch
diverse Untersuchungen, Berechnungen sowie FEM-Simulationen, konnten die Schwachstellen analysiert werden. Mit den gewonnenen Erkenntnissen können dem Betreiber verschiedene Lösungs
varianten vorgeschlagen werden, welche den langjährigen Einsatz der Dampflokomotiven gewährleisten.
Roland Schmucki
1981
078 885 17 13
[email protected]
Dampfnostalgie
Die Zahnrad-Lokomotiven sind fä
hig, grosse Steigungen zu überwin
den. Auf der Brienz Rothorn Stre
cke gibt es Steigungen bis 250‰.
Die 7.6 km lange Strecke wird von
den Lokomotiven in knapp einer
Stunde bezwungen. Dabei beför
dert sie Touristen sowie Material
sicher und zuverlässig von Brienz
zum Berghotel Kulm auf 2244 müM.
Einzigartig an dieser Bahn ist, dass
die Strecke von Dampflokomoti
ven aus drei Generationen befah
ren wird, die ältesten stammen aus
dem Jahre 1891. Diese Nostalgie
hinterlässt bei den Touristen aus al
ler Welt einen bleibenden Eindruck.
Die BRB hat zwischen 1992 und
1996 vier neue Dampflokomotiven
beschafft, die ein völlig überarbei
tetes Dampfkonzept haben. Da
durch konnte der Wirkungsgrad
wesentlich gesteigert werden. Da
die Wärmeerzeugung ebenfalls
überarbeitet wurde, kann die Lok
nun von nur einer Person bedient
werden. Durch diese Steigerung
der Wirtschaftlichkeit ist auch in Zu
kunft Dampfnostalgie möglich.
Untersuchung der Chassisrisse
Während der ersten Betriebsjahre
sind bei diesen neuen Dampflo
komotiven Risse in den Bereichen
der Achsfederung sowie der Kur
belwellenlagerung entstanden. Die
se Probleme treten bei sämtlichen
typengleichen Fahrzeugen auf. Di
verse Verstärkungen, welche zum
Teil noch vom Hersteller und spä
ter durch die Betreiber angebracht
28
wurden, lösten das Problem nicht.
Mittels Schwingungsanalysen, wel
che vom Hersteller nach dem Bau
des Prototyps durchgeführt wur
den, versuchte man unangenehme
Resonanzschwingungen zu mini
mieren.
Durch das Zusammentragen der
bisherigen Massnahmen und des
sen Auswirkungen, konnte eine
gute Übersicht über das Problem
gewonnen werden. Auf Grund von
Schwingungsmodellen sowie Be
rechnungen des Antriebsstranges
erkannte man die Grössenordnung
der wirksamen Kräfte. Dadurch war
es möglich an der bestehenden
Struktur Spannungsberechnungen
durch zu führen. Mit FEM-Simula
tionen wurden die kritischen Stel
len überprüft. Bei Testfahrten wur
de das Verhalten der Lokomotive
überwacht. Dabei konnten die Be
lastungen, welche auf die kritischen
Stellen wirken, untersucht werden.
Dank der so gewonnenen Erkennt
nisse konnten verschiedene Ansät
ze zur Verminderung der Probleme
gefunden werden. Der Kunde kann
nun bei der nächsten Revision die
Lokomotiven anhand der ausgear
beiteten Detaillösung modifizieren.
Dadurch sollen die Probleme ver
ringert und die Einsatzdauer der
Dampflokomotiven erhöht werden.
Somit wird auch noch in ferner Zu
kunft Dampfnostalgie möglich sein.
Zahnrad-Dampflokomotive Typ H 2/3, Bj. 1992
BI
Fahrwerk Rennfahrzeug
Automobiltechnik
Die Firma Garage Schüpbach AG in Walkringen hat vor einiger Zeit begonnen ein spezielles Rennfahrzeug aufzubauen. Die Grundlage dafür bot ein Alfa Romeo 164 3.0 V6. Das Fahrzeug besitzt nun
zwei Antriebsaggregate und etliches wurde angepasst.
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Konstruktion eines renntauglichen Fahrwerks. Das Fahrwerk
soll verschiedene Einstellmöglichkeiten beinhalten, damit auf der Rennstrecke das optimale Setup
erreicht werden kann.
Neben der Motorenleistung und
dem fahrerischen Können ist die
Fahrdynamik eines Fahrzeuges
ausschlaggebend für den Erfolg im
Motorsport. Das wohl wichtigste
Bauteil eines Fahrwerks ist der
Schwingungsdämpfer. Er kann das
Fahrverhalten, wie Unter- und Über
steuern, direkt beeinflussen. Der
Dämpfer eines Strassenfahrzeuges
ist komfortabel ausgelegt und wird
auf der Rennstrecke den Anforde
rungen nicht gerecht. Deshalb ist
die Dämpferwahl ein sehr zentraler
Punkt, der genaustens untersucht
werden muss.
Das Serienfahrwerk des Alfas be
sitzt keine Verstellmöglichkeiten.
Doch vergleicht man verschiedene
Rennstrecken miteinander, bemerkt
man schnell die unterschiedlichen
Anforderungen an das Fahrwerk.
Die Aufgabe gliederte sich in zwei
Teile. Zum einen die Auswahl der
Komponenten, zum anderen die
Konstruktion. Die erste Sequenz
stellte sich als grosse Herausfor
derung dar. Denn eine Berechnung
der optimalen Federn und Dämpfer
ist ohne Testfahrten schlecht zu
realisieren. Durch strikte Konstruk
tionsmethodik und Informationen
von renommierten Fahrwerksfir
men entstand jedoch eine gelun
gene Auswahl. Die Fahrzeughöhe
kann stufenlos eingestellt werden,
der Dämpfer kann
wie gewünscht in
Zug- und Druckstu
fe verstellt werden. Zu
dem ist eine Sturzein
stellung mit Hilfe des
Domlagers möglich.
Weiter wurden alle originalen Gum
milager durch Gelenklager ersetzt,
um eine genaue Radführung zu ge
währleisten.
Konstruiert wurde mit dem CAD
Programm. Zudem wurde das
ganze System einer FEM-Analyse
unterzogen. Dies um die Bauteile
richtig zu dimensionieren. Somit
konnte das Gewicht reduziert und
die Sicherheit auf der Rennstrecke
erreicht werden.
Durch die Konstruktion des Fahr
werks kann das Rennfahrzeug nun
auf der Rennstrecke getestet wer
den.
Christoph Schüpbach
1984
076 570 01 08
[email protected]
Alfa Romeo 164 Bimotor
CAD Modell der Aufhängung
29
VA
Automobiltechnik
Machbarkeitsstudie eines Hybrid-Mehrzweckfahrzeugs
Mechatronik / Prof. Jean François Urwyler/ Boschung Engineering AG
Experte: Joël Niklaus
Die Firma Boschung Engineering möchte Aufschluss haben über die Machbarkeit für ein HybridMehrzweckfahrzeug in ihrem Tätigkeitssektor. Das Ziel dieser Vorstudie ist ein bestehendes Kommunalfahrzeug auf einen Hybridantrieb umzurüsten. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Möglichkeiten für einen Hybridantrieb bestehen, welche Vor- und Nachteile es mit sich bringt, wie die
Energieersparnis und das Kostenverhältnis aussieht. Verschiedene Konzepte werden miteinander
verglichen und eines davon wird dann der Firma Boschung Engineering vorgeschlagen.
Benedikt Sturny
1984
079 714 28 27
[email protected]
Als Hybridantrieb werden Fahr
zeugantriebe bezeichnet, die über
mindestens zwei verschiedenartige
Energiewandler und -speichersys
teme verfügen. Am bekanntesten
ist die Kombination von Verbren
nungsmotor/Kraftstofftank
und
Elektroantrieb/-speicher, der so
genannte Elektro-hybrid. Die Moti
vation zur Entwicklung von Hybrid
antrieben liegt in der Suche nach
Effizienzsteigerung für den An
triebsstrang. Mit entsprechenden
technischen Lösungen ist eine Ver
brauchsreduzierung und damit eine
Abnahme der Abgasemissionen
insbesondere der klimarelevanten
Abgase verbunden.
Der Hybridantrieb wird als zukunft
weisende Antriebstechnik gesehen.
Auf Grund der absehbaren Knapp
heit der Erdölreserven wird der Hy
bridantrieb jedoch bloss eine Über
gangslösung zu einer komplett
alternativen Antriebsart sein.
Diverse PKW-Hersteller sind mit
ihren Hybridfahrzeugen in Serie
gegangen. Bei den NKW ist man
stark am Forschen. Gerade im
Bereich der Kommunalfahrzeuge
könnte ein hoher Absatz erwartet
werden. Der grösste Anteil der Kun
den betrifft Staats- und Gemein
debetriebe. Mit der Anschaffung
eines Hybridfahrzeuges könnte ein
Zeichen zum Umweltbewusstsein
gesetzt werden, schliesslich über
nehmen öffentliche Betriebe eine
Vorbildfunktion.
30
Das Ziel dieser Arbeit ist es nun zu
überprüfen, ob ein Hybrid-Aufbau
auf ein bereits bestehendes her
kömmliches Mehrzweckfahrzeug
für Stadt und Gemeindebetrieb
machbar und sinnvoll wäre. Um
dies zu erreichen, ist es notwendig
das herkömmliche Fahrzeug sowie
einen möglichen Hybrid-Aufbau
genau zu studieren und zu analy
Pony P4
sieren. Es muss ermittelt werden,
welche Kosten- und Energieerspar
nisse möglich sind. Die Untersu
chung erfolgt für zwei Fahrzeuge.
Das Grundgerüst ist beinahe das
selbe. Es handelt sich um die Se
rien S3 und Pony P4. Der S3 ist eine
Kehrmaschine, welche auf zwei
Rädern angetrieben ist. Bei diesem
Fahrzeugtyp werden kaum andere
Aufbauten verwendet. Das Pony
P4 ist ein Geräteträger und ist ein
Allrad-Fahrzeug. Bei diesem Fahr
zeug können sehr viele verschie
dene Geräte wie z.B. Salzstreuer,
Schneepflug, Kehrmaschine usw.
angebaut werden. Mit dieser Arbeit
kann entschieden werden, ob das
Projekt weiter entwickelt und eine
Serienanfertigung angestrebt wer
den soll.
Kehrmaschine S3
BI
Leichtbau-Komponente aus Faserverbundwerkstoff
Automobiltechnik
Die Hauptidee des Projekts ist die Konstruktion einer Automobil-Komponente aus faserverstärktem
Kunststoff, um Gewichtsverminderung in Serienfahrzeugen zu ermöglichen. Anhand einer Fahrzeugsitzstruktur wird im Rahmen dieser Projektarbeit die Lösungssuche aufgezeigt, um eine existierende
Rücksitzlehnestruktur aus Stahl durch ein Faserverbundbauteil ersetzen zu können. Zusätzlich wird
ein ausgewähltes Detailkonzept untersucht und unter Berücksichtigung von Fertigungsrichtlinien
auskonstruiert.
Die Firma ESORO AG ist seit mehreren Jahren in den Bereichen Fahrzeugentwicklung und Kunststofftechnik tätig und entwickelt Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff für die Automobilindustrie.
Ein Beispiel für solche KunststoffBauteile sind Sitzstrukturen, die mit
dem E-LFT Prozess gefertigt wer
den.
Dieses neue Verfahren zur Fertigung
von Leichtbauteilen wurde von ESO
RO für einen deutschen Automobil
zulieferer entwickelt und patentiert.
Der Prozess-Name E-LFT steht für
“Endlosfaserverstärkter Lang-FaserThermoplast”. Der Herstellungsprozess
kombiniert eine thermoplastische Ma
trix mit Langfaserverstärkungen (LFT)
mit einer Endlosfasernstruktur (EF) in
einem einzigen Fertigungsschritt.
Im E-LFT Prozess können Bauteile,
die typischerweise aus Stahl sind, mit
gleichen Anforderungen und mit ge
ringerem Gewicht zu konkurrenzfä
higen Kosten in Kunststoff hergestellt
werden.
Konzept
Der erste Schritt zur Konzeptdar
stellung war die Ermittlung und
Darstellung der topologischen Un
terschiede von Rücksitzlehnen an
verschiedenen Fahrzeugtypen. Dies
um die allgemeinen Anforderungen
an die Bauteilstruktur und die An
bindungsstellen zu definieren.
Danach wurden die verschiedenen
Anforderungen und Funktionen der
Rücksitzlehne strukturiert und nach
Anbindungspunkten, Sicherheits
elementen oder Komfortelementen
gegliedert. Zusätzlich wurde eine
Muster-Anforderungsliste zu den
verschiedenen Fahrzeugtypen vor
bereitet.
Entwicklung
Als Muster für die Entwicklung des
Bauteiles aus faserverstärktem
Kunststoff wurde eine bestehen
de Stahlrücksitzlehne eines Fahr
zeuges ausgewählt und nach der
Muster-Anforderungsliste
unter
sucht. Danach wurde das Struktur
konzept am CAD realisiert. Damit
konnten die konstruktive Ausfüh
rung der Krafteinleitungsstellen und
Anbindungsstellen konzeptionell
untersucht und eines dieser Kon
zepte für eine detaillierte Konstruk
tion ausgewählt werden.
Als Detailkonzept wurde der Anbin
dungspunkt der mittleren Gurtrolle
ausgewählt. Dazu wurde eine ferti
gungsrechte Konstruktion der An
bindungsstelle mit einem Lösungs
vorschlag zur Montage der Gurtrolle
und zur Verschliessung der Befesti
gungsstelle ausgeführt.
Sandra Tulipani
1979
079 456 98 62
[email protected]
31
BI
Automobiltechnik
Partikelemissionen bei DI-Ottomotoren
Dipl.-Ing. Michael Frank, Robert Bosch GmbH Stuttgart
Die Einführung eines Partikelanzahlgrenzwertes für direkteinspritzende Ottomotoren (DI) spätestens für EURO 6 erfordert nach ersten Messungen dringenden Handlungsbedarf.
Die aktuell diskutierte Größenordnung der zulässigen Partikelanzahl von 6x 1011 [N/km] scheint mit
aktuellen Systemen nicht realisierbar. Die Verwendung eines Russpartikelfilters (DPF) soll aufgrund
gravierender Verbrauchs- und Kostennachteile möglichst vermieden werden.
In der betreffenden Diplomarbeit werden die soft- sowie hardwareseitigen Möglichkeiten zur Reduzierung der Partikelanzahl an einem 2.0l DI-Ottomotor mit seitlicher Einbaulage der Einspritzventile
(HDEV) untersucht.
Mischa Zeller
1982
079 503 40 91
[email protected]
Legislation
Bei der aktuellen Abgasnorm EURO
4 liegt der maximal zulässige Wert
der ausgestossenen Partikelmasse
für Dieselfahrzeuge bei 25 mg/km.
Mit der Einführung der EURO 5 ab
2009 wird dieser Grenzwert von 25
auf 5 mg/km herabgesetzt und zu
gleich erstmalig auch für Ottomo
toren limitiert.
Da das gravimetrische Messverfah
ren beim Diesel mit DPF an seine
Detektionsgrenzen stösst, wurde
beschlossen bei der EURO 5+ ein
neues Messverfahren einzuführen,
mit welchem zusätzlich noch die
Partikelanzahl (PN) gemessen wird.
Diese Neuerung wird im Zuge der
Gleichstellung von Diesel und Ben
ziner ab EURO 6 auf den Ottomotor
übertragen.
Die Einführung dieses Grenzwertes
ist vor allem für den direkteinsprit
zenden Ottomotor problematisch, da
dieses System gegenüber der Saug
rohreinspritzung erhöhte Russemis
sionen aufweist. Hauptgründe hierfür
sind neben Homogenisierungsnach
teilen auch die Spray-Wand Kontak
tierung im Brennraum des DI-Otto
motors.
Lösungsansätze
Eine verbesserte Homogenisierung
kann bei gegebener Brennraumgeo
metrie zum einen, über eine opti
mierte Zerstäubung durch Erhö
hung des Kraftstoffdruckes erreicht
werden. Weiterhin können auch Ver
besserungen durch eine optimale
Verteilung des Kraftstoffsprays im
Brennraum genutzt werden.
Um den Spray-Wand Kontakt zu
reduzieren hat man die Möglichkeit
das Einspritztiming zu optimieren.
Dies ist eine rein applikative Mass
nahme mit vergleichsweise hoher
Wirkung.
Ein weiterer Baustein zur Minimie
rung des Wandkontaktes ist die
Reduzierung der Penetration, das
heisst der Eindringtiefe des Sprays
im Brennraum.
Vorgehensweise
In der ersten Phase sollen während
einer achtwöchigen Messperiode
alle rein applikativen Massnahmen,
das heisst die Veränderung verschie
dener Steuergrössen der Software,
auf ihre Wirksamkeit geprüft werden.
In einem zweiten Schritt werden
die hardwareseitigen Massnahmen
auf ihr Potential untersucht. Als
Schwerpunkte sind hier die Opti
mierung der Sprayausrichtung, so
wie die systemseitige Erhöhung des
Kraftstoffdruckes auf über 200 bar
unter Verwendung einer verbes
serten Hochdruckpumpe zu nen
nen. Nachfolgend sollen weitere,
neu generierte Systemansätze zur
Optimierung der Gemischhomoge
nisierung auf ihr Potential zur Parti
kelminimierung untersucht werden.
Einfluss des Einspritzbeginns (ESB) auf die Partikelanzahl
32
BU
Performance test of Windows CE 5.0
Technische Informatik / Ivo Oesch
Experte: Dominique Renevey
Die Anforderungen an Embedded-Geräte steigen stetig. Immer schneller und komplexer werden die
Aufgaben, welche sie erfüllen müssen. Ohne ein Echtzeitbetriebssystem kann man sich diese Geräte heute kaum mehr vorstellen. Windows CE 5.0 ist eines dieser Echtzeitbetriebssysteme. Doch
wie gut ist Windows CE wirklich? Kann es den Anforderungen der heutigen Zeit gerecht werden? In
dieser Diplomarbeit sollen die Fragen geklärt werden.
Stefan Aebi
1984
079 450 86 26
[email protected]
Ausgangslage
An der Berner Fachhochschule wird
für den Unterricht in Technischer In
formatik das CARME-Kit verwendet.
Es bietet einen Intel XScale Con
troller mit einem ARM9 Prozessor,
welcher mit 520 MHz getaktet ist.
Auf dieser Hardware wird Windows
CE 5.0 installiert. Für die LatenzzeitMessungen wird ein zusätzliches
FPGA Modul eingesetzt, welches
auf das CARME-Kit aufgebracht
wird. Das Modul wurde bereits in ei
ner früheren Diplomarbeit zur Aus
messung von Linux Xenomai ver
wendet.
Die Messungen
Zur Durchführung der verschie
denen Messungen wird eine Ap
plikation für das CARME-Kit ent
wickelt. Diese setzt beim Eintreffen
eines Hardwareereignisses einen
Ausgangspin auf dem CARME-Kit.
Mit Hilfe des FPGA Moduls wird die
Zeit zwischen Ereignis und gesetz
tem Ausgangspin gemessen. Über
eine serielle Schnittstelle werden
die Messwerte an den PC gesen
det und mit Matlab ausgewertet,
abgespeichert und visualisiert. Die
Messungen zeigen, dass Windows
CE 5.0 als Echtzeitbetriebssystem
geeignet ist. Mit Latenzzeiten von
unter 30µs liefert es eine beacht
liche Leistung.
Auch in Zukunft wird Microsoft im
Bereich Embedded Systems eine
Rolle spielen. In der neuen Version
“Windows Embedded CE 6.0” wur
de die Performance noch einmal
verbessert.
Demonstration
Um die Echtzeitfähigkeit von Win
dows CE 5.0 zu demonstrieren, wird
zusätzlich zu den Messungen eine
Regelung für einen schwebenden
Pingpong-Ball entwickelt. Die Ap
plikation soll den Ball mit Hilfe eines
Lüfters auf einer vorgegebenen
Höhe schweben lassen. Gleichzeitig
wird der Prozessor durch Abspielen
eines Videos voll ausgelastet. Trotz
dieser Belastung muss die Rege
lung funktionsfähig bleiben.
CARME-Kit
Ziele
Ziel der Diplomarbeit, ist die Lei
stungsfähigkeit von Windows CE
5.0 auszumessen. Es werden die
Latenz- und Jitter Zeit vom Eintref
fen eines Hardwareereignisses bis
zur Reaktion des Threads gemes
sen. Weiter wird der Zeitbedarf für
einen Thread Switch gemessen.
Anhand dieser Messungen soll die
Echtzeit-Fähigkeit beurteilt werden.
34
Zeit-Latenz Diagramm der Latenz Messung
BI
Embedded Streaming Software
Technische Informatik/ Dr. Elham Firouzi, Adrian Gschwend
Experte: Stefan Brunner
Digitale Medien haben sich Ende des letzten Jahrhunderts durchgesetzt. Ihre einfache Handhabung
und die Möglichkeit der Indizierung und semantischer Verknüpfung heben sie von der Handhabung
analoger Medien ab.
In der Medizinaltechnik besteht Nachholbedarf. Die bestehenden Systeme sind den heutigen Anforderungen nicht mehr gewachsen und nützen die Möglichkeiten moderner Operationssaaleinrichtungen nicht aus.
An dieser Stelle setzt MedOnStream an. Eine Hard- und Softwarelösung zum kodieren und transportieren von Videoaufnahmen unter Verwendung hardware-beschleunigter Videokompression, welche
sich einfach in die bestehende Infrastruktur einbinden lässt.
MedOnStream
MedOnStream (Medical Online
Streaming) ist eine komplette Lö
sung zum Kodieren des Videosi
gnals einer bereits vorhandenen Ka
mera in einen digitalen Datenstrom
(Englisch: stream). Das System be
inhaltet Hardware, entwickelt von
Marco Spirig (Seite 76), die sich
um die Analog-Digital Wandlung
und Kodierung (ogg Theora) des
Videosignals kümmert, sowie ei
nen Softwareteil, der die Kodierung
kontrolliert und die Daten ins Netz
werk sendet (Englisch: streaming).
Dazu werden ausschliesslich of
fene Standards und Technologien
verwendet. Dies garantiert einen
langfristigen Investitionsschutz.
In der Medizinaltechnik, wo zur Zeit
noch mehrheitlich analoge Medien
verwendet werden, kann sich Med
OnStream in die bestehende Infra
struktur einbinden lassen. Videos
von Operationen, die zur Zeit immer
noch analog aufgezeichnet und
archiviert werden, können einfach
digitalisiert werden. MedOnStream
ermöglicht somit die sanfte Migra
tion ins digitale Zeitalter.
Softwarelösung
Die Softwarelösung beschreibt ein
komplettes System, bestehend aus
einem angepassten Betriebssy
stem, einem Gerätetreiber und ei
ner Streaming-Anwendung.
Als Betriebssystem wird ein mo
difiziertes GNU/Linux 2.6 verwen
det, das auf einem Prozessor ohne
Speicherverwaltung läuft. Zur Kom
munikation mit der Hardware wurde
ein Gerätetreiber entwickelt. Dieser
macht ebenfalls das kodierte Video
der Streaming-Anwendung verfüg
bar.
Der Streamer ist auf Effizienz aus
gerichtet. Die Hardwareanforde
rungen sind gering. Somit wird ver
sucht das “no copy issue” zu lösen
(Daten sollen im Speicher nicht ver
schoben werden).
Die Konfiguration des Systems
ist äusserst simpel. Einzig die IP-
Adressen von MedOnStream und
dem Zielserver müssen über eine
Webseite eingerichtet werden.
Nach dem Einschalten der Hard
ware verbindet sich das Gerät auto
matisch mit dem Server und initiiert
den Datenstrom.
Marc-André Beck
MedOnStream 2
In naher Zukunft wird die Hardware
darauf ausgelegt, hochauflösende
Videodaten zu verarbeiten und
über das Netzwerk zu transpor
tieren. Weiter wird die Möglichkeit
geschaffen, die Videos auf dem
Server nach verschiedenen Stich
wörtern zu indizieren. Ebenfalls
wird es möglich sein, mobile Geräte
ausserhalb des lokalen Netzwerks
mit niedrig aufgelösten Videodaten
in Echtzeit zu versorgen. Die Ent
wicklung von MedOnStream geht
weiter.
1982
032 512 73 95
[email protected]
35
BU
Datenerfassung - Visualisierungsnetzwerk P - NET
Automation / Betreuer: Ivo Oesch, Dr. Urs Brugger
Experte: Dr. Peter Winter / Auftraggeber: Jürg Joss, Procon AG, Burgdorf
In der Halbleiter- und Pharmaindustrie wird hochreines Wasser benötigt. Dafür werden am Produktionsstandort eigene Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt. Diese reinigen das Leitungswasser
in mehreren Stufen, bis eine hohe Reinheit erreicht worden ist (Leitfähigkeit < 1uS/cm bei 25°C).
Um zu jeder Zeit die erforderliche Qualität des Wassers zu gewährleisten, kommen in den Anlagen
TOC – Analysatoren (totaler organischer Kohlenstoff) zum Einsatz. Sie ermitteln die organische Belastung im gereinigten Wasser. Der TOC - Wert ist ein Qualitätsparameter. Überschreiten die Werte
eine bestimmte Grenze, so müssen unverzüglich Massnahmen eingeleitet werden um die aktuelle
Produktion nicht zu gefährden.
Kurt Blaser
1981
079 402 83 82
[email protected]
36
Ausgangslage
In einer Wasseraufbereitungsan
lage werden oft mehrere Analysa
toren eingesetzt. Dabei nehmen
die Geräte laufend Proben des
gefilterten Wassers und ermitteln
den aktuellen TOC-Wert. Damit die
Wasserqualität zentral überwacht
werden kann, gibt es bereits Steu
ergeräte, welche die Resultate der
aktuellen Messungen an einem Ort
zusammenfassen und anzeigen.
Dazu werden die verschiedenen
Analysatoren über ein RS485Netzwerk zusammengeschaltet. In
einem solchen Netzwerk können
jedoch maximal acht Geräte betrie
ben werden. Zudem arbeitet jedes
Gerät als Master, was zu Kommuni
kationsfehlern führen kann.
Netzwerk
Damit auch grössere Netzwerke
ohne Kommunikationsprobleme be
trieben werden können, wurde nach
einer besseren Lösung gesucht, die
dem heutigen Stand der Technik
entspricht. Da jeder Analysator zu
sätzlich über eine weitere serielle
Schnittstelle (RS232) verfügt, bietet
sich die Möglichkeit die Analysatoren
mit Hilfe von RS232/Ethernet-Wand
lern zu einem Ethernet-Netzwerk zu
sammen zu schalten (P-NET). Dabei
haben die Wandler die Aufgabe die
seriellen Daten in Ethernet-Pakete
abzufüllen und zur DatenerfassungsVisualisierungsstation zu senden.
Auf dem Computer werden die Pa
kete wieder zusammengefasst und
an virtuelle COM-Ports gesendet.
Diese Ports können auf dieselbe
Weise wie die seriellen Schnittstellen
der Analysatoren verwendet werden.
Somit kann parallel zum bestehen
den RS485 – Netzwerk, ein neues
Netzwerk mit bis zu 255 Geräten er
stellt werden.
Software
Zur Realisation der Datenerfas
sung- Visualisierung wurde die Ent
wicklungsumgebung Borland C++
gewählt. Mit der darin neu entwi
ckelten Software wird es erst mög
lich, die Geräte im Netzwerk von
einem Ort aus zu verwalten. Die ak
tuellen Messwerte und der Geräte
modus werden tabellarisch aufgeli
stet und die historischen Messwerte
grafisch dargestellt (Realtime-Hi
storicaltrend). Das Programm stellt
dazu automatisch die Kommunika
tion über die virtuellen COM-Ports
zu den Geräten her und liest kon
tinuierlich die aktuellen Datensätze
aus. Der Anwender kann so frühzei
tig durch die grafische Darstellung
Störungen der Wasseraufberei
tungsanlagen erkennen und damit
Produktionsausfälle verhindern. Zu
dem ist das Programm erweiterbar,
so dass in weiteren Entwicklungs
schritten auch fremde Geräte ein
gebunden werden können.
Unter Strom stehen...
...nicht nur unsere SolarMax-Wechselrichter sondern auch
unsere Mitarbeiter.
Sputnik Engineering AG – 1991 von ehemaligen Assistenten der Ingenieurschule Biel gegründet – verschrieb
sich der Entwicklung von Solarstrom-Wechselrichtern. Heute zählt das Bieler Unternehmen mit seinen SolarMax-Geräten zu den Top 3 auf dem europäischen Markt der netzgekoppelten Photovoltaik-Wechselrichter.
Der Erfolg von Sputnik Engineering basiert auf 3 Unternehmensgrundsätzen:
CLEVER: Die Technologie der erneuerbaren Energien mit intelligenten und einfachsten
Lösungen weiter zu entwickeln.
KRAFTVOLL: Durch unternehmerisches, diszipliniertes Handeln die Unabhängigkeit
der Firma und ihrer Stärken zu fördern.
ÜBERZEUGEND: Durch Übernahme von Verantwortung Vertrauen in die Firma und
ihre Kompetenzen schaffen und Probleme als Chancen für neue Lösungen betrachten.
Sputnik Engineering AG
Höheweg 85 · 2502 Biel
Switzerland
Tel. + 41 (0)32 346 56 00
Fax + 41 (0)32 346 56 09
[email protected]
www.solarmax.com
www.solarmax.com
BI
Électricité et systèmes
de communication
Hybrid SAM II – System Integration
Systèmes énergétiques / Michael Höckel, Dr. Andrea Vezzini
Expert: Alfred Brechbühler, Energie Service Bienne
L’impact de la combustion du pétrole sur l’environnement et la diminution prévue des stocks obligent à envisager, à plus ou moins long terme, le remplacement de cette énergie par une autre qui
soit, en plus, plus propre. C’est pourquoi la HESB-TI a décidé de développer, dans la section “systèmes énergétiques”, un véhicule non polluant. Ce dernier, appelé “Hybrid SAM II”, est un véhicule “propre” équipé, entre autres, d’une pile à combustible (hydrogène-air) utilisant de l’hydrogène
comme combustible. Ce véhicule ne produit pas d’émissions polluantes car seule de l’eau résulte à
l’échappement.
Nebojsa Zivkovic
1985
079 548 37 58
[email protected]
Concept
L’Hybrid SAM II est une modifica
tion du véhicule électrique SAM dé
veloppé par la société Cree SA de
Bienne. Cette modification, effec
tuée lors d’un précédent travail de
diplôme, consistait à faire fonction
ner le véhicule avec une pile à com
bustible à la place des batteries au
plomb. Ce présent travail de diplô
me consiste, quant à lui, à améliorer
la version précédente.
Données du véhicule
L’Hybrid SAM II est un véhicule
compact à trois roues (deux de
vant et une à l’arrière) prévu pour le
trafic urbain. Ce dernier offre suffi
samment de place pour le transport
de deux personnes, placées l’une
derrière l’autre. Il est doté d’un mo
teur électrique brushless à aimants
permanents (avec courroie crantée
sur roue arrière) qui délivre une puis
sance maximale de 15 kW et un cou
ple de 80 Nm. L’accélération de 0-50
km/h se fait en 7 secondes et la vi
tesse maximale atteignable est de 85
km/h. La consommation d’hydrogè
ne du véhicule est de 450 g/100km
et son autonomie est de 150 km.
Système
L’approvisionnement en énergie du
véhicule se fait de deux manières:
d’une part, nous avons une pile à
combustible PEMFC (pile à com
bustible à membrane électrolyte
polymère) d’une puissance de 6 kW,
et de l’autre, des batteries lithium
polymère. Ces dernières, utilisées
comme accumulateurs d’énergie,
et combinées avec la pile à com
bustible à l’aide d’un convertisseur
DC/DC, permettent de fournir une
puissance maximale de 15 kW. La
surveillance et la gestion des péri
phéries se fait à l’aide d’un micro
contrôleur. Côté surveillance, il per
met le contrôle: de la tension des
cellules de la pile à combustible, du
courant produit, de la température
des circuits de refroidissement, de
la pression des circuits des gaz, et
enfin du contenu du réservoir. Côté
gestion, il permet: l’enclenchement
des différentes pompes et vannes,
ainsi que le déclenchement du
système lors d’imprévus. Tous ces
paramètres, gérés par ce mi
crocontrôleur, permet
tent une utilisation
optimale
du véhicule et assurent une sécu
rité accrue au conducteur. Ce der
nier peut, à tout moment, être infor
mé de l’état de son véhicule sur le
tableau de bord.
Implémentation
Tout le système décrit plus haut est
installé avec soin à l’intérieur du vé
hicule.
Système de l’Hybrid SAM II
Hybrid SAM II
38
BI
Hybrid SAM II - Control and Monitoring
Energiesysteme / Michael Höckel, Dr. Andrea Vezzini
Experte: Alfred Brechbühler, Energie Service Biel
Der Hybrid SAM II wird aus zwei verschiedenen Energiespeichern versorgt. Zum einen aus Lithiumpolymer-Batterien, zum andern aus einem Metallhydrid-Speicher mit Wasserstoff. Das bedeutet
auch, dass das System des Fahrzeuges modular, mit unterschiedlichen Komponenten, aufgebaut
ist. Die Kommunikation zwischen diesen Komponenten und ihre Selbständigkeit sind zwei wichtige
Aspekte im Hybrid SAM II. Zur Analyse und Optimierung des Systems werden Messungen und Betriebszustände mit einem LabVIEW TM -Programm aufgezeichnet.
Aufbau
Die verschiedenen Komponenten
des Hybrid SAM II müssen mitei
nander kommunizieren, und dabei
eine gewisse Autonomie aufwei
sen. Das System ist hierarchisch
Hierarchischer Aufbau
CAN-Bus
Die zur Kommunikation nötigen In
formationen werden mittels CANBus übertragen. Dieser Standard
wurde ursprünglich von der Au
tomobilindustrie entwickelt und
eignet sich hervorragend für die
Anwendung im Hybrid SAM II. Zur
Übertragung wurde das CANopenProtokoll verwendet. Dieses Proto
koll definiert Standards, welche ein
sicheres Zusammenspiel der Kom
ponenten garantieren.
aufgebaut. Das Master Module hat
die Kontrolle über das System und
koordiniert die verschiedenen Ab
läufe und das Zusammenspiel der
restlichen Module. Die Autonomie
der Komponenten garantiert eine
schnelle Reaktion auf Einflüsse von
aussen, Änderungen der Mess
werte oder kritische Betriebszu
stände. Mit dieser Struktur ist die
nötige Sicherheit gewährleistet.
Monitoring
Um einen Überblick des System
zustands zu ermöglichen, müssen
die auf dem CAN-Bus verschickten
Daten visualisiert und aufgezeichnet
werden können. Zu diesem Zweck
wurde mit LabVIEWTM ein Programm
geschrieben, das diese Aufgaben
erfüllt. So können alle wichtigen
Betriebsparameter detailliert und
nach Komponenten geordnet, aber
auch als komplette Übersicht über
den allgemeinen Betriebszustand
abgerufen werden. Über dieses
Programm kann zudem in das Sy
stem eingegriffen werden. So zum
Beispiel, um den Betriebsmodus
manuell zu verändern.
Marc Hachen
1981
079 745 65 49
[email protected]
Dominic Isenschmid
1983
079 258 12 62
[email protected]
Programmierung
Die Regelung der Gasversorgung
der Brennstoffzelle, wie auch die
Regelung des Gesamtsystems
werden von zwei Mikrokontrollern
übernommen. Dafür wurden vom
FC-SAM Project bestehende Pro
grammteile überarbeitet, aber auch
grosse Teile neu geschrieben. Ziel
der Regelung ist, alle Elemente mit
höchst möglichem Wirkungsgrad
und bei optimaler Temperatur zu
betreiben.
Startoberfläche LabVIEW TM-Programm
39
BI
Hybrid SAM II - Lithium Polymer Battery Module
Im Hybrid SAM II wird zur Unterstützung des Brennstoffzellenstapels eine komplett neu konstruierte
Batterieeinheit mit Lithium-Polymer-Zellen der koreanischen Firma Kokam eingesetzt. Während der
Semesterarbeit wurde der Aufbau entwickelt, welcher jetzt in der Diplomarbeit realisiert worden ist.
Ausserdem beinhaltete diese Arbeit die Inbetriebnahme des Moduls und den Einbau in das Fahrzeug. Wegen des beschränkten Platzangebotes musste ein optimales Packaging erreicht werden.
Stefan Schori
1984
079 326 57 42
[email protected]
Die neue Batterieeinheit besteht
aus 48 in Serie geschalteten
Lithium-Polymer-Zellen. Eine einzel
ne Zelle stellt eine Nennspannung
von 3.7 Volt zur Verfügung. Daraus
ergibt sich eine Gesamtspannung
von 177.6 Volt, was bei einer Kapa
zität von 12 Amperestunden einem
Energieinhalt von 2.13 Kilowattstun
den entspricht. Der maximal zuläs
sige Laststrom kann über 100 Am
pere betragen.
Zusätzlich zur Batteriespannung
bietet die Einheit einen 12 Volt- und
48 Volt-Anschluss an. Diese Span
nungen werden durch zwei DC/
DC-Wandler mit jeweils 600 Watt
Ausgangsleistung erzeugt. Beide
Anschlüsse versorgen die diversen
Peripherieteile wie beispielsweise
die Kühlwasserpumpe, das Licht
oder den Luftkompressor und la
den die Boardbatterie (12 Volt) auf.
Der Brennstoffzellenstapel lädt
während dem Fahrzeugbetrieb die
Lithium-Polymer-Zellen auf, wofür
Wasserstoff verbraucht wird. Dank
eines im Hybrid SAM II fixierten La
degerätes ist es aber ferner mög
lich, das Fahrzeug im Stillstand über
einen 230 Volt-Netzanschluss ganz
einfach aufzuladen, auch wenn der
Wasserstofftank leer ist.
Lithium-Polymer-Zellen sind elek
trisch und thermisch empfindlich,
weshalb die Kontrolle einer Vielzahl
von Parametern unbedingt not
wendig ist. Darum ist ein Battery
Management System (BMS) einge
baut, das jede Zellenspannung und
den fliessenden Laststrom misst.
Eine Lithium-Polymer-Zelle der koreanischen Firma Kokam mit einer
Dadurch wird es möglich, alle Zell
spannungen bis auf wenige Milli
volt Abweichung abzugleichen so
wie ein Überlasten der Zellen beim
Laden und Entladen zu verhindern.
Zudem überprüfen sechzehn Tem
peratursensoren, die zwischen den
Zellen verteilt sind, kontinuierlich die
Temperatur. Eine integrierte Was
serkühlung hält die Temperatur auf
einem ungefährlichen Niveau und
beugt so eine Überhitzung der Zel
len vor. Falls dennoch gefährliche
Zustände auftreten sollten, können
an das BMS angeschlossene Leis
tungsschalter die Zellen jederzeit
vom restlichen System trennen.
Das BMS verfügt über einen CANAnschluss, wodurch die Batterie
einheit mit der Steuerung des Fahr
zeuges kommunizieren kann.
Das Battery Management System zur Überwachung der Batterieeinheit
Nennspannung von 3.7 Volt
40
BI
Hybrid SAM II - Fuel Cell System
Die herkömmlichen Energiequellen neigen sich langsam aber sicher dem Ende zu, die Energie aus
Atomkraftwerken ist umstritten und die Produktion aus alternativen Energiequellen wie Sonnenoder Windkraftwerken ist zeitlich stark schwankend und daher schlecht planbar. Für Energie aus
solchen Kraftwerken bracht es also einen Speicher. Dieser könnte in naher Zukunft der Wasserstoff
sein. Mit einer Brennstoffzelle kann der Wasserstoff wieder in elektrische Energie umgewandelt
werden. Gerade bei Fahrzeugen wie dem SAM ist die Brennstoffzelle ein idealer Energiewandler.
Die Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle ist das Herz
stück des Hybrid SAM II. Es handelt
sich dabei um eine Polymer-Elek
trolyt-Membran-Brennstoffzelle.
Kurz PEM-Brennstoffzelle. Sie wur
de in der BFH TI in Biel zusammen
gebaut und getestet. Anschliessend
wurden am Teststand die optimalen
Betriebsparameter ermittelt.
Sie ist aus 100 Einzelzellen zu
sammengesetzt, welche elektrisch
in Serie geschalten sind. Sie ist
so ausgelegt, dass sie bei 60Volt
100Ampere liefern kann und somit
eine permanente elektrische Lei
stung von 6kW erzeugt.
Die PEM-BZ wird mit Wasserstoff
und Luft betrieben. Die beiden
Gase werden in eine von einer gas
dichten Membrane getrennte Kam
mern geführt. Die Gasverteilung er
folg dabei parallel. Der molekulare
Wasserstoff dringt durch die Anode
zur Membrane vor. Dort reagiert der
Wasserstoff mit dem fein verteilten
Platin. Dieser Katalysator spaltet
die Wasserstoffmolekühle in zwei
Wasserstoffionen (H+). Bei diesem
Vorgang werden zwei Elektronen
frei.
Die freigewordenen Elektronen flies
sen als Strom durch die angeschlos
sene Last auf die Kathodenseite wo
sie mit den durch die Membrane
geleiteten Ionen und dem Sauer
stoff zu Wasser reagieren.
Integration im Fahrzeug
Als
lastabhängig
einsetzbarer
Energielieferant eignet sich die
Brennstoffzelle ausgezeichnet zur
Versorgung eines elektrischen
Fahrzeuges.
Im Hybrid SAM II wird die Brenn
stoffzelle durch einen Kompressor
mit Luft versorgt. Da die Luft nur
20% Sauerstoff enthält muss der
Kompressor bis zu 300 Liter pro
Minute fördern. Der Wasserstoff
wird in einem Metalhydridspeicher
auf dem SAM mitgeführt. In ihm bin
det sich der Wasserstoff chemisch
mit dem Metall und wird so einge
lagert. Somit herrschen keine ho
hen Drücke auf dem Fahrzeug. Der
Wasserstoff fliesst in einem, von ei
ner Gaspumpe angetriebenen, ge
schlossenen Kreislauf. Durch ein
gesteuertes Ventil wird das, von
der chemischen Reaktion erzeugte
Wasser, aus dem Kreislauf entfernt.
Eine Steuerelektronik und dazuge
hörige Software regeln und über
wachen die Gasflüsse und die be
nötigte Leistung. Es ist so möglich,
je nach Energiebedarf des Fahr
zeuges die Energieproduktion der
Brennstoffzelle zu steigern oder zu
drosseln. Somit können für unter
schiedliche Fahrstrecken geeignete
Parameter eingestellt werden um
so die Effizienz, und damit verbun
den auch die Reichweite des Fahr
zeuges zu optimieren.
Michael Christ
1981
079 568 81 34
[email protected]
41
BU
Software für CAN Safety
Automatisierung / Prof. Max Felser
Experte: Josef Meyer
Die Firma GHS Automation AG (www.ghsautomation.com) entwickelt und produziert Industrieroboter und ganze Automationszellen für die Kunststoffindustrie. Die Automationszellen können sehr
komplex werden, da neben der Teilentnahme aus der Spritzgiessmaschine auch zusätzliche Maschinen eingebunden werden müssen. So kann nach einer Teilentnahme das Teil mit einem Tampoprinter bedruckt werden, mit einer Stapleranlage Kisten zugeführt oder wegbefördert werden.
Um die Zellen zu warten, bedarf es mehrere Schutztüren, Lichtschranken und andere Personenschutzsysteme. Wird die Sicherheitstechnik konventionell mit Sicherheitsrelais realisiert, so ergibt
dies eine aufwändige Elektroplanung mit vielen Kabeln.
Dominique Egloff
1982
078 793 75 69
[email protected]
Ausgangslage
Für die Firma GHS Automation AG
wäre es wünschenswert, wenn
grössere Systeme mit CAN Safety
vernetzt werden könnten. Von der
Organisation CAN in automation
gibt es bereits einen zertifizierten
CAN Safety Chip, der als Grundlage
dienen soll. Während der Semester
arbeit wurde ein Print mit dem CAN
Safety Chip und den zusätzlich be
nötigten Komponenten entwickelt.
Während der Diplomarbeit wurde
die dazu benötigte Software reali
siert.
Hardware
Der entstandene Print beinhaltet
alles, was bei komplexen Automa
tionszellen benötigt wird. Digitale
Ein-/Ausgänge (für Sensoren, Ven
tile, Signallampen, usw.), analoge
Eingänge (für die Vakuumüberwa
chung), sicherheitsgerichtete Ein
gänge (für Not-Aus, Lichtschranken,
usw.), sicherheitsgerichtete Ausgän
ge (für Antriebe, Schützen). Dadurch
führt nur noch ein CAN-Bus Kabel
zu den einzelnen Peripherien. Der
neue Print ist um ein vielfaches bil
liger und flexibler als die herkömm
lichen Sicherheitsrelais.
GHS Print 18407a
42
Folgende Komponenten sind auf
dem Print vorhanden:
- Je 16 digitale Ein-/Ausgänge
- 4 analoge Eingänge
- Je 2 sicherheitsgerichtete Ein-/
Ausgänge (zwei-kanalig)
- RS232 Schnittstelle
- CAN-Bus Schnittstelle
- Node-Schalter für die Adressie
rung
Der CAN Safety Chip kann bis zu
einer Sicherheitsintegrität von SIL3
eingesetzt werden.
Software
Die Software des CAN Safety Chip
besteht aus zwei grundlegenden
Teilen, der permanenten Firmware
und der variablen Safety Appli
kation. Die permanente Firmware
enthält den CANopen Safety Pro
tokoll Stack mit allen sicherheits
relevanten Feldbusfunktionen, die
Diagnosefunktionen für RAM, Re
gister, Stack und Flash. Im zweiten,
variablen Flash-Bereich steht die
Safety Applikation für den Print.
Von der Organisation CAN in au
tomation gibt es für sicherheitsge
richtete Ein-/Ausgänge je ein Bei
spielprogramm in C. Die Software
musste auf je 2 sicherheitsgerichte
te Ein-/Ausgänge erweitert werden.
Zusätzlich wurden die digitalen Ein-/
Ausgänge und die analogen Ein
gänge eingebunden.
BU
MultiAxisAnalyzer
Mechatronik / Prof. Willi Merk
Experte: Beat Ronner / ABB
Die Bystronic Laser AG entwickelt und produziert Laserschneidanlagen zur Bearbeitung von Blechen. Dabei bewegt die Anlage den Schneidkopf mit maximal 169m/min (rund 10 km/h) und positioniert ihn auf zehn Mikrometer genau. Durch Auswertung der Inkrementalgeber auf den Achsen kann
die Position ermittelt werden. Um die Dynamik und Präzision der Laserschneidanlage zu messen
und zu optimieren, wird eine eigenständige Messeinrichtung, ein sogenannter Analyzer benötigt.
Ausgangslage
Ein Analyzer, basierend auf einer
Messkarte für den Computer mit
einem FPGA (programmierbare
Logik), existiert bereits. Das FPGA
zählt die Impulse und stellt die Da
ten der Messkarte zum Auslesen
zur Verfügung. Da die Rechenlei
stung des Computers jedoch nicht
dauernd der Messkarte zur Verfü
gung steht, gehen Daten verloren.
Ferner ist das FPGA Design nicht
vollständig synchron gelöst und das
Abtastintervall der Daten zu gross.
Forderungen
Gefordert ist nun eine leistungs
starke Hardware, welche unabhän
gig vom Computer die Daten lü
ckenlos aufzeichnen kann und bei
verfügbarer Rechenleistung die Da
ten an den Computer übermittelt.
Weiter soll die Hardware die Mög
lichkeit bieten, Tachospannungen
oder Spannungen von Beschleu
nigungssensoren synchron zu den
übrigen Daten zu erfassen.
Realisierung- MultiAxisAnalyzer
Da der gesamte Analogteil des
MultiA xisAnalyzers auch in einem
abgesetzten Gerät eingesetzt wird,
teilt sich die Hardware auf das Main
Board und das AnalogBoard auf.
Das MainBoard enthält die Hard
ware zum Zählen der Inkremente auf
den total 24 Signalleitungen mit ei
ner maximalen Frequenz von bis zu
6MHz und einer Impulsbreite von nur
100ns. Dies wird mit einem FPGA
realisiert. Da der MultiAxisAnaly
zer nur in kleinen Stückzahlen zum
Einsatz kommen wird, macht der
Einsatz eines Kontrollermoduls Sinn.
Es erleichtert mit dem Betriebssy
stem Windows CE die Kommunika
tion über Ethernet und USB massiv.
Zudem besitzt es den geforderten
Arbeitsspeicher zum Zwischenspei
chern der Daten und verfügt über
einen leistungsstarken Prozessor
zum Bewältigen der umfangreichen
Datenmenge. Der MultiA xisAnalyzer
kann auch mit externen Speicher
medien wie einem USB Stick oder
einer Harddisk erweitert werden.
Auf dem AnalogBoard gelangen die
Signale über die umschaltbare Pe
gelanpassung und die Antialiasing
filter auf den 16 Bit Analog/Digital
wandler (ADC) mit sechs synchron
abgetasteten Kanälen. Vom ADC
werden die Daten via SPI (synchro
ne serielle Schnittstelle) auf das
MainBoard übertragen. Dort wer
den sie, wie auch die Inkremente
von der Maschine, galvanisch ge
trennt und vom FPGA erfasst.
Sascha Feuz
1983
079 704 86 87
[email protected]
AnalogBoard
Die Analyse und Auswertung der
gemessenen Daten, die bereits auf
dem MultiAxisAnalyzer oder erst
nach Übertragung an den Com
puter in eine Datei geschrieben
werden, erfolgt schlussendlich mit
Matlab. Dargestellt werden Weg-,
Geschwindigkeit- und Beschleu
nigungszeitdiagramme oder auch
das tatsächlich ausgeschnittene
Werkstück. Nun kann der Vergleich
mit dem vorgegebenen Stück oder
mit berechneten Kräften auf einer
Achse oder das Optimieren der Re
gelparameter beginnen!
Schnegg Sandro
1984
079 517 52 73
[email protected]
Funktionsübersicht
43
BU
Short Range Wireless Communication
Hochfrequenztechnik, Technische Informatik / René Obi, Martin Aebersold
Experte: Hans Zahnd
Die Qualität eines terrestrischen Funkkanals ist sehr schwankend. Infolge der Mehrwegausbreitung und anderer unerwünschter Einflüsse kann eine Funkübertragung zeitweilig ausfallen oder
stark gestört werden. Die dabei entstehenden Übertragungsfehler können beim Empfänger korrigiert werden, wenn die Daten vor dem Senden mit gezielter Redundanz erweitert werden. Dazu gibt
es verschiedene Verfahren die als Kanalcodierungen bezeichnet werden. Ziel dieser Diplomarbeit
ist es, ein Messsystem zu entwickeln mit welchem die Auswirkungen der Kanalcodierung in einem
Funkkanal untersucht werden können (z.B. Short Range Device).
Bruno Frei
1984
079 302 39 07
[email protected]
Marc-Philippe Mürner
1983
077 409 06 73
[email protected]
Ausgangslage
Das bestehende Messsystem aus
einer früheren Diplomarbeit hat
zwei wesentliche Einschränkungen.
Einerseits ist die Übertragung der
Testdaten auf 10 kBit/s beschränkt
und andererseits werden diese
uncodiert übertragen. Die Daten
rate soll nun auf 1 Mbit/s gestei
gert werden. Einige Hard- und
Software-Elemente sind dafür aber
deutlich zu langsam. Deshalb wur
de im Rahmen der vorangehenden
Semesterarbeit ein Konzept zur
Optimierung der Software erarbei
tet und geprüft. Auch die Hardware
wurde verbessert. Die neue Trans
ceiver Unit ist nun deutlich kleiner
(3x4 cm), obwohl sie um verschie
dene Funktionen erweitert worden
ist. So verfügt sie nun nebst USB
auch über eine Ethernet-Schnitt
stelle. Weiter kann sie zur Daten
speicherung eine microSD-Karte
aufnehmen und verfügt über aku
stische und optische Signalgeber.
Die Hardware ist modular aufge
baut und kann deshalb um nahe
zu beliebige Schnittstellen erwei
tert werden. Die Daten werden im
lizenzfreien ISM-Band bei 2.4 GHz
per FSK oder GFSK übertragen.
Systemaufbau
Die Testdaten werden beim MasterPC generiert und über USB an den
RF Transmitter übermittelt. Dort
werden sie kanalcodiert und an
schliessend über die Luftschnitt
stelle an den RF Receiver gesen
det. Dieser empfängt die Daten
und decodiert sie. Anschliessend
44
überträgt er sowohl die korrigier
ten Daten wie auch Informationen
zur erfolgten Fehlererkennung
und -korrektur über USB an den
Slave-PC. Dieser leitet die Daten
via Ethernet weiter an den MasterPC wo sie mit den Testdaten ver
glichen werden. Empfangsfeldstär
ke, Bitfehlerrate, Fehlertypen und
SRWC Transceiver Unit (Version 3.0)
weitere statistische Auswertungen
werden vorgenommen und visuali
siert. Werden die Messungen nun
mit verschieden Kanalcodierung in
verschiedener Umgebung vorge
nommen, können empirische Aus
sagen zur spezifischen Tauglichkeit
bestimmter Kanalcodierungen ge
macht werden. Die Transceiver Unit
kann wahlweise als Sender oder
Empfänger konfiguriert werden. Die
Konfiguration und Auswertung wird
beim Master-PC vorgenommen, Einund Ausgaben können aber auch
am Slave-PC gemacht werden. Die
Daten werden im Messsystem uni
direktional und ohne Protokoll über
die Luftschnittstelle übertragen.
Für zukünftige Entwicklungen ist
aber die Möglichkeit gegeben, bi
direktionale Verbindungen per Pro
tokoll zu implementieren. Zudem
bietet die Transceiver Unit mit im
plementierter Kanalcodierung eine
gute Voraussetzung um schnelle,
robuste Drahtlos-Verbindungen im
Nahbereich (Short Range Devices)
zu realisieren.
Aufbau des Testsystems
BU
Erfassung von Wetterdaten mit digitalen Sensoren
Elektronik & Technische Informatik / Prof. Daniel Lanz
Experte: Dr. Niklaus Affolter
Das Messen von Wetterdaten wird vielfach unterschätzt. Um exakte Werte zu erzielen, gibt es heute
viele Sensoren mit digitalem Interface, welche die AD-Signalumwandlung und Fehlerkorrektur intern durchführen.
Mit Hilfe eines 8Bit-Mikrocontrollers wurde eine Wetterstation aufgebaut, welche Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck erfassen kann. Für eine weitere Analyse können die Werte auf einer SDKarte abgespeichern werden. Die Wetterstation wurde für weitere Projekte und als Grundlage für
Praktikumsübungen ausgelegt.
Ausgangslage
Als Projektarbeit im Vertiefungs
modul Sensorik entstand die erste
Version der Wetterstation. Sie ba
siert auf dem Atmel-Microcontroller
ATMega64 und Sensoren für die
Erfassung von Temperatur, Luft
feuchtigkeit und Luftdruck. Erfasste
Werte konnten nur dargestellt, aber
nicht abgespeichert werden.
Ziele
Die Hauptaufgabe der Diplomar
beit bestand in der Erweiterung der
bestehenden Wetterstation. Mess
werte sollen mit einem Zeitstempel
versehen auf einer SD-Karte abge
speichert werden können. Zudem
soll das ganze System möglichst
flexibel aufgebaut sein, damit es
für weitere Projekte und Prakti
kumsübungen eingesetzt werden
kann. Des weiteren wurde der in
der vorgängigen Semesterarbeit
entwickelte Beschleunigungssen
sor in praktischen Anwendungen
eingesetzt.
Wetterstation
Um die Wetterdaten abspeichern
zu können, wurde die Wettersta
tion mit einer SD-Karte, einer Real
Time Clock und einem optional
anschliessbaren Grafikdisplay er
weitert. Messwerte können mit der
Zeitinformation auf der SD-Karte in
Form von Textdateien abgespei
chert werden. Dank dem imple
mentierten FAT-System auf der SDKarte sind die Daten auch auf dem
PC für eine weitere Analyse abruf
bar. Zur Visualisierung kann ein LC-
Display mit 4 Zeilen zu jeweils 20
Zeichen oder ein bi-stabiles Grafik
display angeschlossen werden. Um
die Flexibilität und Ausbaufähigkeit
weiter zu erhalten, wurden alle nicht
verwendeten Ports und diverse
Schnittstellen auf eine Steckerleiste
geführt.
Martin Gäumann
1983
Windböen und Regenintensität
Wind- und Regenereignisse können
auf verschiedene Art und Weise er
fasst werden. Mit Hilfe des in der
vorgängigen Semesterarbeit ent
wickelten Beschleunigungssensors,
wurde ein Böen- und ein Regen
intensitätssensor als Prototyp ent
wickelt. Die Sensoren sind mit der
Wetterstation verbunden, welche
die Werte umrechnet und visua
lisiert.
079 709 95 93
[email protected]
Blockschaltbild Wetterstation
45
BI
BU
Bewegungsmotivation
Mikroelektronik / Prof. Dr. Marcel Jacomet und Prof. Dr. Josef Götte
Experte: El. Ing. HTL Felix Kunz, Digital-Logic AG
Übergewicht ist ein Volksproblem. Wie der 5. Schweizerische Ernährungsbericht festhält, sind fast
50% der Männer, 30% der Frauen und jedes 5. Kind zu schwer. Eine gesunde Ernährung und mehr Bewegung im Alltag würden dieser steigenden Tendenz entgegen wirken. Das Diplomprojekt “movetec”
hat zum Ziel die alltägliche Bewegung zu fördern und die Nutzer zu motivieren, die Treppe dem Lift
vorzuziehen, das Fahrrad anstelle des Autos zu benutzen und bewusst mehr Sport zu treiben. Als Motivationsspritze dient das Training im Team. Das Bewegungserfassungs-System zählt die gemeinsam
erbrachte Leistung zusammen, ist einfach zu bedienen und für viele Anwendungen geeignet.
Ramon Gautschi
1982
079 752 66 20
[email protected]
Lukas Kohler
1982
078 817 77 77
[email protected]
46
Situation
Jugendliche bewegen sich zu wenig;
die Bewegungsarmut entwickelt
sich zu einem Problem. Trotz wach
sendem Interesse am Breitensport
gibt es immer mehr übergewichtige
Personen. Die Zunahme passiver
Freizeitaktivitäten wie TV Konsum,
arbeiten am PC oder Games spielen,
in Verbindung mit vielfach unausge
wogener Ernährung, führen zu einer
Volkskrankheit. Zudem schränkt die
Urbanisierung den Bewegungsraum
ein. Aus diesen Gründen müssen
neue Methoden zur Bewegungsmo
tivation eingesetzt werden.
Die SUVA hat diese Problematik er
kannt und begegnet ihr im Projekt
“Zusammen aufs Matterhorn”
mit einem präventiven Ansatz.
Das Ziel der Versicherungs
gesellschaft besteht darin, Per
sonen anzuspornen, sich mehr zu
bewegen, um bei Krankheit oder
Unfall die Genesungszeit zu verkür
zen. Die Initiatorin will ihr Ziel mit Hilfe
der Gruppendynamik erreichen.
Auf freiwilliger Basis wird im Team
ein Ziel festgelegt. Der Weg führt
über eine virtuelle Karte an den
Endpunkt. Alle körperlichen Be
wegungen im Alltag werden erfasst
und als zurückgelegte Strecke auf
der Karte abgebildet. Die Teilneh
mer sollen sich gegenseitig zu mehr
Bewegung anspornen und ihre pas
siven Gewohnheiten hinter sich las
sen.
Als die Idee geboren war, setzte
die SUVA den Grundstein zur tech
nischen Umsetzung dieses interdis
ziplinären Projekts.
Konzept
Die Realisierung erfolgt mit mobilen
Bewegungserfassungs-Systemen,
die jeder Teilnehmer auf sich trägt.
Es sollen nicht nur sportliche Betä
tigungen, sondern auch Aktivitäten
im Haushalt, in der Schule, bei der
Arbeit und in der Freizeit aufge
zeichnet werden.
Die Bewegungen werden kontinu
ierlich auf der Anzeige dargestellt.
Um die Bewegungsdaten der ein
zelnen Teammitglieder auszuwerten,
werden sie über eine drahtlose
Schnittstelle auf eine Basis-Station
übertragen. Die am Internet ange
schlossene Basis-Station wertet die
Daten aus und stellt sie in einem
p a s s w o r tg e s c h ü t z t e n
Bereich den jeweiligen
Teammitgliedern
auf
einer Homepage dar.
Die sensiblen Daten
werden verschlüs
selt übertragen
und gespeichert.
Bewegungserfassungs-System
Das mobile und autonome System
erfasst mit verschiedenen Sen
soren die Aktivität des Benutzers.
Es werden die Anzahl Schritte, die
Höhe über Meer und die Herz
frequenz des Anwenders gemes
sen, ausgewertet und anzeigt. Das
Gerät kann auch als Velocomputer
benutzt werden.
Der ambitionierte Sportler kann sei
ne Trainingssequenzen effizienter
planen, durchführen und auswer
ten. Der Kalorienverbrauch wird
berechnet und unterstützt die Ge
wichtsabnahme durch eine negative
Energiebilanz.
Sobald sich das mobile Bewegungs
erfassungs-System im Empfangs
bereich der Basis-Station befindet,
werden die gespeicherten Daten
per Funk übertragen. Über die USBSchnittstelle werden die Werte auf
einen PC übertragen und gleichzei
tig wird die Batterie geladen.
Basis-Station mit Webserver
Die Basis-Station empfängt die In
formationen des Bewegungserfas
sungs-Systems und speichert sie
in einer Datenbank. Ein Webserver
bereitet diese Daten auf und stellt
sie auf einer Webpage dar.
Damit der Anwender seine sport
lichen Betätigungen wetterabhän
gig planen kann, verfügt das Sy
stem über eine Wetterstation.
Die Basis-Station hat eine intel
ligente Benutzererkennung und
-verwaltung, um mehrere Benutz
ergruppen über die gleiche Station
zu administrieren und den Daten
schutz zu gewährleisten.
Die Messdaten werden auf einer
Speicherkarte abgelegt, um Bewe
gungsprofile und Langzeitanalysen
zu erstellen.
BI
TECHNISCHE DATEN
• erfassen von
Kontroller:
• ARM7S256 von Atmel
• Systemtakt: 30 MHz
> Herzfrequenz
> Höhenprofil
Peripherie:
• RTC (Echtzeituhr)
• Vollgrafik LCDisplay (95 x 80 Pixel)
• microSD Karte 4GB
> Beschleunigungen
> Schritten
> Radumdrehungen
Sensoren:
• Druck 10...1100 mBar (15 bit ADC)
• 3D Beschleunigung +/- 2g (1mg)
• Brustgurt (Herzfrequenz)
• Reed Schalter (Tachosignal)
• auswerten
• speichern
• übertragen der Daten
Schnittstellen:
• RFID (2.4 GHz ISM, ANT Modul)
• TWI, SPI, USART
• USB
Basis-Station
• auswerten und speichern der Daten
Basis-Station
Embedded Webserver:
• SC13-LF von BECK mit RTOS
• 40 MHz, 4MB Flash, 4MB RAM
• administrieren der Benutzergruppen
• visualisieren auf dem Internet
• Bewegungsprofile und Langzeitanalysen
Sensoren:
• Luftdruck, Luftfeuchtigkeit
• Temperatur, Helligkeit
Schnittstellen:
• RFID (2.4 GHz ISM, ANT Modul)
• 100Base-T Ethernet
Speisung:
• Power over Ethernet (IEEE 802.3af)
47
BU
Verfolgung bewegter Objekte in drei Dimensionen
Bildverarbeitung / Prof. Dr. Jakob Schmid
Experte: Hansjürg Klock, De La Rue International Limited
Im Bereich der Robotik und Automation ist für viele Anwendungsfälle eine dreidimensionale Modellierung der Umwelt eine zwingende Voraussetzung. Beispielsweise müssen autonome Fahrzeuge
oder Fluggeräte selbstständig Gegenstände in ihrer Bewegungsrichtung erkennen können, um geeignet darauf zu reagieren. Zum Erfassen von Hindernissen oder anderen Objekten gibt es unterschiedlichste Konzepte. Neben Ultraschallsensoren, Radargeräten und Laserscannern werden sehr
häufig auch Stereokamerasysteme eingesetzt.
Motivation
Besonders unter Fachhochschu
len und Universitäten sind Wettbe
werbe mit autonomen Robotersy
stemen immer beliebter. Die hohen
Anforderungen in den Bereichen In
formatik, Elektronik und Mechanik
Matthias Gerber
bringen einen entsprechenden fi
1980
nanziellen Aufwand mit sich. Dieser
076 318 2668
lässt sich mit der Verwendung ko
[email protected]
stengünstiger “Consumer-Produkte”
senken. Neben den Grundlagen der
Photogrammetrie beschäftigt sich
diese Diplomarbeit auch mit der
Einsatzfähigkeit kostensparender
USB-Webcams und soll zu diesem
Problem einen Beitrag leisten.
Funktionsweise
Zwei Kameras, die einen gemein
samen Bereich ausleuchten, liefern
für ein abgebildetes Objekt je zwei
Richtungswinkel. Sind Richtung und
Position der Abbildungsflächen (z.B.
aktive Bereiche der CCD-Chips der
jeweiligen Kamera) zueinander be
kannt, lässt sich daraus eindeutig
die Position des Objekts errechnen.
Durch die insgesamt vier Winkel er
gibt sich sogar eine Redundanz, die
eine Fehlerabschätzung ermöglicht.
Die eingesetzen Kameras erreichen
bei einer Auflösung von 640x480
Pixel (VGA) Bildwiederholraten von
30 bis maximal 60 fps (frames per
second). Damit lassen sich auch
dynamische Vorgänge, in diesem
Fall bewegte Objekte, gut verfol
gen.
Realisation
Zur Erfassung und Verarbeitung der
Daten dient ein handelsüblicher PC
mit einem Microsoft Windows XP
Betriebssystem. Eingelesen, verar
beitet und dargestellt werden die
Daten mit der Software MATLAB
von Mathworks. Zur Kamerakali
brierung wird eine zusätzliche MAT
LAB-Toolbox verwendet.
Im Unterschied zu den meisten in
dustriellen CCD-Kameras bieten
USB-Webcams keine Möglichkeit
zur hardwaremässigen Synchroni
sation der einzelnen Stereo-Bilder.
Für die Positionsbestimmung be
wegter Objekte muss eine nach
trägliche Korrektur der asynchronen
Messpunkte per Software erfolgen.
Im Hinblick auf eine spätere prak
tische Anwendung wird in dieser
Arbeit auch die Echtzeitfähigkeit
des ganzen Systems untersucht.
Webcam und Kalibrationsmuster
Szene einer Stereo-Kamera-Kalibration
48
BI
Measure of a Rim of Vehicle by Acoustic Means
Signal Processing / Prof. Dr. Josef Goette
Expert: Felix Kunz
The road safety is central in many current debates; the discussion on speed reduction to 30km/h in
certain districts is just an example. However, one only seldomly speaks about the state of the rims of
a car. Indeed, it is not rare that a balanced wheel nevertheless creates vibrations being so strong to
obstruct the driver and being likely to cause an abnormal wear or even an accident in the worst case.
The goal of our work is to investigate approaches to detect the defects of a vehicle rim by acoustic
measurements during the wheel turning on a balancing machine.
It was often noted that wheels,
although well balanced, could
nevertheless generate vibrations
in the steering wheel at driving
time. These vibrations cause a bad
wear of the tires, weaken the chas
sis, and can be a source of loss
of control of the vehicle. Indeed, a
balancing machine checks only the
inertial balancing of a wheel, with
out dealing with the rim. A possible
solution to reduce this problem is
the measurement of the state of
the rim during balancing. We here
thoroughly investigate the potential
of acoustic measurements.
The future goal is to create an em
bedded system installed on a wheel
balancer which records the sound
produced by the turning wheel,
during its balancing. Measurements
are thus performed contactless and
are mainly automated. Once the
sound of the wheel and the noise
of the machine are captured, they
are separated by an adaptive filter
which delivers a cleaner signal that
is simpler to analyze.
In our analysis the signals are thor
oughly studied, using a program
written in Matlab code.
The study of the signal initially
determines whether a wheel, and
therefore the rim together with the
tire, has a defect or not. Next, the
analysis program determines the
cause of this defect: whether it is a
hole, a deformation, a net curtain,
or a grid of the rim.
The major difficulty of our measure
ments is that we do not have the
pure signal emitted by the rim, but
also those of the tire assembled on
the rim and that of the balancing
machine itself. The ambient noise
in the garage, where the system
is used, is also an important fac
tor which must be accounted for,
because the noise in a workshop
of mechanics is often rather strong.
For these reasons an effective, fast
and enhanced treatment of the
signal is necessary. The overall
system must be extremely reliable,
because the consequences of a
misinterpretation could be serious
for the user of the checked wheel.
An additional certification of quality
could thus be provided to the cus
tomer by the mechanic: guarantee
that his wheels are not only bal
anced but also in good condition.
Flavio Granito
1985
078 839 42 09
[email protected]
Jean-Pascal Vuilleumier
1985
079 756 66 50
[email protected]
Working Principle
49
BU
Automatische Uhrwerksprüfung
Bildverarbeitung / Prof. Dr. Werner Bäni, Prof. Roger Weber / Moser-Baer AG, Sumiswald BE
Experte: Hansjörg Klock
Die genaue Uhrzeit zu kennen, ist heute in vielen Arbeitsumgebungen unabdingbar. In der Produktion und Entwicklung von präzisen Uhrenanlagen ist eine genaue und zuverlässige Prüfung der Funk
tionsweise von grosser Bedeutung. Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Problematik, bis anhin
von Hand erledigte Qualitätskontrollen von Uhrwerken durch eine automatische, maschinell durchgeführte Prüfung zu ersetzen. Mittels Webcam, Computer und Bildverarbeitung sollen die angezeigten Zeigerpositionen eines oder mehrerer Uhrwerke über einen gewünschten Zeitraum überwacht,
automatisch detektiert und abgespeichert werden.
Peter Grossenbacher
1984
[email protected]
Ausgangslage
Unsere Auftraggeberin, die Firma
Moser-Baer AG aus Sumiswald
BE, stellt Uhrenanlagen für viele
verschiedene Einsatzbereiche her.
Dazu gehören auch die bekannten
SBB-Uhren. Die Anlagen bestehen
aus einer Hauptuhr, die mehrere
Nebenuhrwerke ansteuert und bei
Bedarf justiert. Nach der Produkti
on oder bei der Neuentwicklung ei
nes Uhrwerkes muss die Zuverläs
sigkeit des Werkes geprüft werden.
Dazu werden die Uhrwerke auf ein
Testpanel montiert und für einige
Stunden in Betrieb genommen. Zur
Zeit erfolgt die Überprüfung durch
direkte Sichtkontrolle oder durch
Video-Aufnahme mit anschliessen
der Durchsicht der Aufnahmen im
Schnellvorlauf.
Realisierung
Anstelle der Sichtprüfung oder der
Video-Aufnahme erfasst der PC
mit der Kamera ein Bild des Test
panels, analysiert es mit geeigneten
Bildverarbeitungsalgorithmen und
speichert die Zeigerpositionen der
einzelnen Uhrwerke auf dem PC ab.
Eine Zusatzbeleuchtung mit Leucht
stoffröhren garantiert eine genügen
de Grundausleuchtung auch bei
Tests in der Nacht.
Die zu testenden Uhrwerke werden
bei der Montage auf dem Testpa
nel mit speziellen Testzeigern be
stückt. Die Zeiger sind in der Län
ge invertiert (der Stundenzeiger am
längsten, der Sekundenzeiger am
kürzesten) und besitzen am Zeiger
ende einen roten Punkt. Die Mitte
des Uhrwerkes ist mit einem gelben
Farbpunkt markiert. Die Applikation
sucht nun für jedes Uhrwerk den
gelben Mittelpunkt, die roten Punk
te der unterschiedlich langen Zeiger
und bestimmt anschliessend den
Winkel der Geraden Mittelpunkt-Zei
gerendpunkt. Durch die verdrehten
Zeigerlängen wird das Überschnei
den der Zeiger verhindert und eine
einfachere Erkennung der Zeiger
endpunkte ermöglicht.
Ausblick
Je nach Leistungsfähigkeit des
erstellten Prototypen könnte die
MATLAB-Applikation in die Pro
grammiersprache C/C++ portiert
werden, was die Geschwindigkeit
erhöhen und dadurch die Erken
nung von mehr Uhren als mit dem
Prototypen ermöglichen würde.
Dominic Schenk
1984
[email protected]
Ziele
Ziel der Diplomarbeit ist es, die vi
suelle Prüfung durch einen Com
puter mit Webcam und Bildver
arbeitung zu automatisieren. Die
Bildverarbeitungsalgorithmen müs
sen auf verschiedene Uhrwerke
konfigurierbar und gegen äussere
Beleuchtungsänderungen immun
sein. Die Diplomarbeit soll weiter
die Leistungsfähigkeit der Bildver
arbeitung in MATLAB abhängig
von der Anzahl Uhren und der De
tektions-Genauigkeit aufzeigen. Im
Idealfall sollen drei Mal pro Sekun
de, bei 40 Uhren auf dem Panel, die
Positionen aller Zeiger erkannt und
abgespeichert werden.
Blockschaltbild
50
BU
Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung
Digitale Signalverarbeitung / Prof. Dr. Daniel Ch. von Grünigen, Ivo Oesch
Experte: Peter Richli
Heute besteht der Trend, die analoge durch die digitale Signalverarbeitung (DSV) abzulösen. Zur
Lösung von DSV-Aufgaben werden digitale Signalprozessoren (DSPs) eingesetzt, auf denen in Form
von Programmen Algorithmen implementiert sind.
Das Ziel unserer Diplomarbeit besteht darin, solche Algorithmen von der Theorie in die Praxis umzusetzen. Dazu programmieren wir DSV-Algorithmen und implementieren diese auf einen DSP von
Texas-Instruments. Als theoretische Grundlage dient uns das Manuskript zum neuen Buch von Daniel Ch. von Grünigen. Unsere Arbeit dient Ingenieuren als Verständnishilfe und zur Umsetzung der
DSV in die Praxis. Es ist geplant, die DSV-Programme als CD ROM dem Buch beizulegen.
Motivation digitaler Signalverarbeitung
Mit digitaler Signalverarbeitung wer
den Aufgaben gelöst, welche mit
analoger Technik nur bedingt oder
gar nicht lösbar sind. Dazu zählen
Datenkomprimierungsverfahren wie
das MP3 oder DivX, Filter sehr hoher
Ordnungen oder adaptive Filter.
Um digitale Signale zu verarbeiten,
werden spezielle Mikroprozessoren,
sogenannte DSPs (Digital Signal
Processor) eingesetzt. Diese Mikro
prozessoren müssen in der Lage
sein, enorme Datenmengen mög
lichst schnell zu verarbeiten. Dies
erreichen sie durch parallele Bussy
steme und Einrichtungen wie MACEinheiten (Multiplier-Accumulator),
welche in einer Sekunde einige 100
Millionen Multiplikationen und Addi
tionen durchführen können.
Moderne DSPs werden aufgrund
ihrer Komplexität meist in einer
Hochsprache wie C programmiert.
Anwendungsbeispiel: Adaptive
Filter
Ein interessantes Gebiet der digi
talen Signalverarbeitung sind adap
tive Filter. Dabei handelt es sich um
spezielle Filter, welche im Betrieb
ihre Eigenschaften selbständig ver
ändern können.
Ein anschauliches Beispiel für adap
tive Filter ist die Störunterdrückung
beim Helikopter: Die Verständigung
über den Sprechfunk des Piloten
wird stark vom Lärm der Rotoren
gestört. Darum ist es nötig, den
Sprechfunk zu entstören und damit
die Rotorgeräusche möglichst zu
beseitigen.
Im Rahmen der Diplomarbeit wur
de unter anderem diese Problema
tik als Experiment modelweise rea
lisiert.
Das Rotorgeräusch stellt das Stör
signal und der Sprechfunk das
Nutzsignal dar. Das System soll
vom Sprechfunksignal, das aus
Stör- und Nutzanteil besteht, den
Störanteil entfernen. Dazu muss
das System das Störsignal mög
lichst gut nachbilden, um es vom
gestörten Nutzsignal zu subtrahie
ren. Diese Nachbildung ist nötig, da
das Störsignal im Cockpit nicht in
Originalform vorliegt, sondern durch
das Eindringen der Schallwellen ins
Cockpit verändert wird.
Das Experiment zeigt, dass bereits
mit einfachen adaptiven Algorith
men gute Resultate erzielt werden
können.
Mathias Habegger
1981
079 771 03 82
[email protected]
Reto Kaufmann
1984
076 576 24 12
[email protected]
Versuchsaufbau adaptive Störunterdrückung
51
BU
Neue Logiksteuerung für Solargenerator-Simulator
Photovoltaik / Prof. Dr. Heinrich Häberlin
Experte: Dr. Rudolf Minder
Das Photovoltaik-Labor der BFH Burgdorf hat sich darauf spezialisiert, Solar-Wechselrichter auf
Effizienz und gegebene Anforderungen hin zu prüfen. Für diese Messungen an Wechselrichtern stehen dem Labor zwei computergesteuerte Solargenerator-Simulatoren zur Verfügung. Um grössere
Wechselrichter zu prüfen, ist ein neuer Simulator mit einer Leistung von 100kW im Bau. Für diesen
wird während der Diplomarbeit eine Logiksteuerung mit programmierbaren Logikbausteinen (CPLD)
erarbeitet und getestet.
Marc Hanselmann
1983
076 450 00 21
[email protected]
Ausgangslage
Im PV-Labor wurden in mehreren
Semester- und Diplomarbeiten
zwei lineare Solargenerator-Simu
latoren von 20kW und 25kW ent
wickelt. Mit diesen lassen sich be
liebig einstellbare Kennlinien eines
PV-Generators nachbilden und er
möglichen somit vom Wetter unab
hängige Messungen.
Zum Test von grösseren Wechsel
richtern entsteht im Rahmen eines
BFH- und BFE-Forschungspro
jektes ein Solargenerator-Simulator
mit einer maximalen Leistung von
100kW. Dies dürfte der leistungs
fähigste Simulator in ganz Europa
sein.
Logiksteuerung
Die Logiksteuerung ist für den Da
tenverkehr zwischen Simulator und
PC verantwortlich und beinhaltet
eine Ablaufsteuerung, die einen si
cheren Betrieb der Anlage ermögli
cht. Der PC steuert ein DaqBoardInterface der Firma IOtech an, das
über 24 digitale I/O‘s verfügt. Um
den Datenverkehr möglichst effi
zient zu nutzen, wird ein bidirek
tionaler Datenbus mit 16 Bit Breite
verwendet. Die restlichen acht I/O‘s
werden zur Steuerung und Adres
sierung der Logiksteuerung benö
tigt.
Der Print der Logiksteuerung ist in
Zusammenarbeit mit dem Personal
des PV-Labors entstanden. Er ist
so aufgebaut, dass 16 Adressen
bzw. Port‘s ansprechbar sind. Die
se Port‘s besitzen die gleiche Da
tenbreite wie der Bus und können
mit Hilfe von “Jumpern” individuell
als Input oder Output konfiguriert
werden.
Mit Hilfe eines Watchdog, der in die
CPLD implementiert ist, wird der
Verbindungsaufbau zum PC stän
dig überprüft. Ist die Verbindung
gestört oder unterbrochen, hat die
Ablaufsteuerung dafür zu sorgen,
dass es zu keinen gefährlichen Si
tuationen für Personen kommt und
dass keine Schäden an der Anlage
auftreten. Das gilt auch, wenn die
Not-Austaste betätigt wurde, die
Speisung (DC-Generatoren) aus
fällt oder es während des Betriebs
zu Störungen kommt. Um in den
gewünschten Betriebs-Modus zu
gelangen, müssen Bedingungen
erfüllt sein, die von der Logiksteu
erung überprüft werden. Sind diese
erfüllt, gibt die Logiksteuerung die
vom PC gewünschten Zustände
frei.
Die CPLD‘s stammen von Xilinx und
werden mit einem Entwicklungstool
der gleichen Firma programmiert
und simuliert.
Testschaltung
Um einen sicheren Datenverkehr
und eine funktionierende Ablauf
steuerung zu gewährleisten, wird
der entwickelte Print mit einer ge
eigneten Testschaltung auf seine
Funktionen hin geprüft. Die Test
schaltung wird dabei über das
DaqBoard-Interface vom PC aus
gesteuert. Die Testabläufe werden
in LabVIEW programmiert.
Blockdiagramm
52
BU
Kurzwellenfunk über Internet abgesetzt
Telekommunikation / Prof. Michel Tripet
Experte: Hans Zahnd
In Zeiten der Diskussionen über Elektrosmog und Ortsbildschutz ist es für Amateurfunker nicht einfach eine eigene Antenne zu betreiben. Deshalb hat das BAKOM den abgesetzten Betrieb von Antennen bewilligt. Dadurch wird es einem Amateurfunker ermöglicht, sich von einem beliebigen Standort
aus über das Internet mit einer Antenne zu verbinden. Diese Diplomarbeit realisiert dieses Verfahren
im Rahmen des Projekts ADAT zum Bau eines neuen Amateurfunkgeräts.
Das Projekt ADAT
Im Rahmen des Projekts ADAT (All
Digital Amateur Transceiver) wird
vom Ingenieurbüro H. Zahnd der
digitale Amateurtransceiver ADT200A entwickelt. Dabei handelt es
sich um ein Sende- und Empfangs
gerät für den Amateurfunk, welches
im Gegensatz zu herkömmlichen
Geräten zum grössten Teil aus di
gitalen Bauelementen besteht. Das
heisst, die meisten Verarbeitungs
schritte, wie zum Beispiel die Kanal
selektion, werden anstatt mit ana
logen Bauelementen (analoge Filter,
Mischer usw.) mit Hilfe eines DSP
(Digitaler Signal Prozessor) realisiert.
Zudem verfügt der ADT-200A über
ein integriertes Web-Modul, wo
durch der abgesetzte Betrieb über
das Internet ermöglicht wird. Dazu
soll ein Transceiver an der Antenne
direkt angeschlossen werden und
als Server fungieren. Ein oder meh
rere weitere Transceiver sollen sich
als Client über das Internet mit die
sem Server verbinden können, um
so eine Funkverbindung aufbauen
zu können.
Frontpanel des ADT-200A Prototyp
Ziele
In einer vorgängigen Semesterar
beit wurde der Aufbau des WebModuls spezifiziert und ein kom
plettes Systemdesign erstellt. Das
Ziel der Diplomarbeit ist es, basie
rend auf dem erstellten Systemde
sign, die Software des Web-Moduls
zu realisieren und den Betrieb im
abgesetzten Modus auszutesten.
Aufbau des Web-Moduls
Das Herzstück des Web-Moduls ist
der ARM7-Mikrokontroller LPC2368
von NXP. Dieser Mikrokontroller
verfügt über verschiedene Schnitt
stellen, die es ermöglichen, Sprachund Kommandodaten von einem
Transceiver über das Internet zu
einem anderen Transceiver zu schi
cken. Das Einlesen der Sprach
daten geschieht mit Hilfe eines
Audio-Codecs, welcher über die
I2S Schnittstelle mit dem Mikro
kontroller verbunden ist. Der Aus
tausch der Kommandodaten zwi
schen dem Web-Modul und dem
GUI (Graphical User Interface) bzw.
DSP des ADT-200A erfolgt über SPI.
Mittels eines integrierten EthernetControllers können die Daten über
das Internet übertragen werden.
Die Software
Zur Realisierung der Funktionen
des Web-Moduls wird ein Echtzeit
betriebssystem (freeRTOS) einge
setzt. Damit Daten über das Inter
net gesendet werden können, wird
zusätzlich ein entsprechendes Soft
ware-Paket, ein TCP/IP-Stack, be
nötigt. Dadurch ist es möglich die
Daten in UDP-Pakete aufzuteilen,
was für eine Echtzeitanwendung
wie diese wichtig ist. Die UDP-Pa
kete enthalten nebst den Sprachund Kommandodaten zusätzlich
noch Management-Informationen.
Diese befinden sich in einem selbst
definierten Paket-Header, welcher
eine angepasste Version des RTP
(Real Time Protocol) ist.
Dominique Holzwarth
1982
076 582 62 05
[email protected]
Mario Schmid
1982
079 469 48 39
[email protected]
Lokaler und abgesetzter Funkbetrieb
53
BI
Komfort im Triebwagen der Rigibahn erhöhen
Elektrische Maschinen / Betreuer: Prof. Dr. Hansjürg Rohrer
Experte: René Buser
Ausflügler wollen die Bahnfahrt von Vitznau auf den Rigi und die attraktive Aussicht geniessen können. Das Rollmaterial der Rigibahn bietet zwar dafür den nötigen Sitz- und Sehkomfort, aber wenn
das Triebfahrzeug auf relativ ebener Strecke anfährt, tritt zwischen der zweiten und dritten Fahrstufe
ein Ruck auf. Die Diplomarbeit zeigt, dass dieser Ruck reduziert werden kann, wenn eine zusätzliche
Stufe eingebaut wird.
Florian Jordi
1981
079 705 60 11
[email protected]
54
Ausgangslage
Die Triebfahrzeuge der Rigibahn
fahren mit Gleichstrom. Die Zug
kraft wird durch einen Nocken
schalter gesteuert, der die Vor- und
Shuntwiderstände regelt.
Im Winter- und Sommersemester
wurden die Triebfahrzeuge einge
hend analysiert und in verschie
denen Varianten konnte theoretisch
aufgezeigt werden, wie das Fahr
verhalten verbessert werden kann.
Als nächster Schritt wird nun in der
Diplomarbeit die als realistisch be
wertete Variante “life” getestet.
Ziele
Es soll eine zusätzliche Stufe in die
Steuerung des Triebfahrzeuges
eingebaut und deren Wirkung aus
probiert werden. Die Realisierung
erfolgt mit einer speicherprogram
mierbaren Steuerung (SPS), die
im Steuerstromkreis zwischen No
ckenschalter (Kontroller) und den
elektropneumatischen
Schützen
zum Einsatz kommt. Das Triebfahr
zeug soll einerseits mit Stufenvorga
be, andererseits aber mit Befehls
gebersteuerung bedient werden
können.
Realisierung
Die Signale des unveränderten No
ckenschalters (Kontroller) werden
auf die SPS geführt. Damit ist die
Kontrollerstellung (Handradstellung)
in der Steuerung bekannt. Das Pro
gramm wertet die Signale aus und
berechnet die entsprechende Stu
fe. Die SPS speist mit ihren Aus
gängen die entsprechenden elek
tropneumatischen Schützen an
(bisher wurden die Schütze mit
dem Nockenschalter direkt ange
speist). Die Befehlsgebersteuerung
braucht weitere Messgrössen, wie
Ströme und Geschwindigkeit des
Triebfahrzeugs, um zielgerecht zu
funktionieren. Abhängig von der
Stellung des Befehlsgebers und
vom Strom im Hauptstromkreis
werden die Stufen langsamer oder
schneller hinauf, beziehungsweise
herab geschaltet.
Beim talwärts Bremsen muss die
Geschwindigkeit gemessen und
berücksichtigt werden, um die ge
wünschte Bremsstufe einzuschalten.
Der Befehlsgeber springt geschwin
digkeitsabhängig in eine sinnvolle
Bremsstufe. Die SPS wird im Labor
und auf der Strecke bei Probefahrten
auf ihre Funktionalität getestet.
BI
Intermittently Connected Mobile ad-hoc Networks
Telematik und Netze / Prof. Claude Brielmann
Experte: Joseph Odiet, Ericsson
Mobile Netzwerkteilnehmer liegen oft nicht im Sendebereich von Access-Points. Um sich trotzdem
mit ihnen verbinden zu können, dienen andere Knoten als Zwischenpunkte, welche die Daten weiterleiten (routen). Solche Netztopologien bezeichnet man als mobile ad-hoc Netze. Die stete Bewegung
der Peers, eine begrenzte Energieversorgung und sporadisch unterbrochene Verbindungen stellen
hohe Anforderungen an die Routingalgorithmen und die Hardware. In dieser Diplomarbeit werden
beide Aspekte im Hinblick auf die Eignung im Bereich drahtloser Telemetrie untersucht: Messdaten
von Weidevieh mittels Sensoren erfassen und drahtlos übertragen.
Routing in Disruption Tolerant
Networks (DTNs)
Um Datenpakete durch ein draht
loses Netzwerk zu versenden, ist
ein ausgeklügelter und ebenso ef
fizienter Routingalgorithmus erfor
derlich. Da sich die Netztopologie
aufgrund der Mobilität der Peers
ständig ändert, bedarf es eines ad
aptiven Algorithmus, der sich stän
dig den Gegebenheiten anpasst.
Die Verbindung zwischen zwei Kno
ten in DTNs ist dabei unstabil und
kann jeden Moment abbrechen. Die
zu sendenden Daten müssen des
halb als Kopien zwischengespei
chert werden. Dadurch ergibt sich
die Problematik des verfügbaren
Speicherplatzes in einem Knoten.
Bei einem vollen Buffer muss der
Algorithmus durch Schätzungen
entscheiden, welche Meldungen er
verwerfen oder weiterleiten soll.
Als Ziel stehen dabei eine möglichst
hohe Übertragungsrate und eine
kurze Übertragungszeit im Vorder
grund. (am)
Simulation und Implementation
Um den hohen Anforderungen, wie
z.B. minimaler Speicherbedarf, ge
recht zu werden, soll mittels Simu
lation auf einem PC ein geeigneter
Routingalgorithmus
ausgewählt
werden.
Da viele Netzwerk-Simulatoren eine
zu lange Einarbeitungszeit voraus
setzen, programmieren wir einen
einfachen eigenen. Um diesen je
doch effizient betreiben zu können,
müssen verschiedene Aspekte wie
aussetzender Empfang oder än
dernde Positionen berücksichtigt
werden. Durch Variation ausge
wählter Parameter kann so ein Al
gorithmus optimiert oder ein neuer
simuliert werden.
Ein geeigneter Routingalgorithmus
soll danach auf der dafür vorgese
henen Hardware implementiert und
getestet werden. Für den Testbe
trieb dient ein Versuchsnetz, womit
verschiedene Eigenschaften ge
messen und ausgewertet werden
können. (fk)
Ein erstes Versuchsnetz
Ein Teil der Arbeit befasst sich mit
konzessionsfreien drahtlosen Tech
nologien, die sich technisch als
auch wirtschaftlich auf dem Markt
behauptet haben. Für den Aufbau
eines Versuchsnetzwerkes wur
de ein proprietäres Übertragungs
modul für das 868MHz ISM-Band
implementiert, das den besten
Kompromiss
(Energieverbrauch/
Sendereichweite) für drahtlose Te
lemetriesysteme darstellt.
Das Versuchsnetz testet die aus
den Studien als vielversprechend
hervorgegangenen Topologie- und
Routingalgorithmen in Feldver
suchen auf kritische Aspekte wie
Zeitverzögerung der Daten, Er
reichbarkeit der Stationen und En
ergieeffizienz. Material- und Her
stellungskosten der Knoten sind auf
400.- CHF und der Stromverbrauch
ist auf 3Ah pro Monat begrenzt, um
einen realistischen Ansatz für eine
industrielle Weiterentwicklung zu
erarbeiten. (bs)
Fabian Känel
1983
079 790 63 59
[email protected]
Andreas Müller
1982
078 862 52 20
[email protected]
Ein Intermittently Connected mobile ad-hoc Netzwerk (IC-MANET).
Benjamin Sawicki
1984
079 538 60 21
[email protected]
55
BI
WLAN to Bluetooth Bridge
Mobile Communication / Prof. Peter Raemy
Experte: Armin Blum (BAKOM)
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Daten drahtlos zu übertragen. Von WLAN über Bluetooth zu
Zigbee haben sich heute etliche Standards etablieren können. Stellen Sie sich folgendes Szenario
vor: Sie sitzen in einem Meeting, der Abteilungsleiter stellt Ihnen die neuesten Statistiken ihrer Firma
vor und bittet, die Dokumente mit nach Hause zu nehmen, welche er Ihnen nun über WLAN bereitgestellt hat. Sie haben jedoch Ihren Laptop nicht dabei, aber ihr Handy, welches nur mit Bluetooth ausgestattet ist. Doch nun ziehen sie geschickt die WLAN to Bluetooth Bridge aus ihrer Jackentasche
und können die Dokumente auf ihrem Handy speichern.
Michael Kilic
1984
079 771 11 23
[email protected]
Drahtlose Kommunikation
Die grosse Verbreitung von draht
losen Netzwerken in den letzten
Jahren unterstreicht den Trend
zu mehr Mobilität und flexibleren
Arbeitsbedingungen.
Öffentliche
und kommerzielle WLAN-AccessPoints mit Internet-Anbindung, so
genannte “Hot Spots”, ermögli
chen an vielen Orten den Zugriff
auf das weltweite Datennetz. In
vielen Wohnungen gibt es ADSLZugangsgeräte mit eingebautem
WLAN-Access-Point, die die Tele
kommunikationsanbieter oft sogar
verbilligt zusammen mit dem Inter
net-Anschluss anbieten.
Die am meisten verbreiteten Mobilte
lefone sind mit Bluetooth ausgestat
tet, nur wenige relativ teure Modelle
enthalten bereits WLAN. Um trotz
dem in naher Zukunft mit seinem
Handy WLAN tauglich zu bleiben,
wird im Rahmen dieser Diplomarbeit
ein Adapter entwickelt, welcher die
beiden drahtlosen Übertragungs
technologien miteinander verbinden
soll.
Konzept
In einem ersten Teilprojekt wird
eine bidirektionale Kommunikation
zwischen einem Handy und einem
PC angestrebt, welche über die
Bluetooth-Hardware der Mobilsta
tion und einem Bluetooth-Entwick
lungsboard stattfinden soll. Auf dem
Handy wird mittels einer speziell für
mobile Applikationen konzipierten
Java-Version (J2ME) ein Chat-Pro
gramm geschrieben und installiert,
um mit dem PC kommunizieren zu
können. In diesem ersten Schritt
werden das Bluetooth-Modul so
wie das Entwicklungsboard auf ihre
Tauglichkeit überprüft.
Anhand dieser Resultate erfolgt die
Realisation und Entwicklung der
WLAN to Bluetooth Bridge, wel
che im Wesentlichen aus je einem
WLAN- und Bluetooth-Modul so
wie einem Mikrokontroller bestehen
wird.
IEEE 802.11 vs. IEEE 802.15.1
WLAN arbeitet mit dem so genann
ten OSI-Schichtenmodell und Blu
etooth mit dem Bluetooth Protocol
Stack. Die heutigen Bluetooth- und
WLAN-Module verfügen über ge
eignete Schnittstellen zur Kommu
nikation mit einem Mikrokontroller.
In diesen Modulen ist oft der Pro
tocol Stack bereits enthalten, wo
durch sich der Entwicklungsauf
wand erheblich reduziert.
Der Adapter wird etwa die Grösse ei
ner Zündholzschachtel besitzen und
mit einem Akku betrieben werden.
Verbindung zweier drahtloser Übertragungstechnologien
56
BU
Analyse linearer Strukturen in Bildern
Signal- und Bildverarbeitung / Prof. Dr. Werner Jenni
Experte: Hansjörg Klock, De La Rue International
Das Ziel der Diplomarbeit ist es, einen Bildverarbeitungsalgorithmus zu entwerfen, mit dem sich
Klebestreifen auf einer Papieroberfläche zuverlässig aufspüren lassen. Dabei kann der Klebestreifen matt oder glänzend sowie von unterschiedlicher Länge sein.
In gewissen Fällen ist es auch für unser Auge nicht einfach, zu entscheiden, ob überhaupt ein Klebestreifen vorhanden ist. Um eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit mit einer guten Zuverlässigkeit zu
erreichen, soll die Prüfung der Papieroberflächen mit einer Maschine realisiert werden.
Bilderfassung
Die Klebestreifen bilden auf der Papieroberfläche
Erhöhungen von einigen 10µm. Für die Bilderfassung ist eine
möglichst homogene Ausleuchtung der Papieroberfläche
anzustreben. Das reflektierte Licht wird von einer
Zeilenkamera detektiert. In einem Aufnahmevorgang erfasst
die Kamera eine Bildzeile mit der Höhe von 1px sowie einer
Breite von 512px. Damit schlussendlich das ganze Bild
zusammengesetzt werden kann, muss die Papieroberfläche
mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit an der Kamera
vorbei laufen. Dazu werden die Papiere für das Scanning auf
eine rotierende Walze geklebt.
Houghtransformation
Die Houghtransformation dient unter anderem zum Suchen
von Linien innerhalb von Bildern. Eine Gerade wird in einem
kartesischen Koordinatensystem in der Form y = a ⋅ x + b
dargestellt. Um das Problem von senkrechten Geraden zu
vermeiden ( a → ∞ ), wird die Gleichung in folgende Form
a⋅x − y
−b
gebracht:
=
. Mit den Substitutionen
2
a +1
a2 + 1
−b
a
−1
ρ=
, cos( θ) =
und sin( θ) =
wird
2
2
a +1
a +1
a2 + 1
die Geradengleichung in die Hessesche Normalform
gebracht: ρ = x ⋅ cos( θ) + y ⋅ sin( θ) . Werden den Punkten
(x1 | y1) und (x 2 | y 2 ) im Originalraum (siehe Abb. 1)
entsprechend die beiden Sinuskurven
ρ1(θ ) = x1 ⋅ cos( θ ) + y1 ⋅ sin( θ ) und
ρ2 ( θ) = x 2 ⋅ cos( θ) + y 2 ⋅ sin( θ) im Houghraum (siehe Abb. 2)
zugeordnet, so bezeichnet man dies als
Houghtransformation.
Abb. 1: Gerade im kartesischen Koordinatensystem
Alle Punkte, die nun auf einer Geraden liegen, schneiden
sich im Houghraum im gleichen Punkt (ρ'| θ') .
Fazit: Die oben definierte Houghtransformation führt eine
Gerade g im Originalraum in einen Punkt im Houghraum
über: ( x | y ) ∈ g → (ρ'| θ' ) .
Bevor jedoch die Houghtransformation durchgeführt werden
kann, muss ein Kantenbild erstellt werden. Das Kantenbild
besteht aus weissen (Kante im Originalbild vorhanden) und
schwarzen (keine Kante im Originalbild vorhanden) Pixel. Die
x und y-Werte der weissen Pixel werden dann zur
Berechnung des Houghraumes eingesetzt. Je mehr Linien
sich in einem bestimmten Punkt des Houghraumes
schneiden, desto mehr Pixel liegen im Originalbild auf der
Geraden mit den entsprechenden Parametern ρ' und θ' .
Thomas Kopp
1983
079 504 00 26
[email protected]
Gradientenbestimmung
Über die gesuchten Linien ist bekannt, dass sie parallel
verlaufen und Gradienten mit unterschiedlichem Vorzeichen
aufweisen. Die Gradientenbestimmung muss nach der
Houhtransformation
manuell
durchgeführt
werden.
Linienpaare mit nicht entgegengesetzten Gradienten können
ausgeschlossen werden.
Merkmalsextraktion
In einem letzten Schritt sollen aus der Papieroberfläche
Merkmale extrahiert werden. Diese fliessen schlussendlich in
die Berechnung ein und erlauben eine Gewichtung der
Houghmatrix.
Die Algorithmenentwicklung soll während der Diplomarbeit in
Matlab vor allem in Kombination mit der image processing
toolbox vorgenommen werden. Erst in einem späteren
Schritt wäre eine Echtzeitimplementierung in einer
Hochsprache wie C/C++ denkbar.
Abb. 2: Houghraum
57
BU
Haussteuerung mit Webinterface
Betreuung durch Peter Aeschimann, Inf Ing HTL, Dozent
Experte: Dr. Peter Schlatter, Physiker
Ein Hersteller aus der Region Bern bietet für den Heimbereich eine modular aufgebaute, fernsteuer
bare Haussteuerung an. Diese Hausautomation bietet ein höchstmögliches Mass an Komfort, Sicherheit und Ergonomie. Licht- und Rollladensteuerung, Heizungssteuerung, Alarmanlage etc. sind
integrierbare Anwendungen. Um die Attraktivität dieser Haussteuerung noch zu steigern, soll nun
ein Webinterface entwickelt werden.
Jens Rico Kundert
1979
079 388 42 42
[email protected]
Webinterface
Für die graphische Benutzerober
fläche wird ein Java Applet einge
setzt. Der Aufbau des Applets soll
es ermöglichen, dieses auch auf
einem Mobile Device betrachten zu
können. Die Darstellung der Ober
fläche wurde bis anhin durch eine,
vom Hersteller definierte, Beschrei
bungsdatei konfiguriert. Im Rahmen
einer vorangegangenen Semester
arbeit wurden bereits Überlegungen
gemacht, inwieweit diese Beschrei
bungsdatei weiter verwendet wer
den kann. Im Vordergrund steht
die Entwicklung einer objektorien
tierten, übersichtlichen, gut wart
barer, zukunftsgerichteter Software.
Diese Kriterien dienten als Entschei
dungsgrundlage und führten zur
Erkenntnis, dass die bisher verwen
dete Beschreibungsdatei in dieser
Form nicht übernommen wird.
Kommunikationsweg
58
Aufbau
Die graphische Benutzeroberfläche
muss individuell nach Kundenwün
schen aufgebaut werden können.
Das heisst, dass die einzelnen Kom
ponenten in Ihrer Grösse und Posi
tion veränderbar sein sollten. Eben
falls kann jeder Komponente eine
bestimmte Funktionalität zugeord
net werden. Um die Beschreibung
der einzelnen Komponenten leicht
verständlich und gut strukturiert ge
stalten zu können, wurde XML als
bevorzugte Technologie eingesetzt.
Dies auch aufgrund der Tatsache,
dass XML zu den Technologien ge
hört, die in den letzten Jahren welt
weit Anwendung gefunden haben.
Ein weiteres Kriterium für die Wahl
von XML ist die für Java-Entwickler
intuitiv nutzbare Schnittstelle JAXB
(Java Architecture for XML Binding).
Damit ist es sehr einfach, XML Da
ten nach Java einzulesen. Aus einem
so genannten XML-Schema werden
automatisch die entsprechenden
Java-Klassen generiert. Die XMLDaten werden anschliessend in den
erzeugten Objekten abgefüllt.
BU
Zeitsynchronisation mit isochronen Ethernet-Telegrammen
Digitaltechnik / Daniel Holzer
Experte: Mario Giacometto, Aastra Telecom AG
Die Anforderungen an Industrial Ethernet sind hoch: Anwendungen, welche Echtzeit und Takt-Synchronität verlangen, brauchen einen Aktualisierungs-Zyklus von einer Millisekunde oder weniger.
Dabei darf der Jitter maximal eine Mikrosekunde betragen. Weil Ethernet aber für die Bürokommunikation und nicht für industrielle Anwendungen konzipiert wurde, können Reaktionszeiten und Jitter
für Echtzeitanwendungen nicht eingehalten werden. Mit dem Standard PROFINET lassen sich beide
Anwendungsgebiete auf der gleichen Kommunikationsverkabelung realisieren.
Die Diplomarbeit untersucht, ob zwei FPGA Board’s über PROFINET synchronisiert und damit für
Echtzeit-Anwendungen eingesetzt werden können.
Wie macht man Ethernet
Realtime-fähig?
PROFINET sieht drei verschiedene
Kommunikationsmodelle vor:
- Non-Realtime NRT
- Realtime RT
- Isochronous Realtime IRT
System On Chip Design
Ziel der Diplomarbeit ist, zwei FPGA
Board’s über die isochronen Syn
chronisations-Telegramme
eines
PROFINET-Masters zu synchroni
sieren. Um eine genaue Synchroni
sation zu ermöglichen, müssen die
Die ganze Einheit bildet die “Preci
sion Time Unit”. Ein Modul welches
nach der “System On Chip” - De
sign Methode in einem FPGA imple
mentiert werden kann. Als Produkt
Alexander Lauper
1984
Non-Realtime verwendet UDP/IP
und erfüllt daher die Anforderungen
an Echtzeit nicht. Es sind Reak
tionszeiten von mehreren 100ms zu
erwarten.
Für Realtime wurde auf den UDP/IP
Stack verzichtet. Das Protokoll setzt
direkt auf Layer 2 auf. Zusätzlich
werden die Ethernet-Frames prio
risiert. Damit erreicht man Reak
tionszeiten von ca. 10ms. Für diese
beiden Modelle können StandardEthernet-Komponenten verwendet
werden.
Dies ist bei der dritten Möglichkeit
– IRT – nicht mehr der Fall. Um die
geforderten Reaktionszeiten zu er
reichen, ist spezielle Hardware nö
tig. Die Geräte brauchen eine in
terne Uhr, welche ständig mit einer
Master-Uhr abgeglichen wird. Ein
Beispiel für solche Anwendungen
sind mehrere Roboter, welche
gleichzeitig am selben Werkstück
arbeiten. Um Determinismus zu ga
rantieren, muss der Buszyklus in
eine IRT, sowie eine RT/NRT Phase
(je nach Priorität) unterteilt werden.
079 481 62 70
[email protected]
Problematik
Jürg Moor
steht eine genaue, mit dem Master
synchronisierte Zeit zur Verfügung,
mit welcher sich taktsynchrone An
wendungen realisieren lassen. Als
Test werden Takt-Signale ausgege
Systemaufbau
ben, bei denen die Minimierung von
Zeitinformationen hardwaremässig Jitter, Phasenverschiebung und Fre
aus dem Ethernet-Datenstrom ex quenzunterschied angestrebt wird.
trahiert werden. Mit diesen Informa
tionen wird die interne Uhr gestellt.
Um den Jitter zu minimieren, kann
mit jedem Telegramm die Abwei
chung zur Master-Zeit berechnet
und laufend mit einer Korrektur an
der Uhr kompensiert werden.
1980
078 718 17 45
[email protected]
59
BU
Sound over Ethernet Modul
Elektrotechnik/ Prof. Gerhard Krucker
Experte: Walter Schlegel
Kommunikationsnetzwerke sind in der heutigen Zeit unverzichtbar geworden. Diese sind vor allem
im industriellen Umfeld weit verbreitet. Doch auch in vielen Haushalten sind sie vermehrt anzutreffen. Sehr verbreitet ist das Ethernet. Über Netzwerke werden längst nicht mehr nur Dateien übertragen, sondern auch multimediale Datenströme, wie zum Beispiel Musik und Video. Die Vorteile dieser Übertragungstechnik liegen im Überwinden von langen Distanzen ohne relevanten Verlust von
Daten im digitalen Übertragungskanal. Zudem können auf derselben Leitung auch Steuersignale
verschickt werden. Zu den Nachteilen gehört die grosse zeitliche Verzögerung (Latenzzeit). Diese
Verzögerung kann bei längeren Distanzen mehrere Sekunden betragen. Es ist somit problematisch,
denselben Datenstrom (Stream) synchron wiederzugeben.
Martin Ledermann
1978
031 511 99 19
[email protected]
Meine Diplomarbeit befasst sich mit
der Entwicklung eines Geräts, das
Audiostreams empfangen und das
Signal akustisch wiedergeben kann.
Das System kann Informations
durchsagen und Hintergrundmusik
in einem Gebäude verteilen. Mehre
re Module werden zentral verwaltet
und angesteuert. Man kann somit
verschiedene Datenströme unab
hängig verteilen. Anwendungsbei
spiel: Lautsprecherdurchsagen auf
einem Bahnhofperron. Die Durch
sage wird nur gezielt ausgestrahlt
und nicht im ganzen Bahnhof.
Aus energietechnischen Überle
gungen und aufgrund des gerin
geren Platzbedarfs kommt bei mei
ner Arbeit ein Embedded-System
zum Einsatz.
Die interne Playerapplikation kann
über ein Webinterface ferngesteu
ert werden. Der benötigte Webser
ver wird vom Windows-CE eigenen
Serverdienst (HTTPD) übernom
men. Eine weitere Applikation stellt
den Kommunikations-Socket bereit.
Dieser ermöglicht verschiedenen
Programmen die Kommunikation
mit der Playerapplikation. Auch das
Java-Applet, welches in der Home
page des Webinterface eingebettet
ist, macht von dieser Schnittstelle
Gebrauch. Auf dieselbe Schnittstel
le kann auch die PC-Software zur
Verwaltung der Module zugreifen.
Mit diesem Lösungsansatz wird
das System universell einsetzbar.
Auf der PC-Software werden die
verschiedenen Streamquellen ver
waltet. Zum Steuern der StreamingServer wird das API des VLC-Player
(Opensourceprojekt) verwendet.
Einfache Steuerungsfunktionen sind
auch lokal am Modul möglich. Diese
können über Tasten gesteuert wer
den. Ein LCD-Display gibt Informa
tionen über den laufenden Stream
wieder. Die Stromversorgung des
Moduls erfolgt über PoE (Power
over Ethernet). Anstelle der kabel
gebundenen Ethernet-Schnittstelle
kann das Modul über Wireless mit
Daten versorgt werden.
LAN
60
BU
Ankopplung für EMV Prüfungen
EMV Technik / Prof. Dr. Kurt Lehmann
Experte: Dr. Thomas Aschwanden
Durch die zunehmende Bandbereite der Störquellen und die zunehmende Empfindlichkeit der Störsenken hat die EMV Technik in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Zwei elementare
Prüfmöglichkeiten, um Verbraucher auf deren Verträglichkeit zu testen sind, die Emissionsmessung
und die Störfestigkeitsprüfung. Netznachbildungen sind Schaltungen, welche den Prüfling vom Versorgungsnetz isolieren und Emissionsmessungen ermöglichen. Eine solche Netznachbildung, um
eine Einkopplung für Störfestigkeitsprüfungen erweitert, soll in dieser Diplomarbeit entworfen, zusammengebaut, optimiert, getestet und zur Anwendung gebracht werden.
Netznachbildung
Netznachbildungen kommen in
zahlreichen Varianten zum Einsatz.
Sie bestehen im Prinzip aus einem
Eingangsfilter, einem Filterteil, ei
ner Netzimpedanz und einer Aus
Blockschaltbild für Emissionsmessungen
kopplung. Das Eingangsfilter soll die
Schaltung vor netzseitigen Span
nungsspitzen schützen. Der Filterteil
hat die Aufgabe, den Prüfling von
allen übrigen Signalen ausser der
Versorgungsspannung zu isolieren.
Somit werden Messungen, welche
die Aussendung von leitungsgebun
denen Emissionen des Prüfobjekts
erfassen, möglich. Ein EMV Prüf
platz für Emissionsmessungen und
Störfestigkeitsprüfungen
besteht
aus einer solchen Netznachbildung,
einem Generator für Burst- und Sur
gesignale und einem Spektrumana
lyzer für die Messung der ausgesen
deten Emissionen.
und Störfestigkeitsprüfungen
Emissionsmessung
Diese Messungen erfassen und
quantifizieren die von Störquellen
in Netzzuleitungen, Datenleitungen
etc. abgegebene Störspannungen
und -ströme. Sie erlauben den
Nachweis der Einhaltung von in
Vorschriften festgelegten Grenz
werten. Leitungsgebundene Emis
sionen rufen am Innenwiderstand
des Netzes Spannungsabfälle her
vor. Durch die Variation der soge
nannten Netzimpedanz in der Netz
nachbildung “sieht” der Prüfling
unterschiedliche Versorgungsnetze.
Raphael Marbot
1981
079 275 75 81
[email protected]
Störfestigkeitsprüfung
Solche Prüfungen dienen der Er
mittlung der Widerstandsfähigkeit
elektronischer Geräte gegen die an
ihrem Einsatzort zu erwartenden
Störgrössen. Mittels einer erwei
terten Vorrichtung an der Netznach
bildung werden genormte Burstund Surgesignale in den Prüfling
eingekoppelt. Diese Signale simulie
ren die zu erwartenden Störgrössen.
Zeitlicher Verlauf von Burstsignalen in verschiednen Zeitmassstäben
61
BU
Käsepflegeroboter-Bewirtschaftungsprogramm
Betreuung durch Peter Aeschimann, Inf Ing HTL, Dozent
Experte: Dr. Peter Schlatter, Physiker
In heutigen Käsekellern lagern nicht selten mehrere zehntausend Käselaibe, welche unter sorgfältiger Beobachtung und Pflege ihren Reifeprozess durchlaufen. Um die täglich anfallende Pflegearbeit
bewältigen zu können, werden vollautomatische Käsepflegeroboter eingesetzt, welche rund um die
Uhr arbeiten. Bis heute wird die Möglichkeit, die verwendeten Pflegedaten aus den Robotern auszulesen und auf einem Computer aufzubereiten, noch nicht genutzt. Durch ein solches Bewirtschaftungsprogramm erhielte der Benutzer eine Übersicht über die geleistete Arbeit des Roboters sowie
eine Aufzeichnung der durchgeführten Pflegearbeiten sämtlicher Käselaibe im gesamten Lager.
Basil Märki
1982
079 530 27 22
[email protected]
Motivation
Da auf dem Markt zur Zeit kein ähn
liches Produkt erhältlich ist, kann
diese Erweiterung vom Auftragge
ber als Verkaufsargument eingesetzt
werden. Ein KäsepflegeroboterBewirtschaftungsprogramm wür
de dem Benutzer in verschiedener
Hinsicht Vorteile bringen. So würde
ihm beispielsweise die Verwaltung
des Käselagers wie auch die Pla
nung der Abläufe erleichtert. Zudem
wird aufgrund der stets steigenden
Qualitätsanforderungen und dem
Wunsch nach Rückverfolgbarkeit
der durchgeführten Käsepflege die
Nachfrage nach entsprechenden
Lösungen wahrscheinlich bereits
in naher Zukunft ansteigen. Das
beschriebene Produkt wäre also
eine Bereicherung für jedes Käse
lager und trüge entscheidend zur
Verbesserung dessen Bewirtschaf
tung bei.
Vorgehen
Die Diplomarbeit besteht aus zwei
Hauptaufgaben:
Bereitstellen der Pflegedaten auf
dem Roboter:
Im ersten Teil der Arbeit ging es
darum, die für die spätere Auswer
tung relevanten Daten zu definieren.
Zudem musste für die Archivierung
der Daten ein geeignetes Speicher
medium gefunden werden. Nach
einer Analyse, in der verschiedene
Varianten getestet wurden, fiel der
Entscheid auf ein SIMATIC MultiPanel der Firma Siemens.
grammierumgebung VisualBasic.
net, welche uns mit sehr geringem
Aufwand den Zugriff auf andere
Microsoft-Produkte ermöglicht. So
setzen wir zum Abspeichern der
Daten die Datenbank MS-Access
und zur Visualisierung MS-Excel
ein. Um das Programm ausführen
zu können, muss keines der ge
nannten Programme auf dem Com
puter installiert werden; durch die
Installation einer .exe-Datei wird die
komplette Funktionalität des Be
wirtschaftungsprogramms erreicht.
Ausblick
Aufbereiten und Visualisieren der Neben den Pflegedaten könnten
Pflegedaten:
zusätzlich noch Störungs- und Sta
Sobald die Daten auf dem Robo tusdaten erfasst werden. Anhand
ter bereitstehen, werden sie mit dieser Informationen wäre es mög
tels USB Memory-Stick zu einem lich, Fehlfunktionen frühzeitig zu er
Desktop-PC transferiert. Für das kennen und durch entsprechendes
Einlesen und Weiterverarbeiten Eingreifen Maschinenstillstände zu
der Daten verwenden wir die Pro verhindern. Zudem könnten so all
fällige Schwachstellen erkannt und
für kommende Projekte bereits in
der Planungsphase berücksich
tigt werden. Für die Übertragung
der Daten sind zudem weitere
Lösungen, wie eine permanente
Ethernet-Anbindung über WirelessLAN oder Powerline, denkbar. Die
Anwendung würde so zusätzlich
an Performance gewinnen, da ne
ben dem Abfragen der Pflegedaten
auch eine Fernwartung über Ether
net möglich wäre.
Bild Visualisierung
Käsepflegeroboter LK-40-A-4
Desktop-PC
62
BU
Sprach-Audiometrie für Kinder
Elektro- und Kom-
Technische Informatik / Betreuer: Ivo Oesch, Dr. Urs Brugger
Experte: Dr. Peter Winter / Auftraggeber: Audiologische Station Inselspital Bern PD Dr. Martin Kompis
munikationstechnik
Am Inselspital Bern werden Hörtests für Kinder mit Papierbögen durchgeführt. Um die erzielten Resultate auszuwerten, müssen sie während des Tests in ein Audiogramm eingetragen werden. Weil
dieses Verfahren nicht mehr zeitgemäss ist, entstand die Idee zu unserer Diplomarbeit, zur Entwicklung einer Kinderhörtest-Software. Ein computergestützter Hörtest bietet ausserdem den Vorteil,
dass die Personalien und Testresultate der Patienten in einer Datenbank abgelegt und somit sehr
komfortabel verwaltet und weiterverarbeitet werden können. Zudem haben Kinder generell Spass
am Umgang mit Computern, was sich positiv auf ihre Aufmerksamkeit und Konzentration auswirken
kann.
Testablauf
Damit das Kind bei mehreren Tests
Der eigentliche Test zeigt sechs Bil die Reihenfolge der Antworten nicht
der mit unterschiedlichen Gegen auswendig lernen kann, stehen
ständen, gefolgt von einer aku
stischen Aufforderung, zum Beispiel
“das Auto” zu zeigen. Danach bleibt
dem Kind eine vorab wählbare Zeit,
um auf das Bild, welches ein Auto
zeigt, zu klicken. Nach zehn Wie
derholungen mit unterschiedlichen
Bildern ist der Test abgeschlossen. Programm-Oberfläche während des Tests
Daten
Die Software basiert auf einer Da
tenbank, in welcher sowohl die
Personalien der Patienten als auch
die Testresultate abgelegt werden.
Abgesehen von der einfachen Ver
waltung und Weiterverarbeitung
dieser Daten lässt sich damit auch
ein gleichzeitiges Zugreifen meh
rerer Benutzer (auch via Internet)
auf denselben Datenpool ermögli
chen. Aus Kostengründen wird die
Open-Source Datenbank MySQL
eingesetzt, welche mit Hilfe der in
tegrierten Funktions-Bibliothek ma
nipuliert werden kann.
mehrere Wörterlisten in jeweils vier
unterschiedlichen Reihenfolgen zur
Auswahl. Der untersuchende Arzt
kann zwischen verschiedenen Dia
lekten (Basel-, Bern-, Walliser-, Zür
cher-, Schrift- und Hochdeutsch)
wählen, sowie den Lautstärkepegel
zwischen 5 und 120dB einstellen.
Thomas Meier
1981
079 399 26 04
[email protected]
Die Resultate einzelner Tests kön
nen im Programm in beliebiger
Kombination in einem Audiogramm
dargestellt und ausgedruckt wer
den. Um vorgängige Tests eines
Patienten mit einzubeziehen, bietet
sich die Möglichkeit, diese manuell
einzugeben und in der Datenbank
abzulegen.
Das Programm wird in der objekt
orientierten Sprache C++ realisiert.
Es sollte möglich sein, die Software
auf allen Windows-Plattformen (inkl.
Vista) zu gebrauchen. Als Entwick
lungsumgebung wird das RAD Stu
dio 2007 von CodeGear (ehemals
Borland) eingesetzt.
Pascal Steffen
1981
031 94 14 800
[email protected]
Audiogramm mit Messkurve
63
BI
Simulator für die Lokomotive CC6500 der SNCF
Elektrische Maschinen / Prof. Dr. Hansjürg Rohrer
Experte: René Buser
Die APMFS (Association pour la Préservation du Matériel Ferroviaire Savoyard) konnte von den
SNCF (Französische Staatsbahnen) eine Lokomotive des Typs CC6500 übernehmen. Für ihr Museum möchten sie nun einen Simulator dieser Lokomotive, auf welchem auch angehende Lokomotivführer ausgebildet werden können. Zu diesem Zweck muss der Simulator für den Museumsbetrieb
einerseits einfach zu bedienen sein, anderseits muss er für die Ausbildung möglichst originalgetreu
nachgebildet sein.
Adrian Meier
1984
079 771 03 71
[email protected]
64
Die CC6500 der SNCF ist eine
der letzten Lokomotiven, welche
mit klassischer Elektrotechnik ent
wickelt und für den Betrieb unter
1500V Gleichstrom gebaut wurden.
Eine weitere Eigenheit dieser Loko
motive ist das Getriebe, welches
erlaubt zwischen grosser Zugkraft
mit kleiner Maximalgeschwindig
keit beziehungsweise kleinerer
Zugkraft mit grösserer Maximalge
schwindigkeit umzuschalten. Die
Umschaltung ist jedoch nur im Still
stand möglich.
Die Lokomotive soll in Zukunft für
Extrazüge eingesetzt werden. Da
die Ausbildung von Lokomotiv
führern auf der Strecke teuer ist
und auf der vorgesehenen Strecke
(Hauptachse Lyon-Turin) nicht im
mer Trassen verfügbar sind, möchte
die APMFS einen Simulator haben.
Es sollen auch spezielle und für den
normalen Betrieb gefährliche Situ
ationen geübt werden können. Der
Simulator muss aber auch für Mu
seumsbesucher benutzbar sein.
Für den Bau dieses Simulators wur
de ein Führerpult aus einer abge
brochenen CC6500 herausgebaut
und nach Biel transportiert. In einer
Semesterarbeit wurde das Pult neu
verkabelt. Das Prinzip der Verkabe
lung entspricht weitgehend derjeni
gen der anderen Simulatoren, wel
che die BFH-TI schon gebaut hat.
Auf einem Computer werden die
Berechungen durch das Programm
LOCSIM durchgeführt. Die Visua
lisierung wird auch durch diese
Software berechnet. LOCSIM wur
de von der BFH-TI entwickelt und
ist schon mehrfach erfolgreich im
Betrieb. Über eine serielle Schnitt
stelle ist eine SPS angeschlossen,
welche die Ansteuerung der Instru
mente und das Einlesen der Schal
ter des Führerpultes übernimmt.
In einem nächsten Schritt wurde
die Funktionsweise der Lokomotive
anhand verschiedener Schemata
und Handbücher analysiert. Die
Nachbildung der Fahreigenschaften,
speziell der Motorenkennlinien, wur
de anhand von Diagrammen nach
gebildet.
Zum Testen wurden die vorhanden
Dokumentationen mit den von der
Software berechneten Daten verg
lichen. Anschliessend wurden eini
ge Versuchsfahrten durchgeführt,
die das Auffinden von offensicht
lichen Fehlern zum Ziel haben. Die
Endkontrolle wird ein auf diesem
Lokomotivtyp erfahrener Lokomo
tivführer der SNCF durchführen.
Die CC6558 in Chambéry
Das Führerpult einer CC6500
BI
Realisierung eines DAB-Signalgenerators
Drahtlose Kommunikation / Prof. Dr. Rolf Vogt
Experte: Hugo Ziegler (Digital - Logic AG)
Mit der Einführung des digitalen Radios DAB wurde festgestellt, dass auf der Empfängerseite markante Qualitätsunterschiede bestehen. Einige Empfänger liefern bei Signalreflexionen und Störungen unter Umständen kein Signal mehr, andere Empfänger arbeiten hingegen noch einwandfrei.
Um diese Alltagssituationen im Labor reproduzierbar an Radios zu testen, wird ein DAB-Signalgenerator entwickelt. Dabei wird mit Matlab aus einem vogegebenen Audiosignal ein entsprechendes
DAB-Signal erzeugt. Ebenfalls mit Matlab lässt sich dann gezielt ein durch Mehrwegempfang verzerrtes Empfangssignal simulieren. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die Hardware zur Ausgabe
des berechneten Signals entwickelt.
Marcel Meyer
1982
079 703 09 08
[email protected]
Christian Schläppi
1982
079 202 99 20
[email protected]
66
Ausgangslage
Die nötigen Softwareschritte zur Er
zeugung des Signals wurden bereits
in einer früheren Arbeit erledigt. Die
auszugebenden Daten liegen daher
schon in digitaler Form vor. In einer
weiteren Semesterarbeit wurden
ausserdem bereits verschiedene
Hardwarelösungen untersucht, und
ein Realisierungskonzept erarbeitet.
Vorteil
Durch das Verwenden einer Spei
cherkarte
ist
grösstmöglicher
Bedienkomfort gewährleistet. Län
gere Testsignale können durch
grössere Karten erreicht werden.
Ebenso können unterschiedliche
Testszenarien mit unterschiedlichen
Karten realisiert werden.
Ein weiterer grosser Vorteil dieses
DAB-Signalgenerators besteht da
rin, dass durch die Verwendung
Prinzip
Die vorliegenden Rohdaten werden von Matlab fast keine Grenzen in
auf einer SD-Karte gespeichert und der Signalverformung gesetzt sind.
anschliessend dem DAB-Signal In herkömmlichen Generatoren las
generator zugeführt. Mit Hilfe eines sen sich nur Fehler vor der Modu
FPGAs von Xilinx wird die Karte in lation generieren. Dadurch, dass
itialisiert und anschliessend ausge
lesen. Die Daten werden dann mit
Hilfe eines schnellen Digital/Analog
Wandlers im Basisband mit einer
Bandbreite von 1.5MHz ausgege
ben. Da DAB in der Schweiz im
Fernsehband III, welches sich auf
174-230 MHz befindet, ausgestrahlt
wird, muss das Signal noch in die
sen Frequenzbereich verschoben
werden. Dies geschieht mit Hilfe
von Mischern, spannungsgesteu
erten Oszillatoren (VCO) und Pha
senregelkreisen (PLL). Die dabei
entstehenden unerwünschten Fre
quenzen werden mit einem SAW
Filter entfernt.
Aufbau des DAB-Generator
die Modulation auf Software-Ebene
realisiert wird, lassen sich die Sig
nale zusätzlich im Zeit- sowie im
Frequenzbereich beliebig manipu
lieren. Dadurch können Mehrweg
empfang, zeitweiliger Signalunter
bruch, schlechterer Empfangspegel
sowie gezieltes Stören bestimmter
Frequenzbereiche erzeugt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht im Preis.
Indem die analoge Verarbeitung des
Signals auf ein Minimum reduziert
wurde, ist dieser Generator kleiner,
stromsparender, preiswerter und
vor allem flexibler einsetzbar als
die sonstigen verfügbaren Genera
toren.
BU
Ansteuerung von Micro-Hotplates
Embedded Control / Prof. Dr. Hans Köppel
Dünne Beschichtungen kommen in vielen Gebieten zur Anwendung. Beispiele sind harte Schichten
bei Bohrwerkzeugen, Implantate oder auch Schichten zur Veränderung der Optik bei Uhrengehäusen. Um für die jeweiligen Anwendungen die optimalen Schicht-Eigenschaften zu erhalten, müssen
bei der Herstellung verschiedene Parameter optimiert werden. Einer dieser Parameter ist die Temperatur des Substrates beim Beschichtungs-Prozess. Mit Hilfe einer Unterteilung der zu beschichtenden Fläche in Segmente mit unterschiedlichen Substrat-Temperaturen (Micro-Hotplates) können
mehrere Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften gleichzeitig hergestellt werden.
Temperaturregelung der MicroHotplates
Eine 4x4 Matrix von Micro-Hot
plates (300x300μm pro Hotplate)
muss auf eine Temperatur von bis
zu 500°C geregelt werden können.
Jedes Micro-Hotplate kann eine in
dividuelle Temperatur annehmen
und darf dabei eine maximale Ab
weichung von +/- 2° C nicht über
schreiten.
Um dem hohen Rechenaufwand
gerecht zu werden und die Kom
munikation mit einem Computer zu
ermöglichen, eignet sich ein Digi
taler Signalprozessor (DSP) mit ent
sprechender Peripherie besonders
gut. In unserem Fall ist es ein DSP
vom Typ “TMS320F2812”, der es
uns ermöglicht, die Temperatur der
Micro-Hotplates mit Hilfe von PWM
Signalen zu Regeln.
Jeder Regelalgorithmus beschreibt
einen PI-Regler mit Augenmerk auf
nicht vorhandenes Überschwingen,
da keine aktive Kühlung vorgese
hen ist.
Um die Regelparameter zu optimie
ren und den gesamten Regelkreis
zu simulieren und zu testen, wurde
mit Simulink ein mathematisches
Modell für die Regelung einer Mi
cro-Hotplate erstellt und in einem
weiteren Schritt die Regelalgorith
men im DSP realisiert.
Schaltungstechnik
Für die Temperaturregelungen der
Micro-Hotplates haben wir eine
passende Hardware entwickelt.
Die Hardware ist in einen analo
gen und einen digitalen Bereich
unterteilt, mit dem DSP als Kern
stück. Jede Micro-Hotplate hat ei
nen eigenen Temperatursensor. Die
Messspannung des Sensors vom
Typ “PT100” wird verstärkt, damit
der AD-Wandler die volle Auflösung
verwenden kann. Die Stellglieder
setzen die PWM-Signale in analoge
Spannungen um. Um Störungsein
kopplungen bei den Temperatur
sensoren zu verhindern, darf die
Spannung nicht pulsierend sein.
Als Stellglieder dimensionierten wir
deshalb Buck-Converter, die direkt
vom DSP gesteuert werden. Über
ein USB-Interface kommuniziert
der DSP mit der Benutzeroberflä
che am Computer. Das Schema
und die Multilayer Printplatte wur
den mit Altium DXP erstellt.
Benutzeroberfläche
Um dem Benutzer eine einfache
Bedienung der Ansteuerung zu ge
währleisten, wird die Einstellung der
Temperaturen mit Hilfe einer Com
puter-Software vorgenommen. Der
Anwender sieht auf einen Blick die
gewünschte wie auch die gemes
sene Temperatur jeder einzelnen
Micro-Hotplate.
Somit dient die Benutzeroberfläche
nicht nur der Steuerung, sondern
auch zur Überwachung der Tem
peraturen und des aktuellen Zu
standes der Ansteuerung.
Christian Ochsenbein
1984
079 403 95 86
[email protected]
Marco Wyss
1983
079 703 45 41
[email protected]
Blockschaltbild Gesamtsystem
Hardware zur Ansteuerung der MicroHotplates
67
BI
Datalogger mit GSM-Anbindung
Technische Informatik / Prof. Ulrich Burri, Martin Mühlemann
Experte: Stefan Brunner
Die Automobilbranche befindet sich in einem stetigen Wandel. Um den Durchbruch von elektrisch
getriebenen Fahrzeugen voranzutreiben, ist es wichtig, die in den Fahrzeugen aktuell verwendeten
Technologien und deren Betriebsverhalten richtig einschätzen zu können.
Um dieses Ziel zu erreichen, bietet sich ein erweiterbares Dataloggersystem an, welches die dazu
notwendigen Messdaten vom existierenden CAN-Bus liest, ablegt und schlussendlich drahtgebunden über USB oder über das GSM-Funknetz zur Verfügung stellen kann.
Andreas Pfäffli
1984
079 660 23 55
[email protected]
Bernhard von Waldkirch
1983
078 825 41 45
bernhard.vonWaldkirch@
hotmail.com
Funktionalität des Dataloggers
Der Datalogger erfasst alle Mel
dungen, die über den CAN-Bus
verschickt werden. Durch eine vor
gängige Konfiguration des Messsy
stems können nicht relevante Mess
werte eines bestimmten Absenders
herausgefiltert werden. Alle übrigen
Datenpakete werden in eine Datei
geschrieben und auf einer Spei
cherkarte abgelegt. Der Benutzer
kann nun ganze Dateien auslesen
und auswerten.
Durch einen modularen Aufbau des
Messsystems ist dieser Datalogger
universell einsetzbar. Möchte man
Meldungen von einem anderen
Feldbus aufzeichnen oder Mess
werte von analogen und digitalen
Sensoren protokollieren, so lässt
sich dies über den Erweiterungsbus
einfach einbinden. Dies ermöglicht
es, den Datalogger in den verschie
densten Bereichen einzusetzen.
Nebst dem Einsatz in Elektrofahr
zeugen wäre beispielsweise eine
dezentrale
Messdatenerfassung
oder die Anwendung als Überwa
chungssystem für Einbruchsiche
rungen möglich.
Technische Realisierung
Der Datalogger wird durch den Mi
crocontroller AT91SAM7S256 ge
steuert. Dieser empfängt alle vom
CAN-Controller verschickten CANMeldungen und speichert diese in
einer Datei vom Format .csv (Com
ma Separated Values) auf der SDKarte ab.
Möchte der Benutzer die Log-Da
tei auslesen und auswerten, hat er
drei Möglichkeiten dies zu tun. Er
stens, er entfernt die SD-Karte aus
dem Gerät und liest sie mit einem
Cardreader aus. Dabei können kei
ne weiteren Meldungen aufgezeich
net werden bis wieder eine SD-Kar
te eingesetzt wird. Zweitens,
kann er den Datalogger mit
einem Kabel über den
USB-Anschluss mit
dem PC verbin
den. Dabei wird
der Datalogger
als Massenspei
chermedium vom
PC erkannt und Da
teien können einfach vom
Datalogger zum PC kopiert oder ver
schoben werden. Wird die aktuelle
Log-Datei entfernt, erstellt der Da
talogger umgehend eine neue und
zeichnet die Meldungen weiter auf.
Mit dem am Erweiterungsbus an
geschlossenen GSM-Modul be
steht als Letztes die Möglichkeit,
Log-Dateien über eine GPRS-Ver
bindung an einen Server zu sen
den. Dadurch können die Dateien
ortsunabhängig ausgelesen und
ausgewertet werden. Ausserdem
kann über die GPRS-Verbindung
die Konfiguration des Dataloggers
geändert werden.
Twingo Quickshift Elettrica
Elektrofahrzeug SAM
68
BU
Syntheseprogramm für passive Filter
Elektrotechnik / Prof. Gerhard Krucker
Experte: Walter Schlegel
Filter sind ein grundlegendes Element der Signalverarbeitung. Obwohl die heutige Filtertheorie
schon zu Beginn des letzten Jahrhunderts entstand, fand sie ihren Einsatz erst mit dem Aufkommen
von leistungsstarken Rechnern. Sie ermöglichen den Einsatz von aufwendigen Algorithmen, welche
für die komplexen Berechnungen von der Übertragungsfunktion bis zu den Elementwerten nötig
sind. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Applikation, mit welcher diese Berechnungen auf herkömmlichen PCs durchgeführt werden können.
Kern der Applikation ist die Be
rechnung der Impedanzfunktion
aus dem gewünschten Übertra
gungsverhalten. Mit ihr lassen sich
die Elementwerte für die Indukti
vitäten und Kapazitäten bestim
men, welche zum Bau des Filters
benötigt werden. Somit kann auf
rekursive Formeln und tabellierte
Werte verzichtet werden, welche
für Standardfilter häufig anzutref
fen sind. Der Vorteil davon ist die
Realisierbarkeit beliebiger Übertra
gungsfunktionen, deren Impedanz
funktion einem Hurwitzpolynom
entspricht (Realisierbarkeitsvoraus
setzung). Dies äussert sich in der
erhöhten Flexibilität beim Design.
gungsfunktion bildet die Grundlage
zur Bildung der Impedanzfunktion.
Durch Grenzwert-Berechnungen
(Abspalten von Polen) können aus
dieser anschliessend die Element
werte berechnet werden. Evtl. vor
handene Übertragungs-Nullstellen
sind dabei noch zusätzlich zu be
rücksichtigen.
Die normierten Elementwerte wer
den anschliessend mit geeigneten
Transformationen an die Vorgaben
für das gewünschte Filter angepasst.
Dieses kann dann als Schaltplan in
verschiedenen Darstellungen ange
zeigt werden. Weitere graphische
Darstellungen sind das Frequenzund das Zeitverhalten sowie das
Pol-/Nullstellen-Diagramm. Eben
Die Applikation stellt die Berech falls können die Übertragungsfunk
nung der normierten Übertragungs tion und die verwendete Impedanz
funktionen für die gängigsten Filter funktion angezeigt werden.
typen zur Verfügung. Nebst Bessel,
Butterworth und Tschebyscheff ist
die Berechnung auch für Elliptische
Filter vorhanden. Die Übertra
Als zusätzliches Feature besteht die
Möglichkeit, das Filter als Netzliste
zu exportieren. Damit lässt sich das
Verhalten des Filters auf einfache
Weise mit Simulationswerkzeugen
überprüfen.
Diese Aufgabe stellt vor allem hohe
Anforderungen an die numerischen
Berechnungen. So werden ver
schiedene Verfahren zur Suche re
eller wie auch komplexer Nullstellen
eingesetzt. Weiter ist eine erhöhte
Rechengenauigkeit erforderlich, da
die Koeffizienten der verschiedenen
Polynom-Funktionen teilweise über
mehrere Dekaden auseinander lie
gen. Hinzu kommen verschiedene
Transformationsverfahren und die
Implementierung numerischer Ver
fahren zur Berechnung der Jaco
bischen elliptischen Funktionen.
René Portmann
1977
079 384 57 58
[email protected]
Verschiedene Ansichten der Applikation
69
BI
Messsystem zur Darstellung des Energieverbrauchs
Elektronik & Technische Informatik / Prof. Daniel Lanz
Das Thema Energiesparen und Energieeffizienz ist aktueller den je. Doch wer weiss schon, wie viel
Energie der Kühlschrank im Haushalt oder der Kopierer im Büro verbraucht? Eine effiziente Energie
einsparung ist aber nur möglich, wenn man weiss wann, wieso und wie viel Energie von welchem
Gerät verbraucht wird. Der EEC-Viewer (Electrical Energy Consumption Viewer) löst dieses Problem
und visualisiert den Energieverbrauch eines Haushalts oder eines Büros. Dadurch können Energie
fresser und unnötiger Energieverbrauch erkannt werden, damit durch geeignete Massnahmen der
Stromverbrauch gesenkt werden.
Thomas Reber
1983
078 859 95 40
[email protected]
Der elektrische Energieverbrauch in
der Schweiz steigt immer weiter an
und eine Trendwende scheint nicht
in Sicht. Rund ein Viertel davon ent
fällt auf den Bereich Haushalt, rund
ein Drittel auf den Dienstleistungs
sektor. Die bestehenden Energie
quellen wie z. B. die Wasserkraft
sind aber schon praktisch ausge
reizt. Und die Erschliessung neuer
Energiequellen ist mit erheblichem
politischem und technischem Auf
wand verbunden. Somit führt kein
Weg am Energiesparen vorbei.
Das in dieser Diplomarbeit entwi
ckelte Messsystem bietet eine ein
fache Möglichkeit den Energiever
brauch eines Haushalts oder eines
Büros aufzuzeichnen und zu analy
sieren. Dabei können bis zu 16 Ge
räte, welche am einphasigen 230V
Versorgungsnetz betrieben werden, USB-Schnittstelle können die Da
gemessen und visualisiert werden. ten auf den PC geladen werden.
Die PC-Software visualisiert den
Das System besteht aus einer PC- aufgezeichneten Energieverbrauch
Software, einem Datalogger sowie der angeschlossenen Geräte. Über
bis zu 16 Powermeter. Die Power diese Software hat der Anwender
meter werden ganz einfach zwi die Möglichkeit die einzelnen Ge
schen Steckdose und dem zu visu räte zu analysieren und so einfach
alisierendem Gerät geschaltet und Energieeinsparungsmöglichkeiten
messen dessen Energieverbrauch. zu erkennen.
Die Datenübertragung vom Power
meter zum Datalogger erfolgt ein Die Diplomarbeit beinhaltet die Ent
fach und bequem direkt über das wicklung der Hardware, der Soft
Stromnetz. Somit müssen keine ware für die eingesetzten Micro
zusätzlichen Kabel verlegt werden controller sowie der PC-Software.
und auch eine Funkverbindung Das Ziel der Diplomarbeit ist ein
wird überflüssig. Der Datalogger funktionsfähiger Prototyp mit wel
zeichnet die empfangenen Daten chem die Funktionsweise und der
laufend auf einer SD-Karte auf. Nutzen des Systems dargestellt
Auf dem Display des Dataloggers werden kann.
werden zudem die aktuell gemes
senen Werte angezeigt. Über eine
Übersicht EEC-Viewer
70
BU
Spread Spectrum Transceiver zur Demonstration
Nachrichtentechnik / Prof. Fritz Dellsperger
Experte: Dr. Peter Schlatter
In vielen modernen Kommunikationssystemen wie zum Beispiel WLAN und UMTS und in den Navigationssystemen GPS (weltweit) und GALILEO (europäisch) wird für die Datenübertragung das
Prinzip des Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) verwendet. Dieses Verfahren erlaubt es, Daten auch in einer stark gestörten Umgebung fehlerfrei zu übertragen und bietet einen Schutz vor
Mithörern. In dieser Diplomarbeit wurde aufbauend auf einer vorhergehenden Semesterarbeit ein
Sender-Empfänger-System praktisch umgesetzt, welches das Grundprinzip des DSSS-Verfahrens
demonstrieren soll.
Prinzip
Die zu sendenden Daten werden
mit einer Codesequenz multipliziert
(gespreizt). Dadurch vergrössert
sich die Bandbreite des Signals,
was eine Reduktion der Energie
dichte des Signals zur Folge hat.
Auf der Empfängerseite wird das
Signal wieder mit dem gleichen
Spreizcode multipliziert, wobei das
eigentliche Nutzsignal wieder zum
Vorschein kommt. Falls man die
Codesequenz nicht kennt, ist es
fast nicht möglich, die Nutzdaten
zurück zu erhalten, da das Signal,
multipliziert mit einem falschen
Code, noch mehr gespreizt wird.
Ausgangslage
In einer vorhergehenden Seme
sterarbeit habe ich den Sendeteil
entwickelt und aufgebaut. Die Da
ten können entweder über den PC
mittels Hyper Terminal eingelesen
werden (RS232-Schnittstelle) oder
mit einer PRBS (Pseudo Random
Bit Sequence) on board generiert
werden. Es besteht die Möglich
keit, zwischen drei verschiedenen
Codesequenzen, welche aus zwei
m-Sequenzen (Maximalsequenzen)
und einem Goldcode bestehen,
auszuwählen, um das CDMA (Code
Division Multiple Access)-Verfahren
demonstrieren zu können.
Ziel der Diplomarbeit
Es soll nun ein Empfänger kon
zipiert und realisiert werden, der
die Daten empfangen, decodieren
und entweder auf dem PC (RS232Schnittstelle) oder einem Oszillos
kop ausgeben kann. Die grösste
Schwierigkeit liegt in der Synchro
nisation zwischen der Codese
quenz auf dem Empfänger und den
empfangenen Daten. Es muss nicht
nur die Codesequenz bekannt sein,
sondern die Daten müssen auch
Takt- und Phasensynchron mit der
Codesequenz übereinstimmen. Ein
Stichwort zur Lösung des Problems
ist die Autokorrelationsfunktion, mit
Hilfe derer man die Synchronisati
on zwischen Empfangsdaten und
Codesequenz messen kann. An
hand dieser Korrelation kann über
eine PLL (Phase-locked-loop)Schaltung mit VCO (Voltage Con
trolled Oscillator) die Taktrate des
empfangsseitigen
Code-Genera
tors bestimmt und bei Abweichung
nachgeregelt werden.
Steven Riemer
1983
078 603 04 83
[email protected]
Prinzipschema der DSSS – Übertragung
71
BI
de communication
Frein régénératif pour le Perisher skitube
Technique ferroviaire / Dipl. Ing. ETH Markus Moser
Expert: Felix Kunz, DIGITAL-LOGIC AG
Le Perisher skitube est un train à crémaillère australien construit entre 1984 et 1988 pour faciliter
l’accès à une station de ski. Le matériel roulant a été livré par l’entreprise BBC/ABB et l’entreprise
Stadler Rail Bussnang projette de moderniser l’équipement électronique des locomotives.
Stany Rochat
1984
[email protected]
Durant les dernières années, après
la construction du Perisher skitube,
les progrès faits dans le domaine
de l’électronique de puissance ont
été importants. Le chemin de fer a
largement profité de ces progrès,
mais l’ancien matériel continue de
rouler et une solution pour utiliser
au mieux ce qui existe consiste à
adapter la partie de commande
pour optimiser le contrôle et la ré
gulation. Pour ce faire, l’entreprise
Stadler AG a confié à la HESB-TI le
mandat d’étudier le fonctionnement
au freinage de cette automotrice
Bhe 4/4.
La première phase consiste à réa
liser une simulation du système à
commander qui soit assez fidèle
pour donner les informations né
cessaires quant au comportement
dynamique du véhicule et du train
entier au freinage, spécialement lors
d’événements spéciaux, tels que le
largage d’une charge ou l’ouverture
de l’interrupteur principal pendant
le passage de courants importants.
Nous avons réalisé cela à l’aide
d’un modèle Matlab-Simulink qui
comprend, comme partie centrale,
les moteurs et leurs caractéristi
ques électriques et magnétiques. Il
s’agit dans notre cas de quatre ma
chines DC d’une tension nominale
de 1500V couplées en série. Le
modèle comprend aussi tout ce qui
entoure les moteurs et fait la spéci
ficité du système: le schéma élec
trique (excitation, résistances des
crans, autres consommateurs) et la
constitution physique (poids, inertie
de rotation, transmission, …).
La commande de ce système est
ensuite réalisée à l’aide d’un mo
dule de processeurs Selectron de
type MAS 72X. Celui-ci est pro
grammé de façon à optimiser le frei
nage, autant au niveau du confort
que du rendement électrique. Il faut
pouvoir être le plus souvent possi
ble dans le mode régénératif, mais
certaines contraintes font qu’il n’est
pas possible de récupérer la totalité
du courant: la vitesse du train doit
être suffisante pour que la tension
générée par les moteurs égale celle
de la ligne, sans quoi un retour du
courant n’est pas possible. De plus,
les sous-stations d’alimentation ne
sont, dans le cas du Perisher, que
des redresseurs à diodes qui ne
permettent pas la récupération du
courant: nous avons à faire à un
système clos, composé unique
ment des trains présents sur la li
gne et ne pouvons ainsi récupérer
que ce qu’un autre consommateur
est prêt à reprendre au moment
même où nous freinons.
Une fois que la régulation fonction
nera correctement avec le modèle,
la commande sera connectée au
système réel pour un essai sur une
automotrice du BOB disposant du
même équipement.
Une rame du Perisher skitube en Australie
72
BU
Neue Steuerung für 20kW-Solargenerator-Simulator
Photovoltaik / Prof. Dr. Heinrich Häberlin und wissenschaftlicher Mitarbeiter Luciano Borgna
Experte: Dr. Rudolf Minder
Was ein Wechselrichter ist, können sich die meisten noch vorstellen. Beim Begriff SolargeneratorSimulator hapert es dann aber vielleicht. Dabei ist der Name sehr aussagekräftig: Der ’SolGenSim’
kann in einem bestimmten Bereich jede beliebige Kennlinie von einem Solargenerator, also z.B. Solarpanels auf einem Dach, nachbilden. Oder anders gesagt: Der reale Solargenerator wird simuliert. Damit können Wechselrichter im Labor ausgetestet werden. Um diese Tests durchführen zu können, ist
auch ein Steuerprogramm nötig. Dieses heisst im PV-Labor der BFH ’EasyTest’. Es entstand in mehreren Diplom- und Semesterarbeiten. Die Aufgabe dieser Diplomarbeit war nun, EasyTest auszubauen.
Ausgangslage
Das Photovoltaik-Labor besitzt
momentan einen SolargeneratorSimulator von 20kW wie auch eine
Ausführung mit 25kW. Einer mit
einer Leistung von 100kW befin
det sich im Bau. Der Ausbau der
Software EasyTest bezieht sich in
dieser Diplomarbeit auf den 20kWSimulator.
Bisher konnten automatische Tests
auf einer bestimmten Spannungs
stufe ausgeführt werden. Die Variie
rung der Leistung, sprich eine Ver
änderung des DC-Stromes, kann
vor der Messung im Programm ein
gegeben werden. Nach dem Start
werden auf der Spannungsstufe
die verschiedenen Stromstufen au
tomatisch abgefahren.
Gleichspannung. Die Veränderung
der Spannung ist mit der bishe
rigen Software nur halbautomatisch
möglich. Nach jeder Spannungs
stufe müssen die Werte für die neue
Spannungsstufe von neuem manu
ell eingegeben werden.
Dies erhöht die Arbeitskosten und
mindert die Konkurrenzfähigkeit bei
der Durchführung solcher Tests, da
sie schlicht zu teuer werden. Dies
der Hauptgrund, warum der Schritt
von halbautomatischen zu vollauto
matischen Tests vollzogen wird.
Neben der Vollautomatisierung ist
eine wichtige Anforderung an die
Erweiterung, dass der Test auf das
Ende der gerade im Test befind
lichen Spannungsstufe unterbro
chen werden kann. Denn ein Test
mit 20 Spannungsstufen und je
weils 24 Stromstufen kann schon
Warum eine Erweiterung?
Nun möchte man den Wechselrich mal 40 Stunden dauern.
ter aber auch noch auf verschie
denen Spannungsstufen ausmes EasyTest
sen. Denn der Wirkungsgrad des EasyTest ist in LabView program
Wechselrichters verändert sich nicht miert worden, somit auch diese
nur bei verschiedenen Leistungen, Erweiterung. Es erlaubt eine modu
sondern ist auch abhängig von lare Programmierung, was ein sehr
der vom Solargenerator gelieferten grosser Vorteil beim Ausbau der
Software ist. Bereits geschriebene
Software-Elemente können erneut
Verwendung finden. Eigentlich sind
alle Programmiersprachen modular
aufgebaut. Labview ist durch die
grafische Komponente aber beson
ders praktisch.
Philipp Schärf
Ablauf vollautomatische Messung
Als erstes nach der Konfiguration
der einzelnen Geräte (Wechselrich
ter, Messgeräte, SolargeneratorSimulator) in EasyTest gibt der Be
nutzer manuell die Spannungs- und
Stromstufen ein, wie auch andere
Parameter. Danach wird die Mes
sung gestartet und alles läuft voll
automatisch ab. Während der Mes
sung kann der Benutzer auf dem
Bildschirm beobachten, bei welcher
Spannungsstufe und Stromstufe
die Messung ist. Zudem begleitet
den Benutzer während der gesam
ten Messung ein Button, mit dem er
die Messung auf Ende Spannungs
stufe unterbrechen kann. Zu einem
anderen Zeitpunkt kann er diese
bei der nächsten Spannungsstufe
wieder aufnehmen.
1982
079 702 78 64
[email protected]
Prinzipablauf der vollautomatischen Messung
73
BU
Skiroboter
Mechatronik / Prof. Roger Weber, Prof Fritz Bircher
Experten: Dominique Renevey, Dr. Dietmar Kramer
Skifahren ist ein grosser Spass. Die Sportart auf weissen Hängen bietet unzählige Möglichkeiten,
sich im Gelände zu bewegen. Ob schnell oder gemächlich, ob in kurzen Schwüngen oder langen,
rasanten Kurven, alles ist möglich. So stellt das Ziel, dem Roboter ASKIRO diese Sportart beizubringen, eine grosse Herausforderung für die Technik und die Diplomanden dar. U. Schöni und S. Spring
haben diese Herausforderung angenommen und zeigen in ihrer interdisziplinären Diplomarbeit Skiroboter, was die Mechatronik zu bieten hat.
Ulrich Schöni
1981
078 716 90 93
[email protected]
Was als Projekt zum Test von neu
artigen Wintersportgeräten begon
nen hat, wird vorerst als Techno
logieprojekt der Fachhochschule
weitergeführt. Diese Diplomarbeit
umfasst alle klassischen Disziplinen
der Mechatronik. Neben der Rege
lung eines kinematisch komplexen
Systems gehören Kenntnisse der
Signalverarbeitung und der Mess
technik ebenso dazu.
linder eingesetzt, als Fussgelenk
aktoren kommen DC-Motoren zur
Anwendung. Zu jedem Aktor ge
hört eine Kontrolleinheit, die vom
PEC angesteuert wird. Der Roboter
wird von zwölf Lithium-Polymerzel
len mit Spannung versorgt.
Während der Fahrt werden Gleich
gewicht, Vor- und Rücklage, Kräf
teverteilung auf die Skis sowie
die Spurtreue geregelt. Die Mess
Der Roboter, lebensgross und über daten hierfür stammen von einem
80kg schwer, wird von einer zentra GPS-Empfänger mit integrierten
len Steuerung (PEC 80 von ABB) Beschleunigungssensoren, Druck
gesteuert. Das PEC besteht aus sensoren in den Fussplatten für die
einem Microcontroller und einem Messung der Kraftverteilung und
FPGA für die Kommunikation mit Dehnmessstreifen für die Momen
den Sensoren und Aktoren.
tenmessung am Oberschenkel.
Als “Muskeln” der Ober- und Unter Die Regelung ist in Matlab Simulink
schenkel werden Elektrolinearzy aufgebaut. Das PEC bietet den Vor
teil, dass es direkt mit dem Simulink
programmiert werden kann. So ste
hen alle Vorzüge der Matlabumge
bung zur Verfügung und aufwendige
Reglerprogrammierung entfällt.
Für einfache Tests fährt der Robo
ter mit Sommerskis auf Asphaltstre
cken. Um Erfahrungen für die auto
nome Fahrt zu gewinnen, kann der
Roboter in einer ersten Phase über
eine Fernsteuerung gelenkt werden.
Auf diesen Erfahrungen aufbauend
wird ein Fahrtprogramm entwickelt,
mit welchem der Roboter autonom
carven kann.
Erklärtes Ziel der Arbeit ist es, mit
ASKIRO eine blaue Skipiste hinun
terzufahren.
Aufgebauter Skiroboter
74
BI
Automatisches Gyrosensor Analysesystem
Mobile Communication, Sensorik, Analogelektronik / Prof. Peter Raemy
Experte: Armin Blum (Bakom)
Gyrosensoren werden in Navigationssystemen und zur Stabilisierung der Fluglage von Modellflugzeugen verwendet. Häufig gibt es zu den Gyrosensoren nur unzureichende technische Angaben.
So gibt es zu Repetiergenauigkeit und Langzeitstabilität praktisch keine Informationen. Mit einem
automatischen Messsystem können die notwendigen Informationen bestimmt und unterschiedliche
Gyrosensoren miteinander verglichen werden. Die Messungen zeigen deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Fabrikaten.
Ausgangslage
Die vorangegangene Semesterar
beit befasste sich mit der Proble
matik, eine an einem Modellhub
schrauber befestigte Kamera zu
stabilisieren, so dass der Bildaus
schnitt unabhängig von äusseren
Einflüssen nahezu konstant bleibt.
Zur Bildstabilisierung werden Gy
rosensoren verwendet, mit denen
über Schrittmotoren die Kamera
ausrichtung nachgeführt wird. Um
die Stabilisierung zu optimieren,
müssen die Sensoreigenschaften
exakt bekannt sein. Leider sind die
Gyrossensoren von Conrad, Futaba, Murata
vom Hersteller gelieferten Angaben
meist mangelhaft und geben zu
wenig Aufschluss über die Eigen
schaften des Sensors. Dies führte
zur Idee, die erforderlichen Para
meter selber zu bestimmen.
Das Mess- und Testsystem besteht
aus einem Drehtisch, auf dem der
zu prüfende Gyrosensor montiert
wird. Der Drehtisch kann definierte
Drehbewegungen ausführen und
wird von einem Schrittmotor ange
trieben. Der Schrittmotor dreht sich
jeweils um 1.8° und der Drehtisch
Konzept
Mit dem Mess- und Testsystem infolge der Untersetzung um 4.5
können insbesondere folgende Bogensekunden pro Schritt. Die
Grössen eines Gyrosensors cha Bewegung des Tisches wird durch
rakterisiert werden: Linearität, Ge ein Programm vorgegeben. Vom
nauigkeit, Stabilität, Drift und das Schrittmotorkontroller können Trig
gersignale abgegriffen werden, die
zeitliche Verhalten.
den zeitlichen Bezug sicherstellen.
Ein Datalogger zeichnet die Aus
gangssignale des Gyrosensors auf.
Ein Gyrosensor misst grundsätzlich
die Winkelgeschwindigkeit um eine
oder mehrere Achsen. Integriert
man die Winkelgeschwindigkeit, er
hält man den Winkel, um den sich
die Achse gedreht hat. Die zeitliche
Auslenkung des Tisches ist be
kannt und erlaubt eine reproduzier
bare Analyse der Gyrosignale.
076 488 13 53
[email protected]
Resultat
Messungen mit verschiedenen
Sensoren haben gezeigt, dass es
zwischen den Fabrikaten grosse
Unterschiede gibt. Vor allem was
den Drift anbelangt, bestehen gros
se Unterschiede zwischen den ver
schiedenen Produkten. Mit diesen
Erkenntnissen steht einer Überar
beitung des Regelkreises für die
eingangs erwähnte Semesterarbeit
nichts mehr im Weg.
Blockschaltbild der Testanordnung
Andri Schütz
1982
75
BI
Hardware Video Encoder
Mikroelektronik / Prof. Dr. Marcel Jacomet
Experte: Felix Kunz
Heute werden Videodaten nahezu in allen Bereichen digital aufgenommen, verarbeitet und gespeichert. Im Vergleich zu analogen Formaten besitzt das Digitale viele Vorteile: einfache Nachbearbeitung, schnelle Verfügbarkeit und die Möglichkeiten zur weltweiten Verbreitung via Internet. Um
bewegte Bilder übertragen und verarbeiten zu können, müssen die umfangreichen Datenmengen
zuerst komprimiert werden. Diese Komprimierung der Daten in Echtzeit ist rechenintensiv und beansprucht Rechenleistungen. Durch den Einsatz rekonfigurierbarer Hardware lassen sich solche
rechenintensiven Aufgaben realisieren.
Marco Spirig
1984
076 548 68 30
[email protected]
Konzept MedOnStream
MedOnStream leitet sich aus dem
Englischen “Medical Online Strea
ming” her. Das modulare System
verarbeitet Multimediadaten der
Medizintechnik. In zahlreichen Be
reichen der Medizin fallen Bild- und
Audiodaten an, die aus Gründen
der Reproduzierbarkeit oder zu
Schulungszwecken archiviert oder
auch bearbeitet werden müssen.
MedOnStream ist eine kompakte
Einheit die sich in vorhandene Infra
struktur integrieren lässt und über
standardisierte Schnittstellen kom
muniziert.
Durch den Einsatz rekonfigurier
barer Logik und eines GNU/Linux
basierten Betriebssystems sind
anwendungs- und benutzerspezi
fische Implementationen mit gerin
gem Entwicklungsaufwand mög
lich. Das MedOnStream System ist
offener als andere auf dem Markt
erhältlichen Lösungen, welche häu
fig durch proprietäre Schnittstellen
eine Interoperabilität mit anderen
Systemen erschweren..
Technik
Meine Arbeit war die Realisierung
der Hardware und die Programmie
rung der rekonfigurierbaren Logik.
Das Hauptelement der Signalver
arbeitung ist ein FPGA (Field Pro
grammable Gate Array) der Firma
Xilinx. Durch das ‘System On Chip‘
Design ist sowohl die anwendungs
spezifische und leistungsfähige Re
chenlogik, wie auch der Prozessor
auf dem FPGA implementiert. Da
durch ist eine sehr enge Anbindung
der einzelnen Komponenten unter
einander möglich.
Als Bildquelle dienen analoge
oder digitale Videosignale. Analo
ge Quellen werden in einem SDTV
Analog-Digital Wandler digitalisiert
und anschliessend weiterverarbei
tet. Die Hauptaufgabe der anwen
dungsspezifischen Hardware ist
die rechenintensive Komprimierung
der Videodaten im freien Theora
Format.
Nach der Kompression werden die
Daten durch die Software in einen
Stream eingebettet und über eine
Netzwerkschnittstelle an die Clients
verteilt. Die Treiber und Anwen
dungen für das MedOnStream Sy
stem wurden von Marc-André Beck
(Seite 35) entwickelt. Als Übertra
gungsmedien werden IEEE 802.3
Fast Ethernet und IEEE 802.11b/g
Wireless LAN verwendet. Durch
die offenen Standards des Med
OnStream Systems kann der Inhalt
vom Empfänger für beliebige Zwe
cke weiterverwendet werden.
MedStream Architektur
76
BU
PCM Datenlogger
Elektronik / Prof. Roland Brun
Experte: Mario Giacometto
Die Firma Aastra Telecom Schweiz AG stellt unter anderem Telefonzentralen her. Im Speziellen ging
es bei dieser Arbeit um das Ascotel IntelliGate 300, welches bis zu 50 Teilnehmer verwalten kann.
Zur Qualitätssicherung der Soft- und Hardware wurde von der Firma Aastra Telecom Schweiz AG
der Auftrag zur Entwicklung einer PC-Applikation aufgegeben. Diese soll es ermöglichen, die Daten
der Telefonzentrale für Tests zu loggen.
Ausgangslage
Um eine Datenübertragung via
USB zu ermöglichen, hat der Auf
traggeber die Telefonzentrale mit
einem zusätzlichen DSP-Modul mit
entsprechender Schnittstelle aus
gestattet. Der grösste Teil der DSPSoftware sowie eine erste Lösung
der PC-Applikation wurden bereits
in den beiden vergangenen Seme
sterarbeiten entwickelt. Es konnten
jedoch noch nicht alle gewünsch
ten Features realisiert werden, zu
dem besteht bei der alten Lösung
noch ein Qualitätsproblem mit der
Übertragung der Audiodaten.
zu geben, einen einzelnen Timeslot
(Audiodaten eines Eingangs) in
Echtzeit anzuhören. Ebenfalls sollen
Übertragungsfehler ausgewiesen
und das GUI den Anforderungen
entsprechend abgeändert werden.
Wünschenswert wäre auch eine
grafische Darstellung der Audio
daten für den optischen Vergleich.
den Logik- und Datenklassen, wel
che in eine C++ DLL gepackt wur
den, getrennt. Auf der DSP Seite
wurde kein Design erstellt, da der
Löwenanteil dieser Software be
reits von der Firma Aastra geliefert
wurde und die Software in ANSI C
geschrieben ist.
Martin Steiner
1981
Resultat
Umsetzung
Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurde
Bei der Umsetzung wurde darauf das Qualitätsproblem aus der Welt
geachtet, dass der Aufbau der Lö geschafft, das GUI angepasst und
sung möglichst modular ist, um einige Fehler in der C++ DLL beho
bei einer gewünschten Erweite ben. Zu dem ist es nun auch mög
rung nicht von vorne anfangen zu lich einzelne Timeslots zu übertra
müssen. Aus diesem Grund wurde gen. Für die Echtzeitübertragung
Ziel
ziemlich viel Wert auf ein sauberes wurden bereits verschiedene Kon
Das Ziel der Arbeit ist es das Quali Design gelegt. Die grafische Benut zepte erarbeitet. Eines dieser Kon
tätsproblem in den Griff zu kriegen zerschnittstelle, welche mit .Net 2.0 zepte wird im letzteren Teil der Ar
und dem Benutzer die Möglichkeit in C# realisiert wurde, wurde von beit umgesetzt werden.
[email protected]
Ascotel IntelliGate 300
77
BI
Bestimmen des Feuchtigkeitsgehaltes von Biomasse
Mess- und Sensortechnik / Prof. Peter Raemy
Experte: Armin Blum (Bakom)
Die Verwendung von erneuerbaren Energien ist sehr aktuell. In Italien werden zur Zeit mehrere Bio
masse-Kraftwerke gebaut. Bei einem Biomasse-Kraftwerk handelt es sich um ein thermisches Kraftwerk, in welchem landwirtschaftliche Nebenprodukte (Biomasse) wie Maisabfall, Stroh, Waldholz,
Olivenkuchen etc. verbrannt werden, um damit Strom zu erzeugen. Die erwähnten landwirtschaftlichen Nebenprodukte verrotten sonst in der Regel ungenutzt. Die Landwirte werden aufgrund des
Energiegehaltes und der Feuchtigkeit der Biomasse entschädigt. Daher ist es entscheidend, dass
bei der Anlieferung der Feuchtigkeitsgehalt genügend präzise, zuverlässig und einfach ermittelt
werden kann.
Jonas Tschudi
1982
078 665 99 24
[email protected]
78
Ausgangslage
Sofern der Gewichtsanteil der
Feuchtigkeit in der Biomasse un
ter 20% liegt, gilt die Biomasse als
trocken. Übersteigt der Feuchtig
keitsanteil 20%, gilt die Biomasse
als feucht und wird entsprechend
niedriger vergütet.
In dieser Diplomarbeit wird unter
sucht, wie genau der Feuchtig
keitsgehalt von Biomasse bestimmt
werden kann. Normalerweise wird
die Feuchtigkeit manuell mit Stech
sonden ermittelt und ist deshalb nur
stichprobenartig möglich. Es wird
nach einem Messsystem bezie
hungsweise Messprozess gesucht,
mit dem der Feuchtigkeitsgehalt
der Biomasse direkt beim Entladen
bestimmt werden kann.
Eine Genauigkeit der absoluten
Feuchtigkeit in der Biomasse von
etwa 10% ist anzustreben.
Problematisch dabei ist, dass die
Feuchtigkeit in den Ballen unregel
mässig verteilt sein kann und die
Dichte der Ballen variiert.
Realisation
In einer vorangegangenen Se
mesterarbeit wurden die verschie
denen Messmethoden zur Bestim
mung der Feuchtigkeit untersucht.
Dabei wurde festgestellt, dass sich
eine kapazitive Messung der Feuch
tigkeit am besten eignet.
Unter Laborbedingungen wird die
kapazitive Feuchtigkeitsmessung mit
einem Plattenkondensator (siehe Bild)
untersucht. In verschiedenen Testrei
hen werden die in Frage kommenden
Biomassen, mit unterschiedlichem
Feuchtigkeitsgehalt ausgemessen,
und deren dielektrischen Eigen
schaften bestimmt.
Wasser hat eine besonders hohe
Dielektrizitätskonstante von ca. 80.
Die dielektrischen Eigenschaften
von trockener Biomasse sind dage
gen ähnlich wie der Luft.
BU
Zündverhalten von Überspannungsableitern
Energietechnik / Prof. Dr. Kurt Lehmann
Experte: Dr. Thomas Aschwanden
In Energieübertragungsnetzen spielen Überspannungsableiter eine wichtige Rolle. Sie schützen
Betriebsmittel wie z.B. Transformatoren vor plötzlich auftretenden Überspannungen und verhindern
einen möglicherweise beträchtlichen Sachschaden.
Im Netz der Bernischen Kraftwerke BKW befinden sich einige hundert Überspannungsableiter im
Betrieb. Die BKW interessiert sich für das Zündverhalten dieser Ableiter und stellt der BFH für diese
Untersuchung einige Ableiter zur Verfügung. Im Zentrum der Arbeit stehen der optimale Prüfaufbau
sowie die korrekte Erfassung der Messgrössen.
Aufbau des Ableiters
Ein Überspannungsableiter besteht
im Wesentlichen aus einem nichtli
near spannungsabhängigen Wider
stand (Varistor) und einer in Serie
geschalteten Funkenstrecke. Diese
hat die Aufgabe, die Streukapazität
des Ableiters zu reduzieren. Die Va
ristoren wurden früher vor allem aus
Siliziumcarbid (SiC) gefertigt. Heute
werden sie vorwiegend aus Zinkoxid
(ZnO) hergestellt. Bei der BKW sind
noch immer viele SiC-Ableiter in Be
trieb.
Signalerfassung
Um das Zündverhalten genau ana
lysieren zu können, müssen sowohl
Strom wie auch Spannung gemes
sen und aufgezeichnet werden. Die
Erfassung des Stroms erfolgt über
einen in Serie zum Prüfling geschal
teten Shunt. Zur Spannungsmes
sung wird ein Messsystem der Firma
Haefely verwendet. Das Signal wird
von einem Spannungsteiler dem “Di
gitalen Impuls-Auswertungssystem”
DIAS zugeführt, wo das Signal auf
bereitet und digital verarbeitet wird.
Das DIAS hat aufgrund seines relativ
hohen Alters eine mangelhafte Ge
Spannungserzeugung
Um das Zündverhalten testen zu nauigkeit. Ausserdem existiert keine
können, muss eine entsprechend Schnittstelle für ein modernes Oszil
hohe Spannung erzeugt werden. loskop. Es soll deshalb eine Mög
Die BFH ist im Besitz eines Stoss lichkeit gesucht werden, Strom und
spannungsgenerators der Firma Spannung mit synchroner Zeitbasis
Haefely. Mit diesem Generator kann zu erfassen.
eine stossförmige Spannung der
genormten Form 1.2/50us erzeugt
werden.
Prüfkreis
Der Prüfkreis besteht aus dem
Stossspannungsgenerator und dem
parallel dazu geschalteten Ableiter,
dem Spannungsteiler sowie einer
Belastungskapazität. Zu beachten
ist dabei ein möglichst kompakter
Aufbau, um Störgrössen so gering
wie möglich zu halten. Die Messka
bel müssen ausserdem optimal ge
schirmt und geerdet werden, um
unverfälschte Messergebnisse zu
gewährleisten.
Der Aufbau des Prüfkreises und die
Erfassung der Messgrössen sind
die Hauptziele dieser Diplomarbeit.
Tests mit einer grösseren Anzahl
Ableiter werden in einer späteren
Arbeit erfolgen.
Hans Ulrich Wenger
1981
[email protected]
Stossspannung
Prüfkreis
79
BU
Firmware-Portierung eines Datenerfassungsgerätes
Experte: Dominique Renevey
Bioself ist die Schweizerfirma, die 1986 den ersten zuverlässigen Fruchtbarkeitscomputer auf den
Markt gebracht hat, der die Aufwachtemperatur der Frau genau auswertet und dadurch die hochfruchtbaren, fruchtbaren und nicht fruchtbaren Zyklustage der Frau anzeigt. Dieses Handheld-Gerät
von Bioself eignet sich für eine natürliche Empfängnismethode wie auch Verhütungsmethode. In
dem bestehenden Handheld-Gerät von Bioself BD02 wird ein nicht mehr produzierter Mikroprozessor eingesetzt. Deshalb muß die bestehende Hardware und Software an einen aktuellen Prozessor
angepaßt werden. Bioself entwickelt in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule den Prototypen
BD02+.
Florian Wicki
1983
078 768 99 76
[email protected]
Funktion des Fruchtbarkeitscomputers
Der Fruchtbarkeitscomputer der
Firma Bioself ist eine natürliche Me
thode zur Geburtenkontrolle, denn
dieser verbindet die Temperatur
methode mit der Kalendermethode
(Knaus-Ognio-Methode) und zeigt
zu jedem Zeitpunkt des Zyklus die
fruchtbaren und unfruchtbaren Tage
an. Dafür braucht es die Informa
tionen der täglichen Aufwachtempe
raturen sowie eine manuelle Eingabe
des ersten Tages der Regelblutung.
Hardware Prototyp BD02+
Der bisher verwendete Mikrocon
troller von Motorola (68HC05L16),
welcher nicht mehr produziert wird,
wurde im BD02+ durch einen Mi
krocontroller von Texas Instruments
(MSP430F415) ersetzt. Die Periphe
rie des BD02 wurde ebenfalls an
den neuen Mikrocontroller ange
passt. Auf Grund der Änderungen
wurde eine neue Prototyphardware
BD02+ entwickelt. Die Hardware ist
kompakt in einem Handheldgerät
implementiert, welches mit einer
einfachen Menüführung und einem
Display zur Visualisierung ausge
stattet ist. Das Handheldgerät hat
zur Bestimmung der genauen Kör
pertemperatur einen präzisen resi
stiven Temperatursensor.
Software des BD02+
Für die neuentwickelte Hardware
wurde die bestehende Firmware
portiert. Die bestehende Firmware
ist, von einigen kleinen Assembler
routinen abgesehen, in C geschrie
ben, und ist auch für das Zielsystem
in C geschrieben. Die Messdaten
werden bis zu einem ganzen Jahr
im internen Flashspeicher abgelegt
und jeweils täglich mit einem Algo
rithmus ausgewertet und danach
je nach Fruchtbarkeitsstatus der
Anwenderin unterschiedlich visuali
siert. Zudem können die Daten des
Fruchtbarkeitscomputers über die
Sonde zwischen Handheld-Geräten
ausgetauscht werden oder mit dem
Lautsprecher akustisch via Telefon
an eine Zentrale gesendet werden,
welche mittels Modem und Soft
wareprogramm die empfangene
Information in eine graphische Dar
stellung konvertiert. Die graphische
Darstellung des genauen Verlaufs
der Zyklen in Form einer Kurve er
möglicht es z.B. dem Frauenarzt
oder Spezialisten für Familienpla
nung, zu bestimmen, ob ein Ei
sprung stattfindet, ob die postovula
torische Phase normal ist und ob die
Zyklen regelmässig verlaufen. Diese
Informationen können vor allem bei
der Suche nach der Ursache einer
eventuellen Sterilität nützlich sein.
Prototyp Bioself BD02+
80
BI
Pneumatischer Gleitschutz für Lokomotiven
Eisenbahntechnik / Dipl. Ing. ETH Markus Moser
Experte: Felix Kunz, DIGITAL-LOGIC AG
Mit einer geeigneten Regelung des Pneumatikdruckes in den Bremszylindern soll das Gleiten und
Blockieren der Achsen einer Lokomotive in Adhäsion unterbunden werden. Nach der Modellierung
der Lokomotive mittels einer Mathematik-Simulationssoftware soll die Regelung mit dem Computer
getestet, geprüft und einsatzbereit gemacht werden, damit die pneumatische Gleitschutzregelung
in der HGe 101 der Zentralbahn AG (zb) eingesetzt werden kann.
Der Gleitschutz der Zahnradloko
motiven HGe 101 der Zentralbahn
AG (zb) soll analysiert und verbes
sert werden. Momentan ist nur ein
elektrischer Gleitschutz eingebaut.
Bei kleineren Geschwindigkeiten,
wo pneumatisch mittels Bremsklöt
zen gebremst wird, kann das Glei
ten der Räder nur durch manuelles
Eingreifen des Lokomotivführers
verhindert werden. Das Vermeiden
von Flachstellen verlangt aber ei
niges an Erfahrung.
Das Herzstück der neu eingebauten
Komponenten ist die speicherpro
grammierbare Steuerung (SPS), die
die Regelung des Druckes in den
Bremszylindern übernimmt. Dazu
wurden zwei schnelle GleitschutzMagnetventile, welche von der SPS
geregelt werden, in den Pneuma
tikkreis eingebaut. Jede der beiden
ausgerüsteten Achsen besitzt ein
Magnetventil, das auf vier Brems
zylinder bzw. Bremsklötze, je zwei
pro Rad, wirkt. Die SPS schaltet im
Fehlerfall aus, damit es auch im un
günstigsten Fall nie zu einer Vermin
derung oder gar einem Totalausfall
der Bremswirkung kommen kann.
Stefan Wiedmer
1983
079 778 64 86
[email protected]
In Zukunft möchte die zb diese
Lokomotive auch im Pendelzug
betrieb auf der Strecke LuzernEngelberg einsetzen. Sobald der
Lokomotivführer aber im Steuerwa
gen am anderen Ende des Zuges
arbeitet, hört er das Geräusch des
Gleitens nicht mehr, und die Loko
motive muss wegen des daraus re
sultierenden Materialverschleisses
an den Rädern schon nach kurzer
Zeit in die Werkstätte, was arbeitsund kostenintensiv ist. Um dies zu
verhindern wurde nun ein automa
tischer pneumatischer Gleitschutz
entwickelt, der den elektrischen
Gleitschutz ergänzt.
Markus Wingeier
1981
079 503 04 72
[email protected]
Nach der Modellierung der Loko
motive mit der Mathematik-Simu
lationssoftware Matlab/Simulink (in
zwei vorherigen Semesterarbeiten),
Testsimulation im Labor und an
schliessenden Testfahrten wird vor
erst ein Prototyp gebaut, welcher
allerdings nur zwei der vier Achsen
der Lokomotive vor dem Gleiten
schützt.
81
BU
Quadrocopter
Experte: Dominique Renevay
Ein Quadrocopter ist ein Luftfahrzeug, das vier in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten
wirkende Propeller benutzt um Auftrieb zu erzeugen. Durch Neigung der Rotorebene kann sich der
Quadrocopter im Raum bewegen. Da sich der Schwerpunkt bei dieser Bauart auf der Rotorebene
befindet und nicht, wie bei einem normalen Helikopter darunter, ist das Flugverhalten grundsätzlich
sehr instabil. Um den Quadrocopter einfach und stabil fliegen zu können, muss diese Instabilität
mittels einer elektronischen Regelung ausgeglichen werden.
Jörg Wittmer
1983
078 835 42 41
[email protected]
Ausgangslage
Der Quadrocopter der für diese
Arbeit eingesetzt wird, hat eine
Länge und eine Breite von 50cm
(ohne Propeller).Er wird mittels 4
Brushless Elektromotoren, mit einer
maximalen Wellenleistung von ca.
90 Watt, angetrieben. Zur Ansteue
rung der Motoren werden vier elek
tronische Brushlessregler benutzt.
Zur Erkennung der Fluglage dienen
drei elektronische Gyrosensoren
(Bestimmung der Winkelgeschwin
digkeit) und drei Beschleunigungs
sensoren, die für jede Achse die
aktuelle Drehgeschwindigkeit und
Lage bestimmen. Für die Regelung
und Steuerung ist ein mit 20MHz
getakteter Mikrokontroller vorgese
hen. Das Modell kann mit einer han
delsüblichen RC Fernsteuerung aus
dem Modellbau angesteuert werden.
Flugphysik
Bei einem Quadrocopter können
alle drei Achsen alleine durch die
Variation des Schubes der vier Mo
toren gesteuert werden. Um das
Drehmoment der Motoren auszu
gleichen, sind zwei linksdrehend
und zwei rechtsdrehend. Da immer
die zwei sich gegenüberliegenden
Propeller die gleiche Drehrichtung
haben, kann durch Ändern des
Schubverhältnisses eine Drehung
um die eigene Hochachse ausge
glichen oder erzeugt werden. Um
Nick- und Rollbewegungen auszu
führen oder auszugleichen, muss
das Schubverhältnis der zwei Mo
toren auf der jeweiligen Achse ver
ändert werden.
82
Regelung
Die Regelung ist komplett digital in
einem Mikrokontroller implemen
tiert. Sie regelt den Quadrocopter
auf die von der Steuerung vorgege
bene Lage. Mit Gyrosensoren und
Beschleunigungssensoren wird die
aktuelle Lage und Drehgeschwin
digkeit bestimmt. Die Regelung der
Nick- und der Rollachsen basiert
auf einer Kaskadenregelung mit
zwei PID-Reglern. Der erste Reg
ler regelt die Lage, in welcher das
Modell in der Luft schwebt und der
zweite die Geschwindigkeit mit der
der Quadrokopter nickt oder rollt.
Die Regelung der Gierbewegung
(Drehung um die eigene Hochach
se) wird mit einem P-Regler gelöst.
Ausblick
Mittels eines 3d Kompasses könnte
die absolute Position des Modells
im Raum konstanter gehalten wer
den. So könnten z.B. Windböen
ausgeglichen werden und der Drift
der Gierachse kann verhindert
werden. Auch ein Luftdrucksensor
mit dem man die Flughöhe regeln
könnte wäre denkbar und würde
das Steuern vereinfachen. Da der
Quadrocopter eine Nutzlast von ca.
300g hat, kann er z.B. eine kleine
Digitalkamera transportieren und
so Luftaufnahmen machen.
Quadrocopter
BU
Alarm- und Überwachungssystem für Fertigungsbetrieb
Automation / Prof. Max Felser
Experte: Josef Meyer, Ericsson AG
In allen Bereichen der Industrie werden heute immer kürzere Produktionszeiten sowie höhere Prozesssicherheiten verlangt. Um diesem enormen Marktdruck standzuhalten, dürfen sich keine unnötigen Wartezeiten in den Fertigungsprozess einschleichen. Besonders autonome Fertigungsanlagen müssen daher einen reibungslosen Ablauf garantieren können. Um dies sicherzustellen, wird
für die Firma EXTRAMET AG ein Alarm- und Überwachungssystem realisiert, welches alle Fertigungsanlagen überwacht, im Störfall Alarme auslöst und zur Prozesssicherheit die notwendigen
Daten aufzeichnet.
EXTRAMET AG, Schweizer Markt
führer für stranggepresste Hartme
tallrohlinge, wurde im Jahr 1980 in
Plaffeien (FR) gegründet. Wie das
gesamte Unternehmen, hat sich
die Produktpalette in den Jahren
des Wachstums kontinuierlich wei
terentwickelt. Wurden früher vor
allem Hartmetallstäbe für die Werk
zeugindustrie gefertigt, umfasst
das vielseitige Lieferprogramm
heute Hartmetall-Vollstäbe, Röhr
chen, Rundstäbe mit geraden oder
verdrallten Kühlbohrungen, Qua
drat- und Rechteckstäbe sowie
Sonderanfertigungen nach spezi
fischen Kundenzeichnungen.
fen einer ständigen Kontrolle, da
diese ununterbrochen in Betrieb
sind und ein Ausfall grosse Mate
rialverluste zur Folge haben kann.
Aus diesem Grund ist ein Team von
Mitarbeitern dafür verantwortlich,
auch in der Nacht und am Wochen
ende die einwandfreie Funktion der
Anlagen zu gewährleisten.
Um die einzelnen Datenpunkte zu
erfassen, werden Automations
komponenten der Firma Saia-Bur
gess verwendet. Die PCD3-Reihe
eignet sich mit einer Vielzahl an
Schnittstellen hervorragend, um
die gewünschte Modularität und
Anpassungsfähigkeit zu erreichen.
Dank der Ethernetschnittstelle
kann das bestehende Firmennetz
Ziel dieser Arbeit ist es, ein Alarm- werk verwendet werden und ein
und Überwachungssystem für Grossteil der Verkabelung erübrigt
den Fertigungsbetrieb zu erarbei sich dadurch. Die Kommunikation
ten, welches dem oben erwähnten zu vorhandenen Steuerungen wird
Team ermöglichen soll, seine Arbeit mit der RS485 Busschnittstelle er
besser zu koordinieren und Über reicht. Ein ModBus-RTU-Treiber er
wachungsaufgaben von zu Hause ledigt die Aufbereitung der Signale,
aus zu erledigen. Im Weiteren gilt damit diese vom Leitsystem verar
Der Fertigungsbetrieb der Firma es, sämtliche notwendigen Alarme beitet werden können.
EXTRAMET AG umfasst zahlreiche zu definieren und einzubinden. Die
Produktionsanlagen. Vor allem die se werden direkt an die zustän Auf dem Leitrechner wird die Soft
Prozesse der thermischen Behand digen Personen bzw. Instanzen ware PromosNT (MST Systemtech
lung (Vorsintern, Sinter-HIP) bedür weitergeleitet.
nik AG) verwendet. Hier werden alle
Signale überwacht und beim Über
schreiten von definierten Grenz
werten die notwendigen Alarme
wahlweise über den bestehenden
DAKS (Digitaler Alarm- und Kom
munikationsserver) als Telefonanruf,
via Modem als SMS oder per Email
ausgelöst. Der integrierte Webser
ver ermöglicht eine Fernabfrage
des Systems von einem beliebigen
Standort aus. Die Prozessdaten
werden in zyklischen Abständen
auf dem Server abgespeichert.
Peter Zbinden
1982
[email protected]
Systemübersicht
83
BU
Leitwertsensor mit HART-Kommunikationsprotokoll
Sensorik / Prof. Daniel Lanz
Experte: Dr. Niklaus Affolter, Swisscom
Um die Wasserqualität zu beurteilen, benötigt man einige Kennwerte des Wassers. Einer dieser Kennwerte ist der elektrische Leitwert. Da die Firma Delisys AG in Münsingen (BE) vermehrt in der Sensorik für Wasseraufbereitung tätig ist, will sie einen Leitwertsensor entwickeln, der auf ihre Bedürfnisse zugeschnitten ist. Der Sensor soll mit einer Standard-Stromschnittstelle 4-20mA ausgerüstet
sein, sowie zusätzlich eine serielle Schnittstelle via 1HART-Protokoll beinhalten. Über eine einfache
Bedienungs-Software auf einem PC oder Laptop, kann der Sensor via HART-Kommunikations
protokoll betrieben und konfiguriert werden.
Stephan Zink
1983
[email protected]
Ausgangslage
Die Diplomarbeit baut auf den
Kenntnissen der beiden vorgän
gigen Semesterarbeiten auf. In der
ersten Semesterarbeit wurden die
Grundlagen für die Messung des
Leitwertes erarbeitet. In der zweiten
Semesterarbeit wurde eine erste
Schaltungsvariante des 4-20mAStromausgangs entwickelt.
Hardware
Den Kern des Sensors bildet der Mi
krokontroller, welcher alle Vorgänge
steuert und regelt. Das HART-Mo
dem wandelt die seriellen Daten
des Mikrokontrollers (UART-Signal)
in ein frequenzmoduliertes Sinus
signal (FSK-Signal) um, welches
dem Stromkreis aufmoduliert wird.
Analog dazu wandelt es das FSKSignal des Stromkreises in ein
UART-Signal um, welches der Mi
HART-Protokoll
Die digitalen Daten eines HART- krokontroller empfangen und verar
Frames werden frequenzmoduliert beiten kann. Der Messwert-Konver
und dem 4-20mA-Konstantstrom ter erhält vom Mikrokontroller einen
überlagert. Da die überlagerte 16-Bit-Wert, welcher proportional
Wechselspannung mittelwertfrei ist, zum gemessenen, elektrischen
wird der Konstantstrom nicht ge Leitwert ist. Diesen digitalen 16-Bitstört und beträgt im Mittel nach wie Wert setzt der Konverter in den ent
sprechenden Konstantstrom um.
vor 4 bis 20mA.
Zusätzlich moduliert er dem Strom
Es gibt einige Gründe, welche für eine kreis das FSK-Signal auf.
Implementation des HART-Kommu
nikationsprotokolls sprechen:
Hardware auf der PC-Seite: Damit
der PC mit dem Sensor kommuni
zieren kann, benötigt er noch ein
HART-Modem, welches die FSKSignale moduliert, beziehungswei
se demoduliert.
Software
Mikrokontroller: Die Software des
Mikrokontrollers steuert und regelt
alle Schaltungsteile des Sensors.
Sie wurde in der hardwarenahen
Programmiersprache C geschrie
ben.
Windows-Applikation: Mit Hilfe
der selbst programmierten Bedie
nungs-Software, kann der Sensor
von einem PC oder Laptop aus
konfiguriert und ausgelesen wer
den. Die Software heisst “Sensor
Visio” und wurde in der Program
miersprache C++ entwickelt.
- Rückwärtskompatibel zur kon
ventionellen 4-20mA-Strom
schnittstelle
- Messwerte können am PC
eingelesen und abgespeichert
werden
- Messbereich des Sensors kann
geändert werden
- Automatische Kalibrierung mög
lich
- Zusätzliche Messgrössen kön
nen vom Sensor zurückgegeben
werden
Blockschema
84
HART = Highway Addressable Remote Transducer
1
BI
Applications robot avec le kit microcontrôleur Carme
de communication
Robotique / Prof. Dr. Elham Firouzi
Expert : Stefan Brunner
La robotique est une science en constante progression et ses applications sont aujourd’hui pratiquement infinies. Le but de notre travail de diplôme est la programmation de telles applications.
Le cahier de charge comprend essentiellement le contrôle d’un robot et de sa caméra à l’aide d’un
microcontrôleur RISC. Le robot devrait pouvoir suivre des objets, éviter des obstacles, détecter des
mouvements et reconnaître des visages.
Le robot de développement
LABO-3
Nous avons choisi de travailler avec
le robot de développement LABO-3.
Ce robot est équipé de deux puis
sants moteurs DC et d’un squelet
te en aluminium. Son poids est de
25 Kg et sa structure est capable
de supporter une charge de 30 Kg.
Il possède 10 capteurs de proximi
té à infrarouge, qui sont capables
de détecter la présence d’un objet
jusqu’à une distance de 80 cm. Il
possède également des capteurs
de contact (Bumpers), qui permet
tent de détecter les collisions avec
d’autres objets. Deux batteries de
12V fournissent l’alimentation né
cessaire à son fonctionnement.
Le kit de développement
CARME
Le kit de développement micro
contrôleur est celui de CARME. Ce
dernier est prévu pour la gestion
du robot et de sa caméra. Grâce à
un circuit d’interfaçage, que nous
avons réalisé durant notre dernier
travail de semestre, ce kit est en
mesure de communiquer avec tous
les systèmes du robot.
Parallèlement, nous avons pro
grammé une bibliothèque de fonc
tions C, destinées à la gestion des
moteurs, des sondes infrarouges
et des capteurs de contact. Cette
bibliothèque permet de développer
des programmes de gestion à haut
niveau comme par exemple: des
déplacements autonomes avec
des évitements d’obstacles.
Rinaldo Geiler
1984
079 309 46 17
[email protected]
La caméra CMUcam3
La plate-forme de développement
vidéo est celle de CMUcam3. Cette
dernière est programmable et peut
être utilisée pour différentes appli
cations comme par exemple : la
détection de mouvements, la re
connaissance faciale et la poursui
te des objets. Une tourelle mobile
permet de mouvoir la caméra de +/45° en mode “Tilt” et de +/- 180° en
mode “PAN”.
Giuliano Romano
1984
079 286 60 17
L’assemblage de ces différents sys
tèmes va nous permettre de réali
ser un robot qui est capable de se
déplacer de façon autonome, de
suivre des objets et de reconnaître
des visages.
[email protected]
85
BE
Informatik
Informatique
On-Line Meinungsumfrage
Prof. Dr. Bernhard Anrig, Prof. Dr. Rolf Haenni
Experte: Han van der Kleij, RTC Real-Time Center AG
Das Ziel dieser Diplomarbeit besteht darin, Meinungsumfragen on-line abzuwickeln. Was unser System von anderen unterscheidet, ist, dass wir den Hauptfokus auf die Teilnehmer (Poller) richten.
Konkret heisst das, dass ein Poller sicher sein kann, dass er anonym an der Umfrage teilnehmen
kann. Zudem kann er im Nachhinein nachprüfen, dass seine Antworten mitgezählt wurden. Der Auftraggeber (Customer) kann einen Fragebogen erstellen und den Teilnehmerkreis bestimmen. Ebenfalls lädt der Customer alle Poller ein, wodurch für die Poller klar ersichtlich wird, wer die Umfrage
initiiert hat. Für die Durchführung der Umfrage sind nun Drittparteien zuständig. Der Provider publiziert letztendlich das Umfrageergebnis.
http://webumfrage.bfh.ch
Adrian Aeby
1978
079 472 43 29
[email protected]
Anstoss
Viele On-Line Meinungsumfragen,
die per E-Mail initiiert werden, ver
mitteln oft nicht den Eindruck einer
seriösen Umfrage. Zudem ist der
wahre Urheber der Umfrage nur
schwer ersichtlich. Da oft persön
liche Angaben der Teilnehmer ver
langt werden, muss die Meinungs
umfrage klare Angaben zum Zweck
und zur Verwendung haben. So
muss auch klar sein, wer Zugang
zu den Daten hat. Zudem muss
gewährleistet werden, dass jeder
Teilnehmer anonym bleibt und nur
einmal abstimmen kann, und dass
die Daten unversehrt zum Provider
gelangen und ausgewertet werden.
Ziele
Ziel dieser Diplomarbeit ist es, ei
nen Prototypen eines On-Line
Meinungsumfrage-Systems zu er
stellen. Der Auftraggeber kann ei
nen Fragebogen erstellen und die
teilnehmenden Personen bestim
men. Es soll gewährleistet werden,
dass die Teilnehmer die Meinungs
umfrage korrekt ausfüllen können
und einwandfrei ersichtlich ist, wer
die Meinungsumfrage initiiert hat.
Weiter muss gewährleistet werden,
dass der Auftraggeber nur die Er
gebnisse erhält, d.h. keinerlei Rück
schlüsse auf Teilnehmer ziehen
kann. Die Teilnehmer selbst sollen
zudem überprüfen können, dass ihr
Fragebogen in der Endstatistik tat
sächlich mitgezählt wurde.
Hauptmerkmale unseres Systems sind:
Martin Wiget
1979
[email protected]
- Anonymität des Teilnehmers Zu keinem Zeitpunkt
darf eine Zusammenführung von Teilnehmer und ab
gegebener Stimme hergestellt werden können.
- Authentifizierung des Teilnehmers Nur berech
tigte Teilnehmer dürfen an der Meinungsumfrage teil
nehmen und jeder darf seine Meinung nur einmal ab
geben.
- Integrität der Daten Es darf an keiner Stelle – we
der bei der Übertragung noch bei der Speicherung
– möglich sein, Umfragedaten unbemerkt zu verän
dern, zu löschen oder hinzuzufügen.
- Integrität der Umfrageergebnisse Die Berech
nung von Zwischen- oder Teilergebnissen muss aus
geschlossen werden. Andernfalls könnte ein Auftrag
geber nach einer gewissen Zeit ein Zwischen- oder
Teilergebnis dazu missbrauchen, die nachfolgenden
Meinungsumfragen zu beeinflussen.
- Korrektheit der Ergebnisse Das Ergebnis muss
korrekt ausgewertet werden, insbesondere müssen
alle abgegebenen Umfragen auch gewertet werden.
- Interface zur Erstellung einer Umfrage Dem Cu
stomer wird ein Java-Programm zum Erstellen einer
On-Line Meinungsumfrage zur Verfügung gestellt.
- Implementierung der Protokoll-Schritte mittels geeigneter Kommunikationsmethoden
Für die Kommunikation unter den verschiedenen
Parteien werden möglichst wenige und einfache
Protokolle verwendet (Email, HTTP, HTTPS, Web
Services (WS), ...)
1. Registrierung des Customers beim Provider (HTTPS)
Registrierungsdaten werden dem Customer über
mittelt (E-Mail)
2. Poller einladen (E-Mail)
3. Pollermark blind signieren (WS)
4. Umfrage abschicken (WS)
5. Beantwortete Umfragen holen (WS)
86
BI
Armadillo - A self-adapting Web Application Firewall
Informatik
Informatique
Security Experte : Dr. Endre Bangerter
Experte : Dr. Igor Metz , Glue Software Engineering AG
Webapplikationen spielen eine zentrale Rolle in der digitalen Informationsgesellschaft. Bei der Entwicklung vieler Webapplikationen wurden Sicherheitsaspekte bisher unzureichend berücksichtigt. In der Tat werden Webapplikationen von Experten als sehr verwundbar eingestuft. Deshalb erstaunt es
nicht, dass solche Applikationen mittlerweile zu den bevorzugten Angriffszielen von Hackern gehören. “Web Application Firewalls” (WAF) gehören zu
den zentralen Sicherheitsmechanismen zur Abwehr von solchen Angriffen.
Das Ziel von Armadilllo ist es, ein Werkzeug für eine bestehende Open Source WAF zu entwickeln,
welches erlaubt, halbautomatisch einen applikationsspezifischen Schutz zu generieren.
Ausgangslage
Heutige Internetbenutzer gestalten
das Internet aktiv mit. Man bestellt
etwas, schreibt einen Kommen
tar, lädt Bilder in ein Online Album,
erledigt seine Bankgeschäfte oder
füllt seine Steuererklärung online
aus. Neuerdings können sogar Do
kumente verfasst oder eine Tabel
lenkalkulation im Internet erstellt
werden, ohne ein Office Paket
lokal installieren zu müssen. Die
Webapplikationen, welche all dies
ermöglichen, werden immer kom
plexer, zahlreicher und wichtiger in
unserem täglichen Leben.
Neue Technologien bringen neue
Sicherheitslücken mit sich. So öff
nen sich für Hacker neue Wege, um
erheblichen Schaden anzurichten,
indem Online-Dienste angegriffen
oder persönliche Daten entwendet
werden. Bestehende Sicherheits
technologien wie Netzwerk-Fire
walls oder Intrusion Detection Sys
teme bieten für Webapplikationen
unzureichenden Schutz, da sie
nicht die Möglichkeit haben, Daten
auf der Applikationsebene zu filtern.
WAFs sollen vor den neuen Ge
fahren schützen. Dieser Schutz
wird anhand einer Policy definiert,
allerdings weisen bestehende Lö
sungen folgende Schwächen auf:
- manuelle Konfiguration ist zeit
aufwendig und fehleranfällig
- Policy ist nicht applikationsspe
zifisch
Umsetzung
Mit Armadillo werden die ge
nannten Probleme behoben. Es
wird eine Webapplikation nach
Schwachstellen
(sicherheitsrele
vante Variablen) abgesucht und
anhand der gesammelten Infor
mationen eine massgeschneiderte
WAF-Policy generiert. Dadurch wird
der Schutz, mithilfe einer erprobten
WAF (Modsecurity), individuell an
die Webapplikation angepasst.
Armadillo benutzt Parser Techno
logien, um den Source Code einer
Webapplikation nach sicherheits
relevanten Variablen zu durchsu
chen. Es handelt sich dabei um
Variablen, deren Werte von einem
Benutzer der Webapplikation be
einflusst werden können. Um zu
verhindern, dass solchen Variablen
unautorisierter Code mitgegeben
wird, generiert Armadillo eine Po
licy, die den Wertebereich dieser
Variablen einschränkt. Dabei hilft
Armadillo dem Benutzer mit einer
grafischen Oberfläche und geeig
neten Regelvorschlägen. Zusätzlich
kann ein Regel Editor verwendet
werden, um eigene Regeln zu de
finieren. Als letzter Schritt wird eine
Konfigurationsdatei erstellt, welche
als Policy für Modsecurity fungiert.
Aufgrund der Analyse von Armadil
lo überprüft Modsecurity den Da
tenverkehr zwischen Internet und
der Webapplikation und verbietet
so mögliche Angriffe.
Stefan Arn
1981
[email protected]
Fabio Di Blasi
1983
[email protected]
Stephan Hofacker
1980
[email protected]
3-Schichten Architektur
87
BI
Webbasierte Verwaltung von medizinischen Dokumenten
Informatik
Informatique
Advanced Web Technology / Prof. Dr. Emanuel Benoist
Experte: Armin Blum, BAKOM
“eHealth” – eines der neuen Schlagworte in Politik, Wissenschaft und Medizin – beschreibt einen umfassenden Umbruch in der heutigen medizinischen Landschaft der Schweiz. Kurz gefasst geht es dabei um
den integrierten Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien im Gesundheitswesen. Im
Zentrum steht dabei stets das Wohlergehen des Patienten. Dies streben wir an, indem wir die administrative Arbeit für medizinische Fachpersonen erleichtern. Durch die geschaffene Webapplikation sollen
Patientendaten unabhängig von Ort und Zeit sicher und effizient zugänglich gemacht werden.
Werner Bachmeier
1975
079 305 04 07
[email protected]
Cyrill Gisler
1983
Vorgehen
Ausgehend von einer gründlichen Analyse des tech
nischen und kulturellen Kontextes unseres medizi
nischen Systems hat sich das webDoc Team eine solide
Basis für ein Projekt geschaffen, das wesentlich zur
Verbesserung unseres Gesundheitswesens beitragen
will. Mittels Einsatz neuster Technologien und konzep
tionell innovativen Ansätzen wurde vom webDoc Team
ein webbasiertes Patientendossier-Verwaltungssystem
konzipiert und realisiert. Im Gegensatz zu den vielen
bereits vorliegenden eHealth-Lösungen liefert der ge
schaffene Prototyp mehrere bahnbrechende Authentifi
“Die Menschen in der Schweiz können im Gesundheits zierungs- und Autorisationslösungen. So ermöglicht er
wesen den Fachleuten ihrer Wahl unabhängig von Ort einen sicheren und zugleich maximal gebrauchstaug
und Zeit relevante Informationen über ihre Person zu lichen Umgang mit unseren unbestritten schützens
gänglich machen und Leistungen beziehen. Sie sind werten Gesundheitsdaten.
aktiv an den Entscheidungen in Bezug auf ihr Gesund
heitsverhalten und ihre Gesundheitsprobleme beteiligt Technologien
und stärken damit ihre Gesundheitskompetenz. Die
- Java EE 5
Informations- und Kommunikationstechnologien wer
- JBoss Seam
den so eingesetzt, dass die Vernetzung der Akteure im
- AJAX
Gesundheitswesen sichergestellt ist und dass die Pro
- Diverse Hardware für Zugriffs- und
zesse qualitativ besser, sicherer und effizienter sind.”
Authentifizierungsprozedere
079 566 05 51
Hintergrund
In der medizinischen Landschaft der Schweiz besteht
ein grosser Handlungsbedarf bei der Integration von
Informations- und Kommunikationstechnologien. Zahl
reiche Todesfälle und horrende Betriebskosten resul
tieren aus Datenverlust, Datenverwechslung und
Transferverzögerungen in der bisherigen Handhabung
von Patientendaten. Das ist angesichts des heutigen
technischen Know-hows nicht länger vertretbar. Diese
Ansicht teilt auch der Bundesrat, der im Dezember
2006 folgende Vision publizierte:
Quelle: “Nationale Strategie eHealth”, 2006
[email protected]
Freunde und
Verwandte
Medizinische
Fachpersonen
Forschung
Medien und
Kultur
Politik und
Gesetzgebung
Samuel Scheidegger
1985
078 888 85 95
Wirtschaft
Medizinische
Institute
[email protected]
88
Partner
Dieses Forschungsprojekt wurde für das universitäre
Forschungsinstitut MEMCENTER realisiert, welches über
mehrjährige Erfahrung im Umgang mit anonymisierten
Patientendaten im internationalen Kontext verfügt.
Sponsoren
- Axsionics
- Boll Engineering AG
- Dolphin Systems
- Techtrends
Versicherungen
Webseite
http://www.cwb.ch/webdoc
BI
Planning and Scheduling Surgical Operations
Informatik
Informatique
Advisor: Dr. Jürgen Eckerle
Expert: Han van der Kleij, RTC
Surgical interventions have a tight schedule. Both the patient’s health depends on a quick intervention,
as the involved medical personnel and resources are in high demand. Improving the surgical process
is of high importance, but real-life tests are very expensive. An alternative is simulating the process in
virtual reality: The surgical equipment can be changed easily and the surgical process can be validated
quickly.
One main goal of the HOVISSE
project (financially supported by
the Hasler-Stiftung) is to model,
to simulate, to visualize and to
optimize the workflow of a PFNAoperation. This simulation needs a
planning module to schedule the
actions performed during the ope
ration. HOPla, the HOVISSE Plan
ner, aims to realize such a module
providing automated planning and
scheduling for this simulation. More
precisely, HOPla has to solve both,
scheduling the actions performed
during the surgical intervention and
computing the paths traversed by
the actors in the operation room.
There are a lot of well-known
algorithms and problem-solving
techniques for solving the path
finding problem for a single agent.
However, in the HOVISSE domain,
there are typically several agents
which act simultaneously and com
pete for collective resources. For
example, as illustrated in Figure 1,
the anesthetist pushes the anesthe
sia apparatus towards the patient
while the nurse moves the mobile
part of the operation table outside.
This is an adversary path searching
problem which cannot be solved by
algorithmic geometry or by classical
path searching algorithms. HOPla
is an effort to develop, implement
and test algorithms for solving the
scheduling and the path planning
problem in this domain.
HOPla is based on a workflow de
scription which specifies the actions
needed by the surgical intervention
and the dependencies between
these actions. Each action has
one or several actors and objects
involved, a precondition specify
ing when the action is executable
and an effect specifying the result
of this action. From this workflow
description all possible plans can
be generated. The plans specify
in what order actions have to be
executed and which actions may
run in parallel to reach the goal.
To develop a movement plan, the lay
out of the room must be known. For
this, a geometry description defines
the layout of the room; placement of
equipment; duration and location for
static actions; as well as start and goal
position in the room for movement
actions. With a plan and a geometry
description, HOPla can schedule the
actions and find the required move
ments of the actors. The result is a
movement plan that specifies when
and where the agents move.
Figure 2: The problem solving process
Stephan Balmer
1982
078 845 25 88
Figure 1: Illustration of an operation in progress
89
BI
Informatik
Informatique
MobileTripFinder – Der Ausflugsguide für unterwegs
E-Business / Prof. Rolf Gasenzer / Businesspartner: mySwitzerland.com
Experte: Dr. Walter Eich, Zuehlke Engineering
“An der Destination ihres Wochenendausflugs angekommen, stellen Sie fest, dass Sie nicht sorgfältig genug geplant haben: Denn die schöne Seilbahn wird im Winterhalbjahr überhaupt nicht betrieben, auch wenn es, wie jetzt, ein aussergewöhnlich schöner und warmer November ist. Doch nun die
100 km wieder zurück fahren und den tollen Ausflug einfach ins Wasser fallen lassen? Nein! Etwas
anderes zu unternehmen, wäre toll. Aber was?”
Muriel Berger
1982
[email protected]
Thomas Burri
1980
[email protected]
Mirjam Loacker
1983
[email protected]
90
Ausgangslage
Im Bereich des Schweizer Tagestou
rismus sollte eine LBS-gestütztes
(Location Based Service) Informa
tions- und Transaktionssystem für
Mobilkommunikationsanwender (ty
pischerweise mit handelsüblichen
Mobiltelefonen) entstehen, welches
optimal auf die Bedürfnisse der po
tentiellen Kunden abgestimmt ist.
Zudem galt es, die relevanten Ak
teure von elektronischen Angebot
splattformen im Tagestourismus
der Schweiz als potentielle Informa
tions- und Servicelieferanten unter
die Lupe zu nehmen, um gegebe
nenfalls eine Zusammenarbeit in
die Wege zu leiten.
Konzept
Eine Publikumsanwendung muss
den Bedürfnissen und Anforderungen des Benutzers entspre
chen. Aus diesem Grund stellten
wir den Benutzer in den Mittelpunkt
der Konzeptphase. Unser Ziel: Den
Benutzer und seine Bedürfnisse
währen der gesamten Anforde
rungsanalyse, aber auch der Rea
lisierungsphase, nie aus den Augen
zu verlieren. Durch Einsatz diverser
User Centred Requirements Engineering-Verfahren arbeiteten wir
auf unser Ziel hin.
Mobile Application
Entstanden ist eine Anwendung
unter der Bezeichnung Mobile Trip
Finder, welche durch Berücksichti
gung der unterschiedlichsten Ein
flussgrössen dem Benutzer eine
auf ihn zugeschnittene Liste span
nender und interessanter Trips zu
sammenstellt. Diese Parameter be
einflusst der Benutzer durch seine
persönlichen Interessen und wei
tere wichtige Faktoren wie Reiseteilnehmer, Verkehrsmittel, Datum,
Dauer (des Ausflugs), Kostengrenzen, Distanz (in welchem Radius um
den aktuellen Standort bzw. den
gewünschten Zielort herum sollen
sich die Trip-Angebote befinden?).
Unser Businessparter mySwitzer
land.com lieferte freundlicherweise
entsprechende Daten.
Zusätzliche Services (wie SBB-Fahr
plan, Wetterdaten, Distanzberech
nung, Restaurantdaten) erhöhen den
Nutzen für den Anwender. Beispiels
weise liefert der Mobile Trip Finder
durch die Integration der Internetplatt
form Foodguide.ch auf Wunsch eine
passende Auswahl an Restaurants in
der Nähe des Ausflugzieles.
Technologien
Mit der weit verbreiteten Techno
logie J2ME wurde eine (auf dem
mobilen Endgerät einfach zu instal
lierende) Applikation realisiert, wel
che Anfragen via Internet an den
Webservice generiert. Dieser verar
beitet die Anfrage und holt sich die
geforderten Informationen von den
Datenbanken und den verschie
denen Services. Dem Client liefert
er die Resultate per XML. Diese
flexible Architektur ermöglicht es,
Weiterentwicklungen einfach um
zusetzen, wie beispielsweise die
Einbindung weiterer Services oder
Datenbanken anderer Angebots
plattformen.
Systemdesign Mobile Trip Finder (MTF)
BI
Prozessunterstützung IKS für Unternehmen
Informatik
Informatique
Prof. Rolf Gasenzer / Businesspartner: RTC Real-Time Center AG
Experte: Peter Matti, Pronik AG
Nicht zuletzt unter dem Eindruck von Firmenzusammenbrüchen (wie Enron in den USA oder Swiss
air in der Schweiz) sah sich der Gesetzgeber auch hierzulande veranlasst, entsprechende Anpassungen im Aktienrecht vorzunehmen. Neu werden eine jährliche Risikobeurteilung sowie der Nachweis über die Existenz eines wirksamen internen Kontrollsystems (IKS) für Unternehmen in der
Schweiz zur Pflicht. Die Prüfung erfolgt durch die Revisionsstelle. Die Diplomarbeit befasst sich mit
der Realisierung eines elektronischen IKS für die Firma RTC Real-Time Center AG in Bern/Liebefeld.
Dabei wurde eng mit der Revisionsgesellschaft Ernst & Young zusammen gearbeitet.
Ausgangslage
Die Firma RTC in Bern bietet Soft
wareprodukte und IT-OutsourcingLösungen an. Wenn RTC-Kunden
(über siebzig Banken) ihre rund vier
Millionen (Bank-)Kunden verwalten,
stellt dies hohe Ansprüche an die
Verfügbarkeit und Leistungsfähig
keit von IT-Services. Um eine qua
litativ hochstehende Dienstleistung
zu gewährleisten, setzt sich RTC
seit geraumer Zeit mit interner Kon
trolle und Risikomanagement aus
einander. Mit dem Inkrafttreten der
Änderungen im OR (Art. 728 und
Art. 663) bezüglich des Nachweises
eines internen Kontrollsystems so
wie den notwendigen Angaben zur
Durchführung einer Risikoanalyse
im Geschäftsbericht stellt sich die
Frage, wie ein elektronisches IKS
die Mitarbeiter erfolgreich unterstüt
zen kann.
Zielsetzung
Ziel der Diplomarbeit ist es, ein Pro
totyping für die Umsetzung des ge
forderten Dokumentationskonzepts
aufzubauen. Dies insbesondere im
Hinblick auf den geforderten Nach
weis der Effektivität der Kontrollen
sowie bezüglich der verlangten lau
fenden Weiterentwicklung des IKS im
Unternehmen. Dabei sollen Prozesse
aus dem Bereich Finanz-, Release-/
Test- und Changemanagement so
wie dem IT-Riskmanagement abge
bildet werden. Das System soll eine
Verknüpfung mit international aner
kannten Rahmenwerken wie COSO,
CobIT und ITIL erlauben.
Realisierung
Im Sommersemester 2007 wurde
unter Einbezug von Ernst & Young
ein Konzept für einen Prototypen
ausgearbeitet, der nun während der
Diplomarbeit realisiert wird.
Mittels Webbrowser können Benut
zer auf das entwickelte IKS-Portal
zugreifen, wo ihnen adressatenge
rechte Inhalte (z.B. eine rollenab
hängige Risikobeurteilung) präsen
tiert werden. Die Automation von
Kontrollprüfungen, vordefinierten
Reportings und Alarmierungsfunk
tionen bringt den Anwendern eine
erhebliche Effizienzsteigerung und
trägt dazu bei, dass das IKS auch
“gelebt” wird. Ein Führungscockpit
rundet die Funktionalitäten ab. Es
ermöglicht dem Verwaltungsrat und
der Geschäftsleitung, sich ein ge
zieltes Bild über die aktuelle Lage
im Unternehmen zu machen.
Für die Umsetzung wurden Schnitt
stellen zu bestehenden Systemen
(Datenbanken, Verzeichnisdienste,
etc.) bei RTC berücksichtigt. Auf
einem Windows 2003 Server wird
ein IIS (Webserver) betrieben, der
mit mehreren Datenquellen (MS
SQL-, Oracle- und Active Directo
ry-Server) verbunden ist. Die Ent
wicklung baut auf neuen Web-Tech
nologien wie ASP.NET, AJAX und
Webservices auf. Die Logik wurde
in C# programmiert.
Christian Beyeler
1980
076 435 65 92
[email protected]
91
BI
Informatik
Informatique
WebMetriX: Similarity Metrics for Web Documents
Informatik / Prof. Dr. Olivier Biberstein
Experte: Dr. Andreas Spichiger
Aufgrund der Grösse des World Wide Web und des noch zu erwartenden Wachstums werden zunehmend umfassende Methoden zur Identifikation sowie zur Klassifizierung von Websites benötigt, um
gezielt Websites mit bestimmten Eigenschaften suchen zu können. Bisherige Systeme beschränken
sich vorwiegend auf den Inhalt (Semantik), wobei die strukturellen Aspekte (Syntax) vernachlässigt
werden. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollen nun auch strukturelle Merkmale von Websites bei deren Identifikation berücksichtigt werden. Der Fokus dieses Projekts liegt beim effizienten Auffinden
von Websites mit illegalen Inhalten.
Gregor Boesch
1977
[email protected]
Wenn eine Website mit Illegalen
Inhalten (z.B. Phishing, Kinderpor
nographie etc.) identifiziert und auf
rechtlichem Weg geschlossen wird,
taucht sie oft sehr bald unter einer
anderen Adresse und meist in sehr
ähnlicher Form wieder auf. Es be
steht deshalb ein grosses Interes
se, derartige Websites effizient und
schnell wieder aufzuspüren. Zu
diesem Zweck soll eine Applikati
on programmiert werden, welche
Websites anhand ihrer strukturellen
Merkmale vergleichen kann. Dies
sind nämlich oft diejenigen Merk
male, deren Erzeugung aufwän
dig ist und die deshalb häufig von
ähnlichen Websites kopiert und so
wiederverwendet werden. Es bietet
sich deshalb an, eine Site neben
dem Inhalt auch hinsichtlich ihrer
Struktur zu analysieren.
In dieser Arbeit wurden aus der
grossen Menge an strukturellen
Merkmalen einer Website einige
ausgewählt, welche auf praktisch
jeder Website vorkommen und sich
deshalb als Grundlage für einen
strukturellen Vergleich von Websites
eignen:
- Die relative Auftretenshäufigkeiten
(Frequenz) der in den HTML-Sei
ten enthaltenen Tags
- Die durch die Verschachtelung der
Tags entstehende Struktur (DOMBaum)
- Informationen, welche das Aus
sehen einer Site beeinflussen, d.h.
Style-Informationen im HTMLCode oder ausgelagert in CSSStylesheets
- Der durch die Verlinkung der
einzelnen Seiten einer Website
entstehende Graph bzw. dessen
Eigenschaften wie Kompaktheit,
Konnektivität (Verbindungsdichte),
etc.
Die Applikation wird den Vergleich
für die oben genannten Kriterien
vollziehen und die Ergebnisse als
Text und in graphischer Form dar
stellen. Sie ist funktionell in zwei
Teile aufgeteilt: Im ersten Teil wer
den die relevanten Daten aus den
Websites extrahiert und als XMLFiles abgelegt, im zweiten Teil wer
den XML-Files eingelesen und die
Ähnlichkeit zwischen den Websites
berechnet.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist
die Beantwortung der Frage, in
wiefern sich Websites aufgrund ih
rer strukturellen Eigenschaften so
klassifizieren lassen, dass anhand
der Klassifizierung Rückschlüsse
auf den Inhalt der Website gezogen
werden können.
http://www.hti.bfh.ch/
http://www.unibe.ch/
Struktur des HTML-Codes zweier Homepages graphisch dargestellt. (Dieses Bild dient nur zur Illustration der Struktur einer Homepage. Es
war nicht das Ziel dieser Arbeit, derartige Graphiken zu erzeugen.)
92
BI
Virtual Character Animation
Informatik
Informatique
Virtual Reality Lab / Prof. Claude Fuhrer
Expert: Dr. René Bach
With increasing computing power, virtual reality has become more and more important, not only in
the entertainment industry, but also in industrial environments. Simulating a human character in a
three dimensional environment can help to visualise and plan complex and time critical procedures.
Following a request from our project coach, we decided to familiarise ourselves with the topic of
virtual characters by creating a basic simulation of a virtual human body.
Ogre 3D
For our simulation, we used Ogre3D
(Object-Oriented Graphics Render
ing Engine) to visualise our character.
Ogre3D is a very powerful pro
gramming framework designed to
make it easier and more intuitive for
developers to produce applications
utilising hardware-accelerated 3D
graphics. The Ogre3D library also
provides useful interfaces to allow
other programming modules or
engines to be integrated. We chose
the Newton Dynamics Engine as the
physics engine to simulate the physi
cal behaviour of our human body.
Traditional Animation
There are several ways to animate
a virtual character. One of the most
widespread techniques is to record
an animation as series of body part
movements. The positions of the
body parts are saved as keyframes
on a timeline. When the anima
tion is played, these positions are
interpolated and result in a smooth
animation. The drawback of this
technique is that the sequences
are always static like a movie.
Therefore, it is difficult to react
realistically to arbitrary situations in
the 3D environment.
We used the 3D modelling
software Maya to create a 3D
character model with animations.
The character was integrated in a
demo application that serves as a
proof of concept to show how a vir
tual character can be animated in
a 3D environment using traditional
techniques. In the VCA Demo, the
character runs along a user de
fined path. We use a continuous
stream of locations, determined by
the user’s mouse pointer, to define
the nodes the character has to
visit. Between these nodes, a path
is constructed as a spline, which
is a polynomial curve. Thus, the
character doesn’t run straight from
point to point, but walks through
the defined points in a very smooth
way, like a human would do. More
interactions between the character
and the environment could easily
be implemented with this combina
tion of splines and animations.
Ragdoll Animation
Another approach to animation
is the so called ragdoll animation.
This technique simulates physi
cal objects for every body part to
represent the bones and joints of
the human body. These objects are
processed by the physics engine to
let them react to forces like gravity
and simulate collisions between the
body and objects in the environ
ment. Ragdoll animation enables
us to simulate a character that
drops down like in the real world.
The physical skeleton structure
can also be used to create generic
animations that fit into any given
situation.
Timothée Bourquin
1985
[email protected]
Nicolas Hauzaree
1983
079 674 68 36
[email protected]
Philipp Kuhn
1983
078 738 69 63
[email protected]
Character dropping down with ragdoll animation
93
BI
Informatik
Informatique
WebBiometrix – the way we type
Webapplikation / Prof. Dr. Emmanuel Benoist
Experte: Andreas Dürsteler
Durch den Einsatz von biometrischen Erkennungsverfahren können vertrauliche Daten noch besser
vor Fremdzugriffen geschützt werden. Als Grundlage unserer Diplomarbeit dient die Tatsache, dass
das Tippverhalten einer Person nahezu so einzigartig ist, wie ihr Fingerabdruck. Mit Hilfe unserer
Webapplikation “WebBiometrix” ist es möglich, verschiedene Personen anhand ihrer Tippverhalten
zu unterscheiden. Das Kernstück unserer Arbeit war die Entwicklung eines Algorithmus, welcher
Tippmuster analysieren und auswerten kann.
Pascal Bovet
1983
Olivier Liechti
Einführung
Biometrische Erkennungsverfahren
haben in der heutigen Zeit einen
immer höheren Stellenwert. Der
Einsatz von Biometrie ist ein viel
versprechender Ansatz, um die ak
tuellen Sicherheitskonzepte zu er
weitern und somit zu verbessern.
Verfahren zur Identifizierung einer
Person anhand des Fingerabdrucks
oder der Iris haben eine gewisse
Marktreife erreicht. Es gibt jedoch
noch kein Verfahren, welches Per
sonen aufgrund deren Tippverhalten
unterscheiden kann.
Biometrie
Beim Einsatz der Biometrie zur Iden
tifizierung von Personen werden in
dividuelle Merkmale oder verhaltens
basierte Charakteristika verglichen.
Zu diesen Merkmalen und Charak
teristiken gehören unter anderem
die Iris, der Fingerabdruck, die Stim
me, die Handschrift und auch das
Tippverhalten einer Person.
In der Einlernphase (engl. Enroll
ment) werden die Merkmalsdaten
als Referenzmuster gespeichert. Zu
einem späteren Zeitpunkt können
die Merkmale oder Charakteristika
einer Person mit einem Referenz
muster verglichen werden. Dabei
wird berechnet, mit welcher Wahr
scheinlichkeit diese Merkmale und
das Referenzmuster miteinander
übereinstimmen.
Person verschiedene, wiederkeh
rende Buchstabenkombinationen
mit einer individuellen Geschwindig
keit tippt.
Unser Verfahren ist sprachunabhän
gig und kostengünstig einsetzbar,
da die Person lediglich über eine
handelsübliche Tastatur verfügen
muss.
Um das Verfahren demonstrieren zu
können, wurde eine Webapplikation
entwickelt. In dieser Demo-Webappli
kation können sich Benutzer regis
trieren (Enrollment). Anschliessend
kann der Benutzer durch Abtippen
eines Textes überprüfen, mit welcher
Wahrscheinlichkeit sein Tippmuster
Verfahren
Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit seinem Referenzmuster überein
mit dem die Tippmuster verschie stimmt. Zusätzlich besteht die Mög
dener Personen voneinander un lichkeit sein Tippmuster mit den Re
terschieden werden können. Die ferenzmustern anderer Benutzern zu
Unterscheidung ist möglich, da jede vergleichen.
1983
[email protected]
WebBiometrix: Benutzererkennung anhand des Tippverhaltens
94
BI
RML II Datalink
Informatik
Informatique
Funkübertragung / Rolf Lanz, Hansjürg Wenger
Experte: Dr. René Bach
Die RUAG Aerospace führt den Einbau von ISSYS-Selbstschutzsystemen in Helikopter durch und
hat ergänzend dazu den Radar-Missile-Laser-Simulator (RML) entwickelt, welcher die am Helikopter vorhandenen Bedrohungssensoren testet. Zur Zeit wird ein verbessertes Nachfolgegerät, der
RML II, entwickelt, das über ein Funknetzwerk verfügen wird, welche die Kommunikation zwischen
mehrern RML IIs und dem ISSYS erlauben soll; so kann eine Person alle Sensoren auf einmal testen
und sich gleichzeitig einen Überblick über den Zustand des ISSYS verschaffen. Dieses Netzwerk benötigt ein Kommunikationsprotokoll, welches im Rahmen dieser Arbeit implementiert und getestet
wird.
Funkmodul
len Schnittstelle; so sollen sich
Grundlage des Funknetzwerkes ist
die oberen Schichten nicht um
der ER400/900TRS-02 Transceiver
die genauen Übertragungspa
der Firma Low Power Radio Solu
rameter kümmern müssen, da
tions, ein recht schlichtes Funkmo
diese sowieso durch das Funk
dul für die freien Frequenzbänder
modul fest vorgegeben sind.
um 433, 869 (Europa) und 914MHz - Die Funkmodulschicht verbirgt
(USA), welches sich bequem über
die Details der Ansteuerung
eine serielle Schnittstelle ansteuern
der Funkmodule; das Wechseln
lässt. Letztere beiden Tatsachen
eines Funkkanals kann so durch
bedeuten aber, dass die maximale
einen einfachend Funktionsauf
Datenrate bei vergleichsweise be
ruf vorgenommen werden.
scheidenen 3840 Bytes pro Sekun - Die Protokollschicht schliesslich
de liegt und die Störfestigkeit gering
kümmert sich um die eigent
ist, da praktische jedes frei erhält
lichen Aufgaben des Protokolls;
liche Gerät mit Funkausstattung in
diese umfassen den Aufbau
eben jenen Bändern sendet.
des Netzwerkes, die Stücke
lung des Datenstroms in Pakete,
die Erkennung von Übertra
Kommukationsprotokoll
gunsgfehlern und vor allem die
Das im Rahmen einer vorgängigen
Einhaltung der Funkdisziplin, da
Projektarbeit entworfene Protokoll
sich wahllos funkende Module
soll nun als Programmbibliothek
gegenseitig stören würden.
implementiert werden, wobei ein
geschichteter Aufbau (Stack) ange Diese Bibliothek soll es Program
men ermöglichen, auch einfache
strebt wird:
- Die Schnittstellenschicht abstra Weise über das Netzwerk zu kom
hiert die Eigenheiten der seriel munizieren.
Protokollanalyzer
Im Rahmen dieser Arbeit kann die
Funktionsfähigkeit des Protokolls
nur unter Laborbedingungen gete
stet werden; für die unabdingbaren
weiteren Tests muss daher ein Pro
tokollanalyzer entwickelt werden,
der die Weiterentwicklung des Pro
tokolls unterstützt.
Aufbauend auf einer von der RUAG
speziell entwickelten Hardware mit
zwölf Funkmodulen (für jeden Funk
kanal eines) wird der Analyzer den
Funkverkehr abhören und im Stile
von Ethereal/Wireshark dem Benut
zer zur Auswertung präsentieren.
Sandro Burgener
1982
Claudio Fasciati
1979
RUAG 12-fach-Empfänger (links) und einzelner Sender (rechts) auf dem Schnittstellenwandler; im Hintergrund erahnbar die
Komplexität der Software.
Der Analyzer soll es dem Benutzer
ermöglichen, den Funkverkehr live
mitzuverfolgen, Mitschnitte abzu
speichern und eine genaue Analy
se vorzunehmen. Zu diesem Zweck
bietet der Analyzer sowohl eine
nach Funkkanal geordnete chro
nologische Übersicht der empfan
genen Datenpakete als auch eine
Detailansicht an, die den Inhalt aus
gewählter Pakete aufgeschlüsselt
darstellt.
Screenshot des Protokollanalyzers
Walter A. Lüthi
1976
95
BE
Informatik
Informatique
DMCenter – Web-based Document Management
Wirtschaftsinformatik / Prof. Rolf Jufer
Experte: Han van der Kleij, RTC
DMCenter (Dokumentenmanagement-System) erleichtert den Benutzern den Umgang mit Dokumenten und deren Versionen unter Berücksichtigung der jeweiligen Benutzerberechtigung und
Gruppenzugehörigkeit. Ziel ist es, den Benutzern über ein Webinterface eine intuitiv bedienbare
und selbst administrierbare Webapplikation zur Verfügung zu stellen. Technologisch wurde bei der
Realisierung der Fokus auf zeitgemässe Technologien gesetzt wie z.B. Hibernate, MyFaces, Tiles,
JAAS, usw.
Stefan Canobbio
1977
[email protected]
Daniel Creus
1979
[email protected]
96
Ausgangslage
Das Ergebnis eines Grossteiles aller
Computerarbeiten sind Dokumente.
Bis heute werden Dokumente in
einem eventuell strukturierten File
system abgelegt. Dokumente haben
aber häufig keine eineindeutige Zu
ordnungsmöglichkeit. Dokumente
können zu Aufträgen, zu Kunden,
zu einem Datum, zu einem Autor
oder vielen anderen Kategorien zu
geordnet werden. Sind keine Du
bletten erwünscht, bietet aber ein
Filesystem keine geeignete Ablage
an. Wenn Dokumente bearbeitet
werden, muss erst sichergestellt
werden, dass niemand anderes
aktuell am Bearbeiten dieses Do
kumentes ist. Soll ein Dokument
gesucht werden, reichen die vom
Filesystem angebotenen Suchme
chanismen häufig nicht weiter als
einfache Suchen nach Erstellungs
datum oder Dateinamen. Sollen
von Dokumenten gegebenenfalls
frühere Versionen vorhanden sein,
ist der Ersteller gezwungen, die Da
tei unter einer anderen Version ab
zuspeichern. Ein entfernter Zugriff
auf die Dokumente ist wenn über
haupt häufig nur mit dem Einsatz
von VPN, IPsec oder anderen ge
sicherten Verbindungen ins Firmen
netzwerk möglich.
Applikation
Das webbasierte Dokumentenma
nagement System unterstützt fol
gende zentrale Funktionen:
- Benutzer- und Gruppenverwal
tung
- Stellvertretungsmanagement
- Up- und Download von Doku
menten
- Checkin, Checkout von Ver
sionen
- Suchen nach Dokumenten an
hand von Metadaten
- Suchen nach Dokumentinhal
ten
Technologien
Als relationale Datenbank nutzen
wir für den Betrieb von DMCenter
die freie Datenbank MySQL. Die
Schnittstelle zur Applikation bildet
das Persistenzframework Hiber
nate. Für den Authentisierungs
mechanismus nutzen wir JAAS,
welcher flexibel konfiguriert wer
den kann – somit können jegliche
Benutzerdatenbanksysteme ange
steuert werden.
Weiter wird für die Generierung
der HTML Applikationsformulare
das Framework Java Server Faces
(JSF) eingesetzt. Als geeignete Im
plementation der JSF Spezifikation
wurde Apache MyFaces genutzt.
Weiter wurden Tiles, JUnit, Ant und
Subversion für die Realisierung ein
gesetzt.
Versionen-Übersicht zu einem Dokument
BI
Behavioural API Call monitoring
Informatik
IT Security / Dr. Endre Bangerter, Adrian Gschwend, Gerhard Hassenstein, Matthias Steck
Expert: Dr. René Bach, Bund ISB
Informatique
Malicious code is one of the major threats to the security on the Windows platform. In our diploma thesis, we have developed a system which performs a threat analysis based on application behaviour.
During a learning phase, the behaviour of a known good version of an application is monitored and
recorded. After the learning phase, when the application goes live, its behaviour is constantly compared to the profile created during the learning phase. If the application behaves in an unexpected way,
an action is triggered (log entry, alarm, process termination).
Introduction
The daily use of the Internet makes
our computers vulnerable to a large
number of attacks. Downloading
and installing programs from vari
ous sources increases the risk that
the files of those programs contain
malicious code. The behavioural
API call monitor developed in this
thesis allows to assess and enforce
some key integrity properties of
the programs running on a user’s
platform, and thus to counter many
attacks.
Architecture:
The behavioural API call monitor
consists of two main modules: the
learning module and the monitoring
module.
In the following we describe these
modules in more detail.
Learning module
The monitoring module is executed
in a safe environment with a trusted
version of an application. The goal
of this part is to establish the profile
of a good behaviour of a selected
application (e.g. Firefox).
To establish this behaviour, we first
analyze on the disk the Portable
Learning phase: analysis of application
Executable file (exe file). This proc
ess allows us to retrieve the API
functions present in the application.
The functions, which permit the
interaction between the application
and the Windows operating system,
are then stored in a database.
Then, to gather additional informa
tion (i.e. function parameters), a
second analysis is made when the
application is loaded in memory.
Based on these two analysis steps,
we establish the profile of the good
application behaviour.
Monitoring module
The monitoring module can be
launched on any computer that is
to be monitored (e.g. an employees’
computer of an enterprise). It uses
the profile determined by the learn
ing module.
The user selects an application to be
monitored by this module. For each
API call made by the application,
a connection with the database is
made to control that all parameters
correspond to the good behaviour
profile.
If anything suspicious happens, an
action is triggered (log entry, alarm,
process termination).
Florian Champion
1979
[email protected]
César Ferreira
1983
[email protected]
Grégory Rossel
1984
[email protected]
Monitoring phase: application monitoring
97
BI
Informatik
Informatique
Discover which shares to buy on stock market
Decision Support System / Prof. Marcel Pfahrer, Prof. Michael Röthlin, Rolotec AG, Bienne
Expert: John Schaer, Sage Pro-Concept SA, Sonceboz
If you want to buy shares in stock market, you should have good financial knowledge, time to make your choice, know your profile of investor,
understand and anticipate external factors that influence it. If you have
this knowledge and don’t want other advices, you don’t have to read the
following text. Otherwise, BoursoGuide (BG) could help you. BoursoGuide is a program that advices
you, according to your preferences, by proposing you a list of shares to buy.
Fabiano Di Tomaso
1984
079 413 84 27
[email protected]
Jérôme Galeuchet
1983
076 527 54 53 [email protected]
98
Idea
In stock market, you can access
to an amazing amount of infor
mation, sometimes free. But the
interpretation of these data is hard.
Moreover, you spend a lot of your
time and are not really sure about
your choices. If you are looking for
an easier solution, BoursoGuide
exists. The idea of BoursoGuide is
to discover your needs by asking
you different questions according
to your competences. Thanks to
this investor profile, a list of shares
will be established to allow you a
virtual purchase.
Performance
BoursoGuide uses 8 different algo
rithms and 6 of them were tested
using data of the last 8 years on
the SWX market with 5 shares of
5 different sectors. Their average
performance (over 12 months) by
giving you a buy-signal is correct
in 72 % of the cases. The best
algorithm called “Timing” has an
average performance of 83 % dur
ing 6 months after the advice.
Functionality
The source data of BoursoGuide
is automatically updated each day.
Moreover, a parameter section
allows the administrator to change
easily some important parameters,
such as the current federal funds
rate. The GUI, providing two dif
ferent modes (normal and expert
mode), has been created to be
as intuitive as possible. Of course,
each user can save and change his
profile at any time. Handle his own
portfolio is possible too.
System Architecture
For a clearer conceptual view, the
logic of the pattern Model-ViewController has been used. The
figure below shows that the Bour
soGuide database (MS SQL Server)
is synchronized with the source
database of Telekurs (TKDB) in
JAVA and T-SQL. The data available
is then used in the web-application
developed with Microsoft .NET.
Global vision
Für uns bedeutet Teamgeist nicht, dass alle gleich sind. Aber, dass
alle füreinander da sind.
Im Team die Fähigkeiten eines jeden Einzelnen fördern – das ist der Kern der Unternehmenskultur von ELCA. Gleichzeitig aber auch die Voraussetzung, um unsere Zielsetzung zu erreichen: herausragende Leistungen zum Vorteil unserer
Kunden. Das gelingt uns bestens, dank einem Team von mehr als 380 hochqualifizierten Ingenieuren und gesamthaft
über 420 Mitarbeitern, welche die Werte vertreten, die für ELCA bezeichnend sind: Motivation, Kreativität und Effizienz.
Ab wann verstärken Sie unser Team?
Arbeitsgebiete für InformatikerInnen
State of the art Werkzeuge und Umgebungen wie Java, J2EE, .NET, Unix/Linux, XML, PHP, ASP, SOA, AJAX, ...
Mehr dazu unter www.elca.ch
BI
Informatik
Informatique
OpenCAPWAP - Zentrale Verwaltung von Access Points
Informatik / Gerhard Hassenstein, SWS / Rolf Lanz
Experte: Dr. René Bach, Bund ISB
Wireless Netzwerke werden zunehmend mit WLAN-fähigen Mobile Phones genutzt, unter anderem
auch für VoIP. Das Roaming zwischen den Access Points kann zu Unterbrüchen in der Sprachübertragung führen. Der Hauptgrund liegt in der Neuaushandlung der Sicherheitsbeziehung zwischen
Endgerät und Access Point. Dies lässt sich verhindern, indem der Endpunkt der Sicherheitsbeziehung vom Access Point auf einen dahinterliegenden zentralen Server (Wireless Switch oder auch
Access Controller genannt) verschoben wird. Für die Kommunikation zwischen den Access Controllern und ihren assoziierten Access Points kann das CAPWAP-Protokoll eingesetzt werden. OpenCAPWAP ist eine Implementation dieses Protokolls.
Andreas Dröscher
1981
031 911 57 03
[email protected]
Philip Schaller
1983
079 793 58 78
[email protected]
CAPWAP
Das CAPWAP (Control And Provi
sioning of Wireless Access Points)
Protokoll wird von der IETF definiert
und ist zurzeit in der Vernehmlas
sung. CAPWAP löst LWAPP ab,
welches der erste Versuch war, ei
nen Standard für die Kommunika
tion zwischen Access Controllern
und einfachen Access Points (auch
WTP genannt) zu schaffen.
CAPWAP ist ein modulares Protokoll,
fast eine Art Framework. Es kann mit
verschiedenen Wireless Protokollen
(z.B. 802.11 oder 802.16) verwendet
werden.
Funktionsweise
Wird ein neuer WTP ans Netzwerk
angeschlossen, so beginnt die Dis
covery Phase, in welcher der WTP
die Access Controller im Netzwerk
sucht (vergleichbar mit DHCP). Hat
der WTP einen Access Controller
ausgewählt, wird ein DTLS Tunnel
aufgebaut und die Join Phase ein
geleitet. In dieser Phase werden
Konfigurationen und Einstellungen
ausgetauscht, damit bei beiden
Abbildung 2: OpenCAPWAP Schichtenmodell
100
Abbildung 1: CAPWAP Kommunikationsverbindungen
Geräten die gleiche Basis zur Kom
munikation besteht. Der WTP ist
nun bereit, seine Dienste (Authenti
sierung, Paketweiterleitung) für die
Wireless Stations (z.B. Notebook,
Mobile Phones) bereitzustellen.
Realisierung
OpenCAPWAP ist objektorientiert in
der Programmiersprache C++ um
gesetzt. Beim Design der API, dem
Kern der Diplomarbeit, standen
zwei Aspekte im Vordergrund. Alle
im Draft definierten Vorgaben müs
sen erfüllt werden. Zudem wurde
viel Wert auf die Modularität des Sy
stems gelegt. Die API kann sowohl
auf einem WTP mit begrenztem
Speicher, als auch auf einem AC,
wo Skalierbarkeit im Vordergrund
steht, eingesetzt werden.
OpenCAPWAP ist in einzelne Mo
dule unterteilt, welche spezifische
Aufgaben (Abbildung 2) überneh
men. Die Netzwerk-API besteht aus
verschiedenen Submodulen, wel
che das Verpacken der CAPWAPPakete in Netzwerk-Pakete über
nehmen (z.B. Verschlüsselung der
Pakete mit DTLS). Die CAPWAP-API
besteht aus einer grossen Ansamm
lung von Interfaces und Klassen,
welche die Daten aufbereiten und
so dem AC/WTP in einer gut struk
turierten Form zur Verfügung stellen.
Die CAPWAP-APIex übernimmt die
im Draft verlangten Funktionalitäten
(z.B. KeepAlive, Statemachine) und
reduziert so den Entwicklungsauf
wand eines AC/WTP. Einem AC-/
WTP-Entwickler ist es selbst über
lassen, ob er diese API nutzen will
oder seine eigene Implementation,
zum Beispiel der Statemaschine,
verwenden möchte. Zu Test- und
Schulungszwecken wurde ein ru
dimentärer AC und WTP-Simulator
erstellt. Die Simulatoren sind auf
PCs und OpenWRT-basierten APs
lauffähig.
BI
SOCT Volumetric Analysis
Informatik
Computer Perception / Prof. Roger Cattin / Dr. Martin K. Schmid (Kantonsspital Luzern)
Experte: Yves Petitpierre / Partner: OPTOPOL Technology S.A. Polen
Informatique
Die Behandlung einer degenerativen Netzhauterkrankung, einer Augenkrankheit, welche die Struktur und Zellen der Netzhaut verändert, verlangt nach zuverlässigen Möglichkeiten, den Verlauf der Krankheit zu dokumentieren und zu analysieren. Mit moderner optischer Kohärenztomografie lassen sich gut aufgelöste
Schnittbilder der Netzhaut erstellen, welche unsere Applikation SOCT Volumetric Analysis mittels einer effizienten Bildanalyse verarbeitet. Zusammen mit den intuitiven Möglichkeiten für den Benutzer,
in den Analyseprozess einzugreifen, liefert die Applikation zuverlässige Messdaten. Diese erlauben
es, den Verlauf einer Behandlung und deren Auswirkungen auf die Netzhaut zu verfolgen.
OCT, Abkürzung für Optical Co
herence Tomography, ist ein noch
junges
Untersuchungsverfahren,
bei dem Licht mit kurzer Kohärenz
länge mit Hilfe eines Interferome
ters zur Entfernungsmessung re
flektiver Materialien eingesetzt wird.
Anwendungsbereiche liegen primär
in der Medizin, dort vor allem in der
Augenheilkunde. Der Haupteinsatz
liegt derzeit bei der Untersuchung
der Netzhaut (Retina). Die geringe
Belastung des Untersuchungsob
jekts, die hohe Auflösung und zu
nehmende Geschwindigkeit ma
chen das Verfahren extrem attraktiv.
Neue Lichtquellen, Detektoren und
Scanner werden es künftig erlau
ben, hoch aufgelöste dreidimensio
nale Mikroskopie in Videogeschwin
digkeit durchzuführen.
Inhalt der Diplomarbeit war die
Entwicklung einer Software für die
Augenklinik des Kantonsspitals
Luzern, welche die Auswertung
retinaler Daten des SOCT Coperni
cus der Firma Optopol vornehmen
kann. Es handelt sich dabei um das
momentan schnellste und hoch
SOCT Copernicus der Firma Optopol
SOCT-Scan einer deformierten Netzhaut
auflösendste OCT-Gerät auf dem
Markt. Aus den erstellen Scan-Bil
dern lässt sich an jeder Stelle der
Retina deren Dicke messen und
in Form von Karten darstellen. Da
dies mit der Herstellersoftware nur
unzureichend möglich ist, kommt in
unserer Anwendung eine neuartige
Methode zum Tragen, welche in
Zusammenarbeit mit der Augenkli
nik entwickelt wurde.
Unsere Applikation ermöglicht
es, vom Büro des behandelnden
Arztes aus auf die Gerätedaten
bank des SOCT Copernicus zuzu
greifen und die Messdaten mit Hilfe
von effizienten Bildverarbeitungsal
gorithmen so zu analysieren, dass
der Verlauf der Netzhautoberfläche
und des Pigmentepithels in jedem
einzelnen Schichtbild detektiert
werden kann. Aus den gewon
nenen Daten werden Höhen- und
Differenzkarten berechnet, die den
Ärzten Aufschluss über den Zustand
der Netzhaut geben und voluminale
Veränderungen erkennbar machen.
Eine kontinuierliche und robuste
Bildanalyse ist wichtig, um die Ent
wicklung der Krankheit während der
Behandlung zuverlässig vergleichen
zu können. In dynamisch gene
rierten Reports werden den Medizi
nern schlussendlich alle relevanten
Daten zur Verfügung gestellt.
Simon Fankhauser
1984
079 255 19 33
[email protected]
Maurus Frey
1982
078 778 86 77
[email protected]
Marc-André Weber
1984
079 519 63 92
[email protected]
101
BE
Informatik
Informatique
Open XML Key Management System
Web Services / Prof. Dr. Stephan Fischli
Experte: Dr. Igor Metz
Kommunikation via Internet ist grundsätzlich unsicher. Benutzer senden und empfangen E-Mails,
ohne Gewissheit über die Kommunikationspartner zu haben. E-Banking ist zwar praktisch aber
auch ein beliebtes Ziel für Attacken. Zertifikate und verteilte Schlüssel - ausgestellt und beglaubigt
durch eine Zertifizierungsstelle - bieten Sicherheit bei richtiger Anwendung. Der Einsatz ist jedoch
umständlich, weshalb häufig darauf verzichtet wird.
Unser XML Key Management System reduziert nun die Komplexität der von der Zertifizierungsstelle
angebotenen Dienstleistung und ermöglicht eine einfache und sichere Internet-Kommunikation.
Sebastian Fiechter
1982
078 744 01 00
[email protected]
Silvan Peter Krebs
1983
079 755 76 02
[email protected]
Ausgangslage
Die XML Key Management Speci
fication (XKMS 2.0), eine Recom
mendation vom W3C, definiert ein
Protokoll zum Austausch von Zerti
fikaten und Schlüsseln via Web Ser
vice. Der Web Service erlaubt einen
plattformunabhängigen Maschinezu-Maschine Transfer der Daten
und kann damit von unterschied
lichsten (Business-) Applikationen
angesprochen werden.
Die Umsetzung erfolgt in Java (JSE
6, JEE 5, JAX-WS) und beinhaltet
den XKMS Web Service, ein Client
API und einen Demo-Client.
Die Implementierung soll als Open
source-Projekt frei verfügbar sein.
Eine entsprechende Umsetzung
der XKMS 2.0 wurde bereits von
Studenten der Universität Murcia
(Spanien) begonnen und auf Sour
ceforge unter dem Namen “Open
XKMS” veröffentlicht. Die bestehen
de Open XKMS Implementierung
soll nun verbessert werden, indem
der Code entsprechend vervollstän
digt und optimiert wird und aktuelle
Frameworks zum Einsatz kommen.
Das Resultat dieser Diplomarbeit
fliesst wiederum in das bestehende
Opensource-Projekt auf Source
forge ein.
Open XKMS Web Service
Der Open XKMS Web Service stellt
die Schnittstelle zur Zertifikats- und
Schlüssel-Verwaltung dar, wobei
seine Funktionalität wie folgt defi
niert ist: Abfragen, Validieren, Regis
trieren, Verwerfen und Erneuern von
Schlüsseln und/oder Zertifikaten. Er
ist direkt an einen Public Key Infra
structure Provider (PKI-Provider)
gekoppelt und hat somit Zugriff auf
alle benötigten Daten.
Wo bisher Zertifikate und Schlüssel
umständlich per Email, CD-Rom o.ä.
übermittelt wurden, können die Da
ten heute bequem via Web Service
automatisiert ausgetauscht werden.
Ein Open XKMS Web Service wird
primär von einer Zertifizierungsstel
le betrieben, der Einsatz in grös
seren SOA Umgebungen ist eben
falls denkbar.
Open XKMS Client
Das Open XKMS Client API bereitet
die Anfragen für den Open XKMS
Web Service auf und garantiert
eine sichere Übertragung. Hilfsklas
sen vereinfachen das Auslesen der
Schlüssel und Zertifikate und ab
strahieren das Web Service Inter
face für den Endbenutzer.
Der Demo-Client benutzt das Client
API und wird auf dem Rechner des
Benutzers installiert. Dieser kann
somit einfach und schnell die Dien
ste des Open XKMS Web Services
beanspruchen, z.B. das Zertifikat
zu einer E-Mail-Adresse anfordern.
Nebst diesen Grundfunktionen
überwacht der Demo-Client den
TCP/IP-Stack des Client-Rechners
und sendet empfangene Zertifikate
automatisch an den Service zur Va
lidierung.
http://www.sourceforge.net/projects/xkms/
102
BI
Lumogramm
Informatik
Informatique
Computer Graphics / Prof. Claude Fuhrer
Experte: Pierre-Yves Voirol
Am nordwestlichen Ortseingang von Burgdorf steht der Spreda-Turm. Im Innern des Turms wird
Nahrungsmittelpulver hergestellt. Im November 2006 wurde der Turm erstmals zu einer 70m hohen
Taschenlampe: Mit farbigen Leuchten wurde er von Innen beleuchtet und strahlte während des Winters in den Nachthimmel.
Jetzt kommt das zweite Jahr: Erneut soll der Turm leuchten und mit Licht- und Farbenspiel die Stadt
Burgdorf in Atem halten. Und wieder soll er den Künstlern als Medium für ihre Produktionen dienen.
gramm gut in die bestehende Um
gebung integriert, d.h. bestehende
Sequenzformate müssen eingele
sen und exportiert werden können.
Lumolith am Ortseingang von Burgdorf
Turmsimulation im Lumogramm
Der Turm
Im viereckigen Turm wurden auf al
len 6 Etagen in jeder Kante Leucht
stofflampen in den Farben Rot,
Grün, Blau und Weiss angebracht.
Die Lampen können einzeln an
gesteuert werden und in allen be
liebigen Farbnuancen und Intensi
täten erleuchtet werden.
Zweck
Das Lumogramm unterstützt die
Künstler, indem sie ihre Lichtkom
positionen auf einer Turmsimulation
abspielen können. So kann das Re
sultat während dem Komponieren
überprüft und korrigiert werden.
Bestehende Steuerung
Bei der Beleuchtung im letzten Jahr
wurde ein Bühnenbelichtungspro
gramm verwendet, mit welchem die
einzelnen Lampen angesteuert und
die Lichtsequenzen abgespielt wer
den können. Dieses Programm soll
zum Erstellen und Abspielen weiter
hin verwendet werden; unsere Soft
ware Lumogramm ist eine auf den
Lumolith angepasste Erweiterung
des bestehenden Systems.
Aufgaben Lumogramm
Zusammen mit der Projektgruppe
vom Forum für Gestaltung und
Architektur Burgdorf und den
Künstlern von Optickle wurden
die Aufgaben zusammengestellt,
welche unser Lumogramm erfül
len muss. Diese Aufgaben bein
halten das Einlesen und Abspie
len der Lichtsequenzen auf dem
Turmmodell. In zweiter Linie sollen
Kompositionen erstellt und abge
ändert werden können. Wichtig ist
dabei immer, dass sich das Lumo
Die Visualisierung
Für die Darstellung des Turm
modells sind verschiedene Betrach
tungsarten möglich:
- eine 2D Ansicht, bei der die vier
Turmseiten aufgeklappt nebenei
nander liegen
- eine drehbare 3D Ansicht, bei
welcher eine oder zwei Turmsei
ten sichtbar sind
- vier verschiedene Ansichten ne
beneinander, wobei die Turmper
spektive aus allen vier Himmels
richtungen parallel betrachtet
werden kann
Lumolith für alle
Die
momentan
verwendete
Steuerungssoftware ist zwar sehr
mächtig, jedoch auch nicht gera
de einfach. Das Lumogramm soll
den Zugang zum Erstellen von
Kompositionen für den Lumolith
erleichtern. Dank den verwendeten
Technologien ist es mit geringem
Zusatzaufwand sogar möglich, das
Lumogramm im Netz verfügbar zu
machen.
Cinzia Gasser
1980
078 823 36 88
[email protected]
Bernhard Stähli
1978
076 425 88 77
[email protected]
Technologie
Das Lumogramm wird mit folgenden
Technologien
realisiert:
Adobe
Flex Builder 3, Adobe Flex SDK 3,
Adobe Integrated Runtime AIR.
103
BE
Informatik
Informatique
- Network Management API
Informatik / Rolf Lanz, Hansjürg Wenger
Experte: Armin Blum, Bundesamt für Kommunikation BAKOM
Mit ein paar Zeilen Java Code eine Applikation programmieren, welche auf Knopfdruck dem Webserver einen neuen “Virtual Host” hinzufügt und die Cisco Content Switching Module Konfiguration
für das Loadbalancing aktualisiert oder auf allen Juniper Router das lokale root Passwort ändert
und gleich noch den Tacacs Host umkonfiguriert. Dies ist nicht mehr Wunschdenken, sondern wird
mit nmapi und der Unterstützung vom NETCONF Protokoll Realität.
Link: http://nmapi.mye.ch
Martin Gerber
1980
[email protected]
Lukas Zaugg
1982
[email protected]
Einleitung
Um Netzwerkgeräte verwalten zu
können, wird heute vorwiegend
SNMP (Simple Network Manage
ment Protocol) eingesetzt. Die mei
sten Gerätehersteller bieten jedoch
nicht die Möglichkeit, das Gerät
komplett per SNMP zu konfigurie
ren. Um Geräte automatisiert kon
figurieren zu können, wird deshalb
oftmals das Command Line Inter
face (CLI) benutzt. Dies hat aber
verschiedene Nachteile, wie z.B.
das Parsen der Ausgabe eines Be
fehls oder die umständliche Imple
mentierung der Unterstützung von
Username und Passwort bei einem
Login über Telnet.
Deshalb wurde ein neues Network
Management Protocol namens
NETCONF (RFC 4741) von der IETF
Working Group entwickelt. Mit Hilfe
von NETCONF kann ein Gerät per
XML konfiguriert und dessen Sta
tus- sowie Konfigurationsdaten im
XML Format gelesen werden.
Motivation und Ziel
Die Motivation hinter der Entwick
lung von nmapi ist der Gedanke,
eine Referenzimplementierung vom
NETCONF Protokoll von Grund
auf in Java zu erarbeiten. Mit die
ser Implementierung ist es möglich,
bestehende oder neue Systeme
mühelos und mit geringem Auf
wand mit einer NETCONF Schnitt
stelle zu erweitern, um als Agent
agieren zu können. Eine weitere
Motivation ist die einfache clientsei
tige Integration von Datenmodellen
und neuen NETCONF Operationen
von verschiedenen Herstellern mit
minimalem Aufwand.
Neben der Enwicklung von nmapi
selbst ist ein weiteres Ziel, die Grund
lagen für eine Veröffentlichung der
Software als Open Source zu erar
beiten. Dies beinhaltet vorwiegend
die Definition von Richtlinien für das
Projekt in Bezug auf Lizenz, Mitar
beiter, Geld, Releasezyklen etc. Die
Software nmapi wird erst nach der
Diplomarbeit als Open Source ver
öffentlicht.
nmapi Architektur
Features und Implementierung
nmapi zeichnet sich vorwiegend
durch folgende Features aus :
- Unterstützung vom NETCONF
Protokoll und Operationen
(IETF RFC 4741 and RFC 4742)
- Erweiterbare Komponenten
- Plugin fähiger Agent
- Open Source
nmapi besteht aus den Kompo
nenten Library, Agent und Client.
Die Hauptkomponente ist die NET
CONF Library. Die Library über
nimmt Aufgaben wie das Umwan
deln von XML Daten zu Message
Objekten und umgekehrt. Weiter ist
die Library zuständig für die Aus
nahmebehandlung
(Exceptions).
Das Speichern und Verwalten von
Konfigurationsobjekten in soge
nannten Datastores übernimmt der
nmapi Agent. Der Zugriff auf ein
System, welches NETCONF unter
stützt (z.B. über einen nmapi Agent)
erfolgt über den nmapi Client.
Anwendungsbeispiel nmapi Client, Agent
104
BI
3D-Visualisierung von Flugbewegungen
Informatik
Informatique
Informatik/Virtual Reality Lab / Prof. Dr. Jürgen Eckerle, Prof. Urs Künzler
Experte: Yves Petitpierre
Die Computerindustrie ist ständig im Wandel. Vor 10 Jahren mussten spezielle Grafik-Workstations
gekauft werden, um 3D-Applikationen zu betreiben. Heutzutage ist dies Standard und selbst simple
graphische Oberflächen verwenden zunehmend 3D-Effekte. Diese Veränderung hat auch Einfluss
auf die Softwareindustrie. Proprietären Closed Source 3D-Engines stehen Open Source 3D-Engines
und Libraries gegenüber, die eine weite Verbreitung und Unterstützung geniessen.
Ausgangslage
Die RUAG Aerospace entwi
ckelt und wartet für die Schweizer
Luftwaffe ein Computersystem,
welches den Piloten ermöglicht, ei
nen Flug detailliert zu analysieren
(Debriefing). Teil dieses DebriefingSystems ist die 3D-Visualisierung
der Flugbewegungen. Diese 3DVisualisierung basiert auf einer pro
prietären Closed Source Engine die
nicht mehr weiterentwickelt wird.
Anhand einer Marktanalyse wurden
existierende 3D-Engines verglichen
und Kandidaten als Alternative der
existierenden Lösung gesucht.
Motivation
Die Abhängigkeit von proprietärer
Closed Source Software macht die
Weiterentwicklung eines Systems
schwierig und träge. Änderungen
müssen in Auftrag gegeben und
eingekauft werden. Es gibt keine
Garantie für die Lebensdauer und
die Weiterentwicklung.
Ziele der Diplomarbeit
Mit Hilfe einer existierenden Open
Source OpenGL Engine soll ein Sy
stem für GNU/Linux entwickelt wer
den, welches aufgezeichnete Flug
bewegungen visualisiert.
Die Arbeit trägt den Namen
E3V – Enhanced 3D Viewer.
E3V ist eine Machbarkeitsstudie
(Proof-of-Concept) und soll aufzei
gen, ob die erarbeitete Lösung und
die verwendeten Technologien die
proprietäre Lösung längerfristig er
setzen kann.
Realisierung
Architektur
E3V ist eine Applikation, die aus
mehreren Prozessen und Threads
besteht. Dem Model-View-Con
troller Pattern folgend wurde ein
System entwickelt, welches eigen
ständig sowie später im existie
renden Debriefing-System verwen
det werden kann. Prinzipiell kann
eine beliebige Anzahl von Views
IPC und Synchronisation
Mithilfe von Shared Memory und
Semaphoren findet die Interpro
zess Kommunikation und Synchro
nisation statt. Controller und Views
können sich jederzeit an und ab
melden.
Reto Glauser
1981
078 841 83 11
[email protected]
Prozess-Schema von E3V
RTC Timer
Um die Wiedergabe synchron und
im Schritt zu halten wird die Real
Time Clock des Systems ausge
lesen. So wird garantiert, dass ein
10-minütiger Debrief auch genau 10
Minuten dauert - selbst wenn das
System unter hoher Last arbeitet.
Terrain
Da die 3D-Engine einen Algo
rithmus einsetzt, der dynamisch
Terrainausschnitte in den Speicher
lädt, ist es möglich, unbegrenzt
grosse Terraindaten zu verwen
den. Anhand der Kameraposition
und des Blickwinkels wird ermittelt,
welche Ausschnitte angezeigt wer
den müssen. Nicht sichtbare Aus
schnitte werden dementsprechend
aus dem Speicher entfernt. Zur Zeit
wird ein Geländehöhenmodell in
100m Auflösung verwendet.
Screenshot von E3V
und Controllern gestartet werden –
einzige Begrenzung ist die verwen
dete Hardware.
105
BI
Informatik
Informatique
Flashcards Player for M-Learning
Mobile application / Prof. Marcel Pfahrer
Expert: Jean-Jacques Jaquier
The company TWI AG develops since many years an E-Learning platform named Global Teach®. It is a
learning management system for the training and the ongoing education. To allow its users to review
their learning content, TWI proposed the development of this functionality for mobile devices. A traditional flashcards system consists of boxes which contains cards used to help memorizing a question/
answer pair. This method was developed by the German Sebastian Leitner in the 1970s. The Flashcards player for M-Learning is an enhanced electronic version of the traditional flashcards system.
Cinthya Haldimann
1975
078 820 20 83
[email protected]
With the growing necessity of mo
bility of the people, the project has
been focused on the development
of a mobile application. A solution,
which runs on mobile devices, has
the advantage that it can be used
everywhere, at any time, with a
more efficient learning strategy as
the traditional flashcards system.
To allow the application to run on
a large number of mobile devices,
the Flashcards Player has been de
veloped with the J2ME platform us
ing the basics components, which
are the Connected Limited Device
Configuration and the Mobile Infor
mation Device Profile.
The main purpose of the Flashcards
Player is to help the user to learn
a set of cards. Beside the Leitner
system, more sophisticated learn
ing strategies can be implemented.
Boxes installed on the mobile device
106
In particular, there is an algorithm
developed by Piotr A. Wozniak as
a master thesis work in the appli
cations of computer science in hu
man biology (see www.supermemo.
com), which can be applied to flash
cards system. The overall retention
with this algorithm can reach a per
centage of ~90% after one year of
utilization. It has been used for the
learning strategy of the Flashcard
Player.
The different boxes that the stu
dent can download to play on its
mobile devices with the Flashcards
Player are accessible via Internet
on a web server. The boxes group
the cards by themes or subjects. In
the traditional flashcards system, a
card is a piece of paper on which
the question is written on one side
and the answer on the other side
Question side of the card
of the card. This structure is kept
in the electronic version. The user
navigates through the box accord
ing to the learning algorithm, rating
each card he/she encounters (no
idea of the answer, know the an
swer this time…). The order of the
cards is computed by the algorithm.
The player keeps a record of the
user learning experience to ensure
a consistent learning when the box
is started again.
An application like the Flashcards
Player for M-Learning represents
for the student an interesting tool
for learning because it only requires
a mobile device such as cellular
phone or PDA and helps optimiz
ing the learning with an appropriate
strategy.
Answer side of the card
BI
Bildungsplattform
Informatik
Informatique
Multi-Tier Webapplications / Prof. Pfahrer Marcel
Experte: Han van der Kleij, RTC Real Time Center AG
Die Volkswirtschaftskammer Berner Oberland (VWK) betreibt auf ihrer Website eine Informationsplattform für Weiterbildungskurse verschiedener Anbieter aus der Region. Diese soll dem Besucher
einen möglichst kompletten Überblick über das aktuelle Kursangebot im Berner Oberland liefern.
Das bestehende System ist in Bezug auf Stabilität, Funktionalität und administrativen Aufwand an
seine Grenzen gestossen, und soll durch eine neue Lösung ersetzt werden.
Ausgangslage
Das Hauptproblem der bisher ein
gesetzten Anwendung liegt da
rin, dass Kurspublikationen nur
von der VWK vorgenommen wer
den können. Es existiert zwar ein
Tool, welches die Kurse aus einer
Excel Datei einlesen kann. Trotz
dem müssen die von den Anbie
tern übermittelten Kursdefinitionen
manuell in das richtige Format ge
bracht werden. So liegt der ganze
administrative Aufwand auf der Sei
te der VWK.
Diesem Problem gilt es mit der neu
en Architektur entgegen zu wirken.
Jetzt kann die VWK für jeden Kurs
anbieter ein Anbieterkonto auf dem
Bildungsportal eröffnen. Diesem
wiederum können Benutzer zuge
wiesen werden. Diese können nun,
abhängig von ihren Berechtigungen,
die Kurse für ihre Institution selbst
ständig verwalten, ändern, löschen
oder publizieren. Durch diese Dele
gierung der administrativen Vorgän
ge nimmt der Aufwand für die VWK
stark ab. Sie behält aber trotzdem
die Kontrolle über den Inhalt des
Portals, da unangebrachte Publika
tionen gesperrt werden können.
Realisation
Die Applikation wurde aus Grün
den der Erweiterbarkeit, Interope
rabilität und Skalierbarkeit in vier
Schichten aufgeteilt. Sie besteht
aus der Datenverbindungsschicht,
der Geschäftslogik, der Webser
viceschicht und der Präsentati
onsschicht. Alle Rollen können auf
einem Server zur Verfügung gestellt
werden. Bei wachsenden Besu
cherzahlen besteht die Möglichkeit
diese auf mehrere physische Sy
steme zu verteilen, um den wach
senden Anforderungen gerecht zu
werden. Die Webserviceschicht
bietet den Zugriff auf die Geschäfts
logik per SOAP über HTTPS. Somit
können andere Entwickler, basie
rend auf der WSDL Definition, die
Kursdatenbank nutzen und ihr eige
nes Webfrontend, GUI oder Gadget
programmieren. Das Webinterface
fördert durch gezielten Einsatz von
AJAX die Benutzerfreundlichkeit.
Die datenbankbasierte Undo-Funk
tion ermöglicht dem Benutzer ver
änderte oder gelöschte Datensät
ze kontrolliert wiederherzustellen,
ohne dass der Systemadministra
tor einen Restore der Datenbank
durchführen muss.
Das Projekt wurde vollständig in
ASP.Net/C# realisiert. Als Daten
bank wurde der Microsoft SQL Ser
ver 2005 Express eingesetzt.
Ausblick
Durch die mehrschichtige Architek
tur der neuen Lösung ist es möglich,
dass die Kursanbieter ihre beste
henden Kursdatenbanken mit gerin
gem Aufwand automatisiert mit der
Bildungsplattform abgleichen kön
nen. Somit wird der administrative
Aufwand auch für die Kursanbieter
auf ein Minimum reduziert und die
Besucher der Plattform profitieren
von aktuellen Einträgen.
Fabian Haldimann
1979
[email protected]
Manuel Garcia
1970
[email protected]
Systemarchitektur
107
BI
Informatik
Informatique
Documentation Generator for XML
XML/XSL(T) / Prof. Dr. Arno Schmidhauser
Experte: Dr. René Bach
XML ist aufgrund seiner einfachen Syntax und Baumstruktur das wohl weitverbreitetste Beschreibungsformat für Daten. Meistens ist es aber sehr schwierig bis unmöglich, aus der nackten Syntax
den Informationszusammenhang zu ermitteln. XML-Schemas bieten hier einen Ansatz, die dazu gehörenden Instanzen in einem Abstraktionsschritt wiederum formal zu beschreiben und mit gewissen Zusatzinformationen anzureichern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, in einem weitergehenden
Schritt aus den gegebenen Elementen (Schema und Instanz) automatisiert eine fachliche Dokumentation zu erstellen, die auch einem gesteigerten Informationsbedürfnis standhält.
Christian Hegner
1975
078 666 79 12
[email protected]
Ausgangslage
Die Firma itserve AG1, Bern, ist
technischer Ansprechpartner der
swissdec2 im Rahmen der Entwick
lung einer elektronischen Lohnda
tenübermittlung via Webservices.
Dabei sind sowohl die zu übermit
telnden Daten als auch die beteili
gten Applikationsschnittstellen in
XML beschrieben. Da es sich da
bei um ein Grossprojekt mit vielen
beteiligten Parteien handelt, die so
wohl in technischer als auch fach
licher Hinsicht reibungslos zusam
menarbeiten müssen, entstand das
Bedürfnis, automatisiert fachliche
Dokumentationen der betroffenen
XML-Datensätze erstellen zu kön
nen.
Problemstellung
Die zentrale Schwierigkeit bestand
darin, dem technisch unversierten
Leser den eigentlichen Informations
zusammenhang möglichst intuitiv
zu erschliessen. Nebst reindarstel
lungsorientierten Aspekten stell
te sich die Frage, wie ein “Plus” an
KontextInformationen bereitgestellt
werden kann. Nebst Anreicherung
von Schemas oder TransformationsStylesheets mit zusätzlichen Infor
mationen geschieht dies v.a. auch
mittels dynamischer Erstellung von
bildhaften Übersichten, dynamischer
Extraktion von Beispiel-Markup aus
den jeweiligen Instanzen und sym
bolischer Umformung von kom
plexen Strukturen, die dem Leser
schwierig zu vermitteln sind.
Cédric Reginster
1984
Produkt 3
Mit <dgx:documentation> wird dem
Benutzer ein Framework (Applika
tion, API, Schemas, Stylesheets,
Konfigurationsmöglichkeiten)
zur
Verfügung gestellt, das es erlaubt,
die oben beschriebenen Aufgaben
zu erledigen. Unterstützte OutputFormate: FO (erlaubt Transforma
tion in verschiedenste Formate, v.a.
PDF.), HTML. Unterstützte InputFormate: XML, XSD, WSDL.
Verwendete Technologien
-
-
-
-
-
-
-
-
100% Open Source
Java
XML/XSD/XSL(T)
Maven
Xerces, Xalan, FOP,…
Docbook 5.0
Subversion
Trac
076 376 28 98
[email protected]
Ausblick
Zusätzlich zur Implementierung
des Frameworks, welches die ge
wünschten Funktionalitäten imple
mentiert, sind folgende Erweite
rungen geplant :
- Erweiterte Konfigurierbarkeit des
Outputs
- Webapplikation (JSF)
- Dokumentations-Editor
Marco Stettler
1983
078 674 03 09
[email protected]
108
1
http://www.itserve.ch
2
http://www.swissdec.ch
3
http://dgx.xsrv.ch
BE
Informationssicherheit bei der Spitex Bern
Informatik
Informatique
Betreuung: Dr. Endre Bangerter, Gerhard Hassenstein, Dr. Urs Sauter
Experte: Jean-Jacques Jaquier
Jedes Unternehmen verfügt über Informationen, welche nur einem eingeschränkten Benutzerkreis
zugänglich sein dürfen: Finanzberichte, Forschungsprojekte, Kundendossiers und so weiter. Dies
in einer stark vernetzten und von informationsverarbeitenden Systemen abhängigen Welt sicherzustellen, ist das Anliegen der Informationssicherheit. Um die Ziele der Informationssicherheit in
einem Unternehmen sicherzustellen, braucht es nebst Sicherheitstechnologien betriebliche Prozesse und organisatorische Massnahmen. Man spricht hierbei von einem sogenannten Informa
tionssicherheits-Management-System (ISMS). Diese Arbeit behandelt die Einführung eines ISMS bei
der Spitex Bern, Verein für ambulante Dienste der Stadt Bern, unter Berücksichtigung der knappen
Ressourcen, wie sie für kleine und mittlere Unternehmen typisch sind.
Ausgangslage
Die Spitex Bern erbringt Dienstlei
stungen im Gesundheitswesen und
verfügt deshalb über personenbe
zogene Daten, welche besondere
Massnahmen bezüglich Datensi
cherheit und Datenschutz unab
dingbar machen. In der Vergangen
heit wurden bereits Massnahmen
getroffen, um den gesetzlichen An
forderungen zu entsprechen und
die vorhandenen Informationen zu
schützen. Die Informationssicher
heit wurde jedoch nicht (im Sinne
eines ISMS) systematisch betrie
ben.
Im Rahmen einer Projektarbeit wur
de der Status Quo der Informa
tionssicherheit der Spitex erfasst
sowie eine Sicherheitseinschätzung
gemäss der ISO Norm 27002 (ehe
mals ISO Norm 17799) vorgenommen.
Basierend auf dieser Analyse hat sich
gezeigt, dass in verschiedenen Be
reichen der Informationssicherheit
Verbesserungspotenzial besteht.
Mit dieser Arbeit wurden die
Grundlagen zum Aufbau eines um
fassenden InformationssicherheitsManagement-Systems (ISMS) nach
ISO 27001 geschaffen. Dabei wur
de den Bedürfnissen und Ressour
cen der Spitex als KMU Rechnung
getragen.
Vorgehen
In einem ersten Schritt wurden die
Anforderungen an ein ISMS gemäss
ISO Norm 27001 untersucht: welche
Dokumente, Prozesse und Struk
turen werden mindestens verlangt?
Als Ergebnis wurde eine Sicherheits
richtlinie formuliert und die zentralen
Prozesse “InformationssicherheitsManagement-System” und “Risiko
management” modelliert.
Im nächsten Schritt wurden Vor
schläge zur organisatorischen Im
plementierung eines ISMS erarbei
tet. Die Anforderung hierbei war,
das System mit möglichst wenig
neuen Rollen und Verantwortlich
keiten – d.h. möglichst ressourcen
schonend – zu implementieren.
Es wurde auch darauf geachtet,
eine möglichst nahtlose Integration
in das bestehende Qualitäts-Ma
nagement-System und seine Pro
zesse und Funktionen zu gewähr
leisten.
Validierung
Die definierten Prozesse, Vor
gehensweisen und Arbeitsmittel
wurden an einem ausgewählten
Teilbereich des Unternehmens
durchlaufen, getestet und wo nötig
angepasst und verbessert.
Mit dem Abschluss der Arbeit ver
fügt die Spitex Bern über einen
Massnahmenkatalog zum Aufbau
eines ISMS nach ISO 27001.
Markus Heimberg
1969
034 424 04 84
[email protected]
Der Management-Zyklus
109
BE
Informatik
Informatique
Beer Game mit Open-Source ERP-System
Informatik, Wirtschaftsinformatik / Prof. Michael Röthlin
Experte: Dr. Federico Flueckiger
Das Beer Game ist wohl eines der ältesten Managementspiele: am Beispiel eines Wertschöpfungsprozesses, an dessen Ende Bier zu Konsumenten gelangt, werden verschiedene Phänomene der
Nachfragesteuerung illustriert. Durch die von der Spielsituation vorgegebene Isolation der beteiligten Gruppen (welche die Rollen von Brauerei, Distributor, Grosshändler und Detailhändler übernehmen) entsteht ein Klima der Unsicherheit, in dem unter Zeitdruck und Informationsmangel für
Aussenstehende kaum nachvollziehbare Beschaffungsentscheide getroffen werden. Das Spiel endet so meist in übertriebenen Schwankungen der Nachfrage und, damit verbunden, mit grossen
finanziellen Verlusten der Teilnehmer.
Kurt Järmann
1968
[email protected]
Michel Urben
1976
[email protected]
Im Internet finden sich viele Ap
plikationen, welche sich einer Im
plementierung des Beer Games
verschrieben haben. Dabei ist der
für die Registrierung der Benutzer
und die Steuerung des Spiels zu
betreibende Aufwand typischer
weise sehr hoch. Die verwendeten
Eingabemasken entsprechen meist
in keiner Weise Einkaufssystemen,
wie sie in der betrieblichen Praxis
eingesetzt werden. Schliesslich
bieten die bekannten Systeme bei
der Auswertung ausser rudimen
tären Grafiken zur Bestandesent
wicklung und dem entstandenen
Betriebsergebnis keine weiteren
Analysemöglichkeiten.
Der Auftraggeber wünschte eine
Software, welche er im Rahmen
seiner Ausbildungstätigkeit verwen
den kann. Die Software soll mit je
dem Browser benutzbar sein, eine
Authentisierung und Autorisierung
muss über das für alle Schweizer
Studierenden zugängliche SWITCH
Beer Game im Webbrowser
110
AAI- (Authentication and Authoriza
tion Infrastructure-) System mög
lich sein und die Leitungskompo
nente soll sowohl eine webbasierte
Kontrolle des Spielflusses als auch
den Zugriff auf Daten bereits abge
schlossener Spiele erlauben.
Jede am Wertschöpfungsprozess
beteiligte Firma setzt einen ei
genen Mandanten eines webba
sierten ERP (Enterprise Resource
Planning)-Systems ein, welches die
Materialwirtschaft des jeweiligen
Unternehmens abbildet; SoftwareSysteme wie das hier verwendete
Open-Source-Produkt SQL-Ledger
werden auch in der betrieblichen
Praxis eingesetzt. Die Beschaf
fungsentscheide werden über die
Einkaufskomponente eingegeben,
die Lieferungen über das Vertriebs
system von SQL-Ledger ausgeführt;
das Spielergebnis pro Gruppe (Ge
winn eines Unternehmens) wird lau
fend in der Finanzbuchhaltung fort
geschrieben.
Die Benutzeranmeldung erfolgt
über SWITCH AAI, das der hier ent
wickelten Software alle nötigen Be
nutzerdaten und Mechanismen zur
Zutrittskontrolle zur Verfügung stellt.
Die Seiten im Webbrowser werden
dynamisch mittels Technologien
wie JavaServer Faces (JSF) und
Asynchronous JavaScript and XML
(AJAX) generiert. Die Anbindung
der SQL-Datenbank erfolgt über
Java Database Connectivity (JDBC),
resp. Java Persistence API (JPA).
Als Spieloberfläche kann nebst
SQL-Ledger auch eine vereinfachte
Weboberfläche eingesetzt werden.
Die für das Spiel notwenigen Infor
mationen sind in einer PostgreSQLDatenbank hinterlegt, welche direkt
mittels JPA angesprochen wird.
Grafische Darstellungen von Men
gen und Werten werden mittels
Jfree Chart Library gestaltet, wobei
die Daten der Spielleitung auch als
CSV-Datei zur Verfügung stehen.
Beer Game im SQL-Ledger
BI
Sicherer Webdienst zur Dokumentarchivierung
Informatik
Informatique
WS-Security / Prof. Dr. Eric Dubuis
Datensicherheit nimmt in der heutigen Zeit eine immer grössere Bedeutung ein. Vertrauliche Daten müssen vermehrt über längere Zeit sicher archiviert werden. SecureDoc setzt genau an dieser Stelle an und
bietet ein Produkt, bei dem Daten bereits beim Kunden verschlüsselt
und anschliessend bei einem Dienstanbieter archiviert werden können.
Die Daten sind somit vor unerlaubtem Fremdzugriff geschützt und nur
der Kunde kann diese wieder entschlüsseln. Der Dienstanbieter übernimmt schliesslich den Schutz
der Daten vor Zerstörung mit Hilfe von Backups und einer geeigneten Infrastruktur.
Ausgangslage
Sensible Dokumente sind vermehrt
in digitaler Form vorhanden und
müssen dauerhaft und vor frem
dem Zugriff geschützt aufbewahrt
werden. Beispielsweise muss ein
Notariatsbüro sensible Dokumente
wie Testamente, Eheverträge usw.
über längere Zeit sicher verwahren.
Die Daten müssen dabei sowohl
vor fremdem Zugriff jeglicher Art,
Manipulation, wie auch vor physi
schen Schäden (Brand, Umwelt
katastrophen usw.) über einen län
geren Zeitraum hinweg geschützt
werden. Eine firmeninterne Lösung
dieses Problems kann mit erhebli
chen Kosten verbunden sein. Es
bietet sich daher an, diese Aufgabe
einem spezialisierten Unternehmen
zu übertragen. Dies setzt jedoch
voraus, dass auch der Dienstanbie
ter nicht im Stande ist, die bei ihm
hinterlegten Dokumentinhalte zu
entschlüsseln, da diese vertraulich
sind. Das Ablegen, Durchsuchen
und Verwalten der Dokumente soll
te von autorisierten Personen aller
dings jederzeit möglich sein.
Realisierung
Die Daten werden bereits vor der
Übertragung beim Kunden mit
tels hybrider Verschlüsselung ver
schlüsselt. Somit werden diese
nie im Klartext übertragen und der
verwendete Schlüssel muss vom
Kunden nie weggegeben werden.
Um die Daten beim Kunden zu ver
schlüsseln und nach dem Abho
len wieder zu entschlüsseln, wird
eine Client-Applikation eingesetzt,
die über eine intuitive graphische
Benutzeroberfläche bedient wird.
Der Client ermöglicht einem End
benutzer ein Dokument bei einem
Dienstanbieter verschlüsselt zu ar
chivieren, ohne sich um die techni
schen Details zu kümmern.
Die eigentliche Dienstleistung wird
vom Anbieter als Webdienst bereit
gestellt. Die Applikation dahinter ist
so einfach wie möglich gehalten.
Die erhaltenen Daten werden direkt
in der verschlüsselten Form abge
legt. Der Kunde authentifiziert sich
mit einem Security-Token, ausge
stellt von seinem eigenen SecurityToken-Service. Dadurch kann die
bestehende Benutzerverwaltung
weiter verwendet werden.
Daniel Käser
1985
[email protected]
Bei der Umsetzung wurde grossen
Wert auf die Benutzung von be
stehenden Standards gelegt. Dies
sorgt für zuverlässige Schnittstellen,
leichtere Wartbarkeit, sowie länger
fristige Erweiterbarkeit.
Damit mehrere Personen in der Fir
ma des Kunden ein zuvor archivier
tes Dokument entschlüsseln kön
nen, wird der Schlüssel von einer
zentralen Stelle ausgestellt. Diese
zentrale Stelle kann ein einfacher
Keystore, ein Webdienst oder eine
beliebige eigene Implementation
der Schnittstelle sein.
Christof Pfister
1983
[email protected]
Schematische Darstellung von SecureDoc
111
BI
Informatik
Informatique
Meteor: An Intelligent Approach
Artificial Intelligence / Prof. Dr. Bernhard Anrig , Prof. Dr. Rolf Haenni
Experte: Dr. Walter Eich, Zühlke Engineering
The Armagh Observatory of Northern Ireland maintains three standard surveillance
cameras on the roof of the observatory. These are used to record meteors when
they enter the Earth‘s atmosphere and leave an ionisation trail, commonly
known as a falling star. Unfortunately, many other events are recorded by the
cameras, such as swarms of birds, airplanes, thunderstorms, cosmic rays,
and many more. The goal of the project was to classify the recorded movies
automatically by using concepts of image processing (e.g. noise removal and
movement detection) and artificial intelligence (e.g. artificial neural networks or
Bayesian classifiers).
Benjamin Müller
1983
079 797 96 08
[email protected]
Thomas Rawyler
1983
078 743 87 04
[email protected]
Occasion and Motivation
The project team has been inter
ested in astronomy for a long time.
Based on a previous contact with
the Armagh Observatory in 2006,
the idea of realising a diploma
thesis in cooperation with the ob
servatory arose. The desire for an
automated meteor classification
application was mentioned in return
to our request to the observatory
for interesting project ideas.
Video Analysis
The video analysis consists of split
ting up the movie into individual
frames and performing various im
age processing algorithms on
these frames. The result of the
video analysis is the computation of
a feature vector which reflects the
type of the object that appears in
the movie. This is achieved in two
major steps: find the moving object
as accurately as possible and then
compute various features of this
object (e.g. brightness, flight-path,
Implementation
On the basis of our prototypes, speed). The moving object is found
which have been developed during by first subtracting the non-moving
the semester project, we created background (e.g. stars, buildings)
a stand-alone application. The ap from each frame and then applying
plication consists of two major a binarisation algorithm. This binari
modules of different branches of sation results in a mask that is used
computer science: video analysis by various feature computations.
and classification. These modules These computed feature values of
have an open architecture which the movies are stored in a database
allows further development. The for classification.
software will completely replace the
cumbersome work of humans and
should only require human interac
tion for movies in which classifica
tions are uncertain.
Feature Space
112
Classification
The classifier uses a training set of
manually classified movies to deter
mine whether an unclassified movie
contains a meteor or something
else and therefore belongs to the
corresponding class. The feature
vector that has been calculated by
the video analysis module contains
numeric values for each feature of
the moving object. A feature vec
tor represents a particular point in
a multidimensional feature space.
Each class can be imagined as a
cloud of points in this feature space.
The classifier tries to assign a class
to a feature vector by means of
statistical methods, such as Baye
sian classifiers or artificial neural
networks. The movies containing
meteors are then being analysed by
the astronomers of the observatory.
Interested?
http://meteor-ai.sourceforge.net
Meteor Cameras
BI
Wireless Sensor Network
Informatik
Informatique
Networks / Prof. Dr. Franz Meyer
Experte: Prof. Dr. Braun Torsten
Umgebungsdaten zu erfassen ist zeitintensiv und die Messstationen müssen ständig gewartet werden. Ein Sensornetzwerk soll dies vereinfachen
und unabhängig von seinem Standort funktionieren.
Das Einsatzgebiet solcher Netzwerke ist sehr umfangreich. Es kann von
der Temperaturkontrolle eines Raumes bis hin zur Überwachung von Gletschern verwendet werden.
Da die Sensoren auch in unwegsamen Gebieten eingesetzt werden, müssen sie möglichst autonom
arbeiten und über längere Zeit in Funktion bleiben.
In den 1990er Jahren erlebten
die Sensornetzwerke einen Auf
schwung, gefördert durch die im
mer kleiner und leistungsfähiger
werdende
Computer-Hardware.
Heute werden Sensornetze von
Forschung und Industrie in aller
Welt eingesetzt.
Diese Motes erfassen mit ihren
Sensoren verschiedene Mess
werte wie beispielsweise Hellig
keit, Temperatur und Feuchtigkeit.
Die Motes kommunizieren unterei
nander drahtlos. Da die Motes be
grenzten Speicherplatz haben wer
den sie mit dem Moteprogramm
samt einem kleinen Betriebssystem
Ein Sensornetzwerk besteht aus wie z.B. TinyOS bespielt. Dabei
kleinen mit Sensoren ausgestat wird die Applikation mit Tinyosteten Sensorknoten, Motes ge Schnittstellen verlinkt. (TinyOS ist
in der Programmiersprache nesC
nannt.
Ein Sensorknoten besteht im Kern geschrieben). Heute gibt es viele
wie ein gewöhnlicher Computer aus Anbieter solcher Motes. In der Di
einem Prozessor, einem Datenspei plomarbeit kamen die TmoteInvent
cher (in der Regel Flashspeicher) Motes von der Firma Moteiv Inc.
und RAM. Dazu kommen ein oder zum Einsatz. Damit die Motes län
mehrere Sensoren und ein Modul gere Zeit ohne Wartung betrieben
zur drahtlosen Kommunikation. Alle werden, ist es wichtig, dass der En
Teile werden über eine Batterie oder ergieverbrauch so gering wie mög
lich gehalten wird. Unter diesem
einen Akku mit Energie versorgt.
Aspekt wurde die Kommunikation
zwischen den Motes reduziert in
dem die gemessenen Daten nur
auf Verlangen an die zentrale Stel
le gesendet werden. Wird aber ein
Datenverlauf über eine längere Pe
riode gewünscht, kann in diesem
Fall der Mote die Sensordaten in
seinem Puffer zwischenspeichern.
So haben die erfassten Daten die
gewünschte Rasterung, ohne dass
ständig eine Verbindung zur Ba
sisstation bestehen muss. Die Da
ten werden für die Auswertung in
einem kompatiblen Format gespei
chert, so dass sie nach Belieben
weiterverarbeitet werden können.
Peter Mumenthaler
1977
078 892 84 86
[email protected]
Romed Schmid
1981
[email protected]
113
BI
Informatik
Informatique
BoneVis – CT Daten Aufbereitung für Visualisierung
Virtual Reality / Prof. Urs Künzler
Experte: Andreas Dürsteler, Swisscom AG
Für den Forschungsschwerpunkt Technologie am Menschen (TAM) hat das BoneVis-Team eine Applikation zur Simulation und Visualisierung der strukturmechanischen Eigenschaften eines Knochens erstellt. Dazu werden die einzelnen Bilder eines Computertomogramms zu einem Volumen
zusammengefügt. Das Volumen kann auf verschiedene Arten in 3D angezeigt werden, aus der Helligkeit eines Bildpunktes des Computertomogramms lässt sich die Elastizität dieses Punktes berechnen. Diese beiden Techniken zusammengeführt ergeben ein 3D-Modell eines Knochens, das
mit verschiedenen Farben, die der Elastizität entsprechen, eingefärbt ist.
Michel Mürner
1984
079 430 17 03
[email protected]
Das Projekt BoneVis stellte ver
schiedene Herausforderungen. Ei
nerseits mussten Wege gefunden
werden, um ein Computertomo
gramm in ein Volumen überführen
zu können. Andererseits musste
die Elastizität der einzelnen Punkte
(sogenannte E-Module) berechnet
werden. Zum erstgenannten gibt
es schon seit Jahren verschiedene
bewährte Lösungsansätze, wäh
rend das zweite noch in den Kin
derschuhen steckt.
Raphael Weber
1983
079 827 42 21
[email protected]
3D-Volumen
Um aus dem Computertomo
gramm ein 3D Modell zu generie
ren, wurden zwei unterschiedliche
Lösungen realisiert: Eine Lösung
ist das Einspeisen der Bildpunkte
in eine 3D-Textur, mit der ein Volu
me Rendering gemacht wird. Diese
Methode wurde von uns so erwei
tert, dass der Benutzer aus einer
beliebigen Richtung durch das Mo
dell scrollen und das Innenleben
des Knochens betrachten kann.
Die andere realisierte Möglichkeit
ist, aus dem Computertomogramm
ein Mesh zu generieren. Mit Mar
ching Cubes ist dazu schon seit
längerem ein Algorithmus bekannt.
Ein Mesh ist eine Menge von Drei
ecken, die zusammenhängen und
so ein grosses Modell ergeben
(Surface Rendering). Meshes bie
ten eine gute Performance beim
Betrachten und sind deshalb auch
in Computerspielen zum Standard
geworden.
Elastizität
Das Errechnen der E-Module aus
den Graustufen eines Compu
tertomogramms ist nach wie vor
Bestandteil der Forschung und
ist selbst Thema einiger Doktor
arbeiten an Hochschulen wie der
ETH. Da die Forschung bisher ver
schiedene Formeln entdeckt hat,
ist es in unserer Applikation mög
lich, die E-Module mit unterschied
lichen Formeln zu berechnen. Nach
dem Berechnen der E-Module der
einzelnen Punkte ist es möglich, di
ese in ein FEM-Programm (Finite
Element Methode) zu übertragen,
welches die biomechanischen Ei
genschaften des Knochens berech
net. Dabei kann auf eine beliebige
Stelle eine Kraft angewendet wer
den. Um diese biomechanischen
Eigenschaften mit verschiedenen
Farben zu visualisieren, wird das
neue 3D-Modell in unsere Applika
tion übertragen.
Claudio Zesiger
1981
078 807 01 98
Surface Rendering des gleichen Objektes
Volume Rendering und Querschnitt eines Femurs
[email protected]
114
BI
Asterisk Stateful Failover Projekt
Informatik
Informatique
Telematik / Dr. Hansjörg Keller
Experte: Prof. Dr. Torsten Braun Uni Bern
Voice over IP gewinnt immer mehr an Popularität, jedoch hat die paketorientierte Telefonie noch gewichtige Nachteile gegenüber der herkömmlichen Technologie. So ist die Dienstqualität über Netzwerkgrenzen hinweg nur schwer zu garantieren und die Stabilität der Vermittlerknoten (z.B. UNIX
workstations mit der open source Software Asterisk) erreicht bei weitem nicht die Verlässlichkeit
der analogen bzw. ISDN Telefonzentralen. Das Asterisk Stateful Failover Projekt hat daher als Ziel,
durch einen Clusterverbund (Master/Slave) eine ähnliche Stabilität zu erreichen wie mit herkömmlichen Telefonzentralen.
Voice over IP
Die offene Telefonzentrale Asterisk
bietet eine Vielzahl an Schnittstel
len zur Übertragung von Voice/Vi
deo Daten. Die wohl am häufigsten
eingesetzten Protokolle sind SIP
(Session Initiation Protocol für die
Signalisierung) und RTP (Real-Time
Transport Protocol zur Datenüber
tragung), für welche auch das As
terisk Stateful Failover System aus
gelegt ist. Obwohl RTP nicht über
die Zentralen laufen müsste ist dies
bei Asterisk dennoch der Fall, vor
allem damit die Synchronisierung
zwischen den beiden Protokollen
sowie korrektes Accounting sicher
gestellt sind. Dies bedingt jedoch,
dass die Telefonzentrale eine hohe
Ausfallsicherheit aufweist. Das As
terisk Stateful Failover System soll
nun garantieren, dass bei einem
Ausfall des Masters der Slave über
nimmt, wobei keine bestehenden
Verbindungen verloren gehen.
Architektur
Auf beiden Systemen wird jeweils
eine Komponente vorgeschaltet
(“Proxy”), welche die Kontrolle über
die Signalisation wie auch über die
Datenströme übernimmt. Die Pro
xys müssen dafür sorgen, dass
jeweils beide Systeme über den
gleichen Status verfügen. Jedoch
darf das Slave-System nicht aktiv
an der Kommunikation teilnehmen.
Das heisst, dass Aktionen des
Slave-Systems vom Proxy unter
bunden werden müssen. Die un
terbundenen Aktionen können auf
dem Slave-System zu einem inkon
sistenten Zustand führen. So wird
beispielsweise von Asterisk über
prüft, ob ein Terminal noch erreich
bar ist. Das bedingt, dass derartige
Aktionen von dem Proxy beantwor
tet werden müssen. Somit hat der
Proxy auf dem Slave-System die
Aufgabe, andere Netzkomponen
ten zu simulieren. Weiter stellt As
terisk für jede Verbindung Sockets
zur Verfügung, auf welchem der
Datenstrom empfangen wird. Diese
Sockets müssen jedoch nicht auf
beiden Systemen identisch sein, so
dass die Proxys dafür sorgen müs
sen, dass die Datenströme auch auf
dem Slave-System an den richtigen
Socket gelangen.
Das System unterstützt auch geo
graphisch getrennte Standorte von
Master und Slave, welche mittels
eines ausfallsicheren Layer 2- Rings
verbunden sind.
Das Projekt wird für die NTS Work
space AG realisiert.
Simon Obi
1981
[email protected]
Weitere Informationen unter
http://asf.nts.ch.
Überblick Asterisk Stateful Failover Projekt
115
BI
Informatik
Informatique
3D Game Engine for Multiplayer Online Games
3D Computergrafik / Prof. Urs Künzler, Prof. Dr. Jürgen Eckerle
Experte: Dr. Federico Flückiger
Computerspiele haben sich in den letzten Jahren sehr stark weiterentwickelt. Nicht nur Jugendliche sondern auch Erwachsene vergnügen sich immer mehr mit Computerspielen, somit ist ein sehr
grosser Markt entstanden. Durch die Weiterentwicklung des Internets sind kostengünstige Breitbandverbindungen wie ADSL auch für Privatanwender nutzbar. Somit werden Online-Computerspiele, welche eine grosse Anzahl von Spielern unterstützen, immer beliebter. Um ein Spiel zu entwickeln, bedarf es einer soliden Game Engine. Dies ist ein Softwareframework, welches die Grafik,
Netzwerk und Ressourcen verwaltet.
Cédric Rohrbach
1984
079 273 35 13
[email protected]
Matthias Rieder
1980
079 532 98 78
In dieser Diplomarbeit wurde eine
komplette Game Engine entwickelt,
welche grosse 3D Landschaften
darstellt und von mehreren Spielern
gleichzeitig online betreten werden
kann. Solche Spiele sind unter Mas
sively Multiplayer Online Games
(MMOG) bekannt. Die Engine wur
de mit der Programmiersprache
C++ entwickelt und ist Plattform
unabhängig.
Um die 3D Szene
zu zeichnen, wurde die OpenGL
Grafikschnittstelle verwendet, wel
che neben DirectX die führende 3D
Grafikbibliothek ist.
Die Engine ermöglicht die Entwick
lung von Server und Client Program
men. Benutzerkonten werden von
einem Account Server verwaltet. Um
die virtuelle Welt persistent zu halten,
wird der Status von jedem Spieler
auf einem Master Server abgespei
chert. Damit die Netzwerk- und Be
[email protected]
geladen. Bewegt sich der Spieler in
eine andere Zone, werden die ent
sprechenden Ressourcen im Hinter
grund geladen, ohne dass der Spie
ler etwas davon merkt.
Moderne Grafikkarten erlauben
die Programmierung des Grafik
kartenprozessors. Mit der OpenGL
Shading Language wurden Ver
tex- und Pixelshader in das eigene
Materialsystem, welches auf XML
basiert, implementiert. Somit kön
nen spezielle Effekte, erweiterte
Beleuchtungen und dynamischer
Schatten realisiert werden.
Um die Game Engine zu testen und
zu präsentieren, wurde ein Prototyp
eines Computerspiels entwickelt, in
welcher unser Spieler in Form von
zwei verschiedenen Charakteren
eine virtuelle Welt erkunden und mit
anderen Spielern interagieren kann.
Netzwerk Architektur
Charaktermodellierung mit Blender
116
rechnungslast verteilt werden kann,
wird die virtuelle Welt in verschie
dene Zonen aufgeteilt und von meh
reren Zone Servern verwaltet. Der
Client verbindet sich mit dem Zone
Server, verwaltet die Eingabe- und
Netzwerkdaten und zeichnet die 3D
Welt auf den Bildschirm. Um Res
sourcen zu sparen, wird die virtu
elle Welt auf dem Client dynamisch
geladen. Befindet sich der Spieler
in einer bestimmten Zone, werden
nur die Ressourcen für diese Zone
Prototyp-Game welches die Fähigkeiten der Game Engine demonstriert
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BI
Informatik
Informatique
AM-Web: monitoring de grandeurs physiologiques
Informatique / Prof. Dr. Olivier Biberstein
Expert : Pierre-Yves Voirol
AM-Web est une application web permettant le monitoring à distance de grandeurs physiologiques
pour certains mammifères. Ce système collecte certaines caractéristiques mesurées et transmises
par un dispositif électronique placé sur chaque animal en observation. A partir de ces mesures
AM-Web offre différentes fonctionnalités comme l‘introduction ou la modification des informations
relatives aux mammifères, l‘affichage textuel ou graphique des différentes mesures, ainsi que le
stockage de ces informations. De plus, AM-Web permet d‘avertir les personnes intéressées au moyen
d‘e-mails ou de SMS lorsque certains paramètres dépassent des seuils prédéfinis.
Martin Rodriguez
1981
079 345 95 69
La mesure de paramètres physio
logiques d‘êtres vivants est généra
lement une tâche particulièrement
coûteuse et délicate. La mesure à
distance et le traitement automati
quement des données ouvrent la
voie à de multiples nouvelles appli
cations qui simplifient et réduisent
grandement la durée des manipu
lations.
[email protected]
Le projet ANEMON (Animal Estrous
Monitoring) est un projet de recher
che pluridisciplinaire qui est le fruit
d‘une collaboration entre la HESBTI de Bienne et la HESB d‘agrono
mie de Zollikofen. Ce projet consis
te à mesurer la température puis à
détecter les différences de tempé
rature qui reflètent l‘état de santé ou
de fécondité de certains animaux.
À ces fins un dispositif électronique
miniaturisé (transmetteur) compor
tant des capteurs de température
(d‘autres types de capteurs sont à
l‘étude), un module GPS et un mo
dule de transmission GSM/GPRS a
été développé.
L‘application AM-Web qui fait partie
du projet de recherche ANEMON
apporte une solution simple et ef
ficace au traitement automatique
des données fournies par les trans
metteurs, ceci au moyen de tech
nologies informatiques modernes.
Côté serveur la technologie Java
Enterprise Edition est utilisée pour
le stockage et le traitement des
informations. Ce traitement d’in
formations comprend la réception
des mesures de température et des
SMS
positions géographiques, le calcul
des différences de températures en
prenant en compte la température
ambiante, la détection de dépasse
ments de seuils couplé à un systè
me d’alarmes par envoi d‘e-mails ou
de SMS pour informer les person
nes concernées, ainsi que le calcul
de certaines statistiques. La cou
che présentation/web qui se charge
de l‘internationalisation, de la mise
en page et de l‘affichage des infor
mations est implémentée au moyen
du framework Tapestry. Il s‘avère
que l‘utilisation combinée de ces
deux technologies offre l‘avantage
de supporter clairement le principe
de “separation of concerns” dans
un cadre de travail clair et cohérent.
E-mail
Transmetteur
(Capteur)
Web Browser
Schéma de l’application AM-Web
118
BI
Charon Security Token Server - WS Trust 1.3 Implementation
Informatik
Informatique
Web Service Security / Prof. Dr. Eric Dubuis
Experte: Dr. Andreas Spichiger, PostFinance
Man stelle sich eine Applikation vor, die zwei Web Services benutzt. Um Unbefugten den Zugriff zu
verweigern, sind beide geschützt. Bei dem ersten erfolgt die Authentifizierung über Benutzername/
Password, beim anderen über ein Kerberos Ticket. Die Applikation muss sich nun bei beiden Web
Services authentifizieren. Dies bereitet der EntwicklerIn der Applikation einen zusätzlichen Aufwand, da sie für beide Authentifizierungsarten separate Zugangsdaten bereitstellen muss. Diese
müssen dann vom User abgefragt werden. Dies führt dazu, dass sich der Endbenutzer beim Benutzen des Programms mehrmals authentifizieren muss, weil dieses intern verschieden Web Services
benutzt.
WS-Trust
Um dieses Problem zu lösen, wur
de der WS-Trust Standard definiert.
WS-Trust spezifiziert eine Lösung
mit zentraler Authentifizierungstelle
(Single sign-on). WS-Trust funktio
niert ähnlich wie Kerberos, aber für
Web Services. WS-Trust ist ein of
fener Standard, welcher von einem
Konsortium verschiedener Unter
nehmungen der IT Branche defi
niert wurde. Der zentrale Authentifi
zierungsserver (STS Security Token
Server) unterstützt verschiedene
Authentifizierungsarten und stellt
nach erfolgreicher Authentifizierung
ein SAML-Token aus. SAML-Token
sind beglaubigt, indem der STS
diese mit seinem privaten Schlüssel
digital signiert. Web Services, wel
che ihre Authentifizierung an den
STS auslagern, bilden mit diesem
ein Vertrauensverhältnis. Wenn die
se ein vom STS unterschriebenes
SAML-Token erhalten, vertrauen
diese darauf, dass alle darin ent
haltenen Informationen korrekt sind.
Mit zusätzlichen Attributen können
in SAML-Token Autorisierungsda
ten gespeichert werden.
Lösung ohne STS
Lösung mit STS
Im Rahmen unserer Diplomarbeit
entwickelten wir den Charon STS,
eine Teilimplementation des WSTrust Standards. Die EntwicklerIn
der Applikation implementiert eine
vom STS unterstützte Authentifi
zierungsart. Jedes Mal, wenn die
Applikation einen Web Service be
nötigt, wird vorher beim STS ein
SAML Token verlangt, welches für
den gewünschten Web Service
ausgestellt wird. Das Token wird
zu der Applikation zurückgeschickt
und kann für die Anfrage an den
gewünschten Web Service als Au
thentifizierung benutzt werden. Ein
weiterer Vorteil dieser Lösung ist,
dass der Web Service selber keine
eigene Authentifizierungsfunktiona
lität mehr benötigt.
Charon STS
Der Charon STS ist eine Teilimple
mentation des WS-Trust Standards.
Die Architektur der Software lässt es
zu, den Charon STS über PlugIns zu
ergänzen. Auf diese Weise können
z.B weitere Authentifizierungsarten
hinzugefügt werden. Die Betreiber
von einem Charon STS können
diesen mit eigenen Skripts ergän
zen, welche die SAML-Attribute mit
Autorisierungsdaten versehen. Die
Konfiguration von PlugIns, Skripts
und weiteren Systemeinstellungen
erfolgt über ein Webinterface.
Um Applikationsentwicklern die
Kommunikation mit dem Charon
STS zu erleichtern, wird diesen eine
Bibliothek zur Verfügung gestellt.
Matthias Rüedlinger
1981
[email protected]
Philipp Uhlmann
1980
[email protected]
Lösung mit STS
119
BI
Informatik
Informatique
JEXM: Java Entity Explorer and Manipulator
Softwareentwicklung/Prof. Dr. Eric Dubuis
Seit ihrer Einführung mit EJB3 hat die Java Persistence API (JPA) mit ihren leichtgewichtigen Entity-Beans, speziell im JavaEE-Bereich, immer grössere Verbreitung gefunden. Datenmodelle lassen
sich mittels JPA relativ schnell in Form von persistenten Objekten umsetzen. Für den Entwickler ist
es mitunter interessant, den Inhalt eines Persistenz-Kontexts einzusehen und zu manipulieren. Die
zugehörigen JavaEE- Applikationen bieten aber oft keine Funktionen für diesen Zweck. Hier kommt
JEXM ins Spiel. Unsere Applikation erlaubt die Darstellung und Manipulation beliebiger PersistenzKontexte auf einem JavaEE- Applikationsserver mittels eines Swing-basierten Clients.
Christoph Schaller
1984
078 707 58 74
[email protected]
Oliver Thommen
JEXM soll die Entwicklungsarbeit
mit JPA erleichtern und beschleu
nigen. Der Entwickler soll entlastet
werden, indem JEXM das zeitauf
wändige Programmieren von nur
kurz verwendeten Prototypen-Cli
ents weitgehend überflüssig macht
und auch umständliche, direkte
Zugriffe auf die unterliegende Da
tenbank eines Persistenz-Kontexts
erspart.
Implementation
Die Implementation von JEXM ba
siert auf einer Client/Server-Archi
tektur. Die Server-Komponente
von JEXM wird auf einem JavaEEApplikationsserver platziert und
läuft dort in einem EJB3-Container.
Der JEXM-Client kann anschlies
send mit Hilfe der Server-Kompo
nente auf alle Persistenz-Kontexte
zugreifen, welche für den Einsatz
mit JEXM konfiguriert sind und auf
demselben Applikationsserver lie
gen wie die Server-Komponente.
Die Server-Komponente führt für
den Client die Lese-Operationen
auf dem Server durch und über
nimmt die Persistierung der vom
Benutzer auf Client-Seite erstellten
oder geänderten Entity-Objekte.
Der JEXM-Client ist für die Arbeit
mit beliebigen Applikationsservern
ausgelegt. Zu diesem Zweck kann
der Benutzer zur Laufzeit die nö
tigen Libraries, Ressourcen und
Angaben über den Ziel-PersistenzKontext konfigurieren. Nach er
folgter Konfiguration lädt der Client
die benötigten Klassen dynamisch
nach und stellt mit Hilfe von JNDI
eine Verbindung zur Server-Kom
ponente her.
Bei der Arbeit mit den Entity-Ob
jekten, wie z.B. dem Auslesen und
Ändern der Property-Werte, verwen
det JEXM auf Server- und Client-Sei
te ein Metamodell. JEXM analysiert
jeweils die persistence.xml Defini
tions-Datei des Ziels und wertet an
schliessend die XML-Mapping-Da
teien sowie die Metadaten in Form
von Annotationen aus. Mittels der
dabei gewonnenen Informationen
wird unter Verwendung des Meta
modells ein Modell der Klassen des
Ziel-Persistenz-Kontexts erzeugt.
Dieses dynamisch generierte Mo
dell wird anschliessend beim Zu
griff auf den Ziel-Persistenz-Kon
text verwendet. Sowohl bei der
Auswertung der Annotationen als
auch beim Metamodell kommt die
Reflection-API zum Einsatz.
1974
032 322 44 32
[email protected]
Architektur der JEXM Applikation
120
BE
Augmented Reality Billiard
Informatik
Virtual Reality, Bildverarbeitung / Prof. Urs Künzler, Prof. Dr. Erich Badertscher
Informatique
Augmented Reality (AR) ist eine relativ neue Technologie, welche verwendet wird, um die reale Welt
mit Informationen der virtuellen Welt zu erweitern. Durch die rasche Entwicklung neuartiger Display
Technologien werden solche AR-Applikationen zunehmend im Professionellen- und im Entertainment-Bereich Verwendung finden.
Zur Demonstration der Möglichkeiten solcher AR-Lösungen wurde ein Augmented Reality Billiardspiel (ARB) entwickelt.
Inspiration
Billiardspielen in den eigenen vier
Wänden ist etwas, was sich manche
Leute wünschen. Nebst dem gros
sen Platzbedarf sind auch die An
schaffungskosten für einen realen
Billiardtisch relativ hoch. Es wäre
interessant, wenn man auf dem be
reits vorhandenen Esstisch Billiard
spielen könnte. Genau dieses Ziel
soll mit diesem Augmented Reality
Billiard erreicht werden.
Das Queue wurde mit zwei schwar
zen Markern versehen, die mit ei
ner über dem Tisch angebrachten
Kamera erkannt werden. Auf der
projizierten Fläche befindet sich
zudem ein virtuelles Menu, über
welches der Benutzer durch Hand
bewegungen Aktionen wie “Restart”
und “Undo” auslösen kann.
brachten Marker und die Interaktion
mit dem Menu erkennt. Die dazu
Realisierung
notwendigen
Bildverarbeitungs
Für die Visualisierung der Spiel operationen werden mit Hilfe der
fläche wurden mit der 3D-Model Bildverarbeitungslibrary OpenCV
Ausgangslage
lierungssoftware Blender Modelle durchgeführt.
Als Spielfläche für unser Billiard des Billiardtisches und der Kugeln Sobald eine Kollision zwischen dem
spiel dient ein normaler Tisch, auf erstellt. Diese Modelle werden mit realen Queue und der virtuellen
welchem ein Billiardspielfeld und dem 3D-Framework Ogre3D ge weissen Kugel erkannt wird, läuft
die Kugeln mittels LED-Projektor rendert und via Beamer auf die re die Simulation eines Billiardstosses
projiziert werden. Die Interaktion ale Tischfläche projiziert.
ab. Um diese Simulation so nahe
des Spielers mit den virtuellen Ku Die Kamerabilder werden in einer als möglich an die Realität anzuleh
geln erfolgt durch ein reales Billiard Imagepipeline verarbeitet, welche nen, wird die Physiklibrary Newton
Queue.
die Position der am Queue ange eingesetzt.
Marcel Stauffer
1982
076 436 20 36
[email protected]
Hannes Wüthrich
1982
079 653 90 17
[email protected]
121
BI
Informatik
Informatique
The Effect of Churn in TOWN Networks
Telematics / Prof. Dr. Ulrich Fiedler
Experte: Prof. Dr. Torsten Braun, IAM UNI Bern
The goal of the TOWN industry collaboration project is to lay the technical foundation for ASCOM
R&T to develop routers that can form wireless ad hoc networks to enable voice communication in
disaster recovery and public safety. In previous work, we have identified and evaluated an algorithm
and a protocol for self-organized construction of network topologies. The algorithm optimizes the
topology for a trade-off between network capacity and load on the gateways to the wired network.
In this thesis, we extend our evaluation and investigate the behavior of the algorithm under churn,
when additional routers join or leave the network.
Florian Steck
1982
079 641 28 04
[email protected]
Introduction
TOWN stands for Telephony over
Wireless Metropolitan Area Net
works.
TOWN is a collaboration project
with partners from BFH-TI, ETH
Zurich and Ascom R&T. The focus
of the project is on developing an
algorithm and a protocol for selforganized topology construction for
wireless routers with multiple IEEE
802.16-2004 WiMAX interfaces that
can be deployed in disaster recove
ry and public safety scenarios. After
having identified and evaluated an
algorithm and a protocol for topolo
gy construction, we now investigate
the behavior of the algorithm under
churn, i.e., joins and leaves of rou
ters to the network.
Problem Statement
We have studied the effect of router
leaves to network topology and
performance in a previous semester
thesis project. Thus, in this thesis
project, we address the problem
of how the identified algorithm can
handle subsequent router joins to
an initial topology. We thus com
pare how networks perform with
initial topologies that have been
enhanced by a limited number of
router joins versus networks with
topologies that have been com
pletely reconstructed from scratch.
enhancement of the topology. We
then employ an existing Qualnet
4.0 network simulation to compare
the performance of the network
with the resulting topology to the
performance of a network with a
completely reconstructed topolo
gy. The network performance is
assessed in terms of quality of ser
vice, i.e., with measuring delay, jitter,
packet delivery ratio, and available
bandwidth.
Method
For our evaluation we start with
assuming that a total of 42 rou
ters and gateways are randomly
placed in a square-shaped area
of size 1.4km x 1.4km. A variable
fraction of these routers run the
topology construction algorithm to
compute the initial topology. The
remaining routers subsequently
join the network which leads to an
After investigating how the selforganized topology construction
algorithm can handle router joins to
the initial topology in square-shaped
areas, we also intend to look at more
rectangular shaped areas.
Results
Results are reported in a technical
report that is delivered to the indus
try partner Ascom R&T.
Reconfigured network topology. This network topology has been
Extended network topology. In this network topology, routers
completely reconstructed from scratch.
17-24 subsequently joined the network after constructing the initial
topology. We note that routers 9, 13, and 20 receive better quality of
service in the reconfigured network topology.
122
BI
Web Service Centurion
Informatik
Informatique
Web Services / Dr. Bangerter Endre, Dr. Benoist Emmanuel
Experte: Kaltenrieder Bramwell, orange8 interactive
Im Rahmen der Diplomarbeit Centurion sind Softwarekomponenten zur Anbindung bestehender
Web Stores an das Open Source Enterprise Resource Planning (ERP) System “Compiere” und ein
“Proof of Concept” mittels dieser Komponenten entwickelt worden. So ist eine exemplarische
Anbindung eines PHP Shops an das ERP System möglich.
Die Anbindung basiert auf Web Services Technologien, die auf offenen XML-basierten Standards
beruhen und sich optimal zur Verschmelzung von unterschiedlichen Plattformen als auch Programmiertechnologien eignen.
Problemstellung
Gängige Web Stores sind oft auf
allgemein verfügbare Funktionen
wie eine bescheidene Kundenver
waltung oder fast gänzlich fehlende
statistische
Auswertungswerk
zeuge limitiert. Oft wäre auch eine
Auslagerung der Produktverwal
tung an eine dafür speziell geschaf
fene Software von Vorteil.
So ist es nicht verwunderlich, dass
sich Betreiber von Web Stores eine
Erweiterung bzw. eine Auslagerung
ihrer internen Funktionen wün
schen. Diese Erweiterung kann op
timal an ein ERP delegiert werden,
da dieses die aufwendige Handha
bung von betriebswirtschaftlichen
Aufgaben wie Buchhaltung, Lager
oder Ressourcenplanung bereits
zur Verfügung stellt.
Da verschiedene Web Stores auf
unterschiedlichen
Programmier
sprachen basieren (PHP, Java, C#,
etc.) und ein leistungsstarkes ERP
eine mächtige Umgebung wie z.B.
Java benötigt, muss eine techno
logie- und plattformunabhängige
Schnittstelle geboten werden, die
dieser Forderung Rechnung trägt.
Web Services ermöglichen solche
technologieübergreifenden Anbin
dungen, ohne dass der Code der
anzubindenden Web Stores funda
mental verändert werden muss.
Lösungsansatz
Centurion bildet eine Web Services
Erweiterung zur ERP Software der
Firma “Compiere”
(http://www.compiere.com).
Die wesentlichen Centurion Funk
tionen erlauben, Produkte aus dem
ERP zu holen und in den Web Store
zu integrieren. Umgekehrt werden
Bestellungen mitsamt den Kunden
daten an das ERP weitergeleitet
(siehe Grafik). Somit wird sicher ge
stellt, dass das ERP seiner Aufgabe
als Verwaltungs- und Auswertungs
werkzeug gerecht wird.
Centurion erreicht eine nahtlose
Anbindung nicht nur über den Web
Service selbst, sondern auch über
eine Software Komponente sei
tens des PHP Web Stores, die den
reibungsfreien
Datenaustausch
gewährleistet. Dies wird erreicht,
indem das Centurion Administra
tionstool eine Anbindung an die be
stehende Kunden- und Produktda
tenbank sowie das Bereitstellen von
ERP geforderten Daten beinhaltet.
Benjamin Steinhauer
1980
079 779 14 78
[email protected]
Ausblick
Es ist geplant, Centurion der Open
Source Gemeinschaft zur Verfügung
zu stellen in der Hoffnung, dass wei
tere nützliche Funktionen implemen
tiert werden, wie z.B. die Sicherung
bzw. Verschlüsselung der Daten oder
ein Synchronisierungsmechanismus,
der beide Systeme à jour hält.
Schematische Darstellung der Centurion Funktionsweise
123
BI
Informatik
Informatique
FDMnet – Erweiterung der webbasierten FDM Services
Webapplikation/ Prof. Rolf Jufer
Experte: Peter Matti, Pronik AG, Biel
Mit der steigenden Mobilität der Menschen steigt auch der Passagierflugverkehr. Damit die Flug
sicherheit trotz den steigenden Flugstunden gewährleistet bleibt, hat die ICAO (International Civil
Aviation Organisation) am 1. Januar 2005 die Empfehlung herausgegeben, dass für Passagierflugzeuge mit einem Startgewicht von über 27’000 kg ein Flugdaten Analyse Programm betrieben werden
soll und für Passagierflugzeuge von über 20’000 kg ein solches betrieben werden sollte.
Die RUAG Aerospace hat daraufhin ein Service-Angebot entwickelt, das den Fluggesellschaften ermöglicht, diesen Empfehlungen nach zu kommen. Mit dem FDMnet soll das Service-Angebot mit
einem neuen Web Frontend erweitert werden.
Lars Strahm
1978
078 760 03 27
[email protected]
Flight Data Monitoring
Schon seit mehr als 30 Jahren wer
den in Passagierflugzeugen die
technischen Daten der Flüge in den
so genannten “Black Boxes” aufge
zeichnet. Diese Daten werden aber
erst nach einem Absturz ausgele
sen und ausgewertet.
Bei einem Flight Data Monitoring
(FDM) Programm geht es aber da
rum, alle Flugdaten periodisch aus
zulesen, noch bevor es zu einem
Absturz kommt. Die Daten wer
den anschliessend analysiert und
ausgewertet. Mit Hilfe der Auswer
tungen können Risiken von Flug
operationen frühzeitig erkannt und
Piloten entsprechend geschult wer
den. Mit einem FDM Programm
können also die Flugsicherheit erhöht
und die Unterhaltskosten gesenkt
werden.
RUAG Aerospace FDM Services
Die RUAG Aerospace betreibt einen
webbasierten Flight Data Monitoring
Service. Service-Kunden können
über eine gesicherte Webapplika
tion Flugdaten in das Service Cen
ter hochladen. Die Daten werden
von Flugdaten Analysten mit der
Hilfe einer Flugdaten Analyse Soft
ware analysiert. Die Auswertungen
werden in Form von Reporten oder
Animationen auf die Webapplika
tion geladen und dort dem Kunden
zur Verfügung gestellt.
FDM Auswertung: Animierte Flugdaten
FDM Service Ablauf
124
FDMnet
Das FDMnet ist ein Teilstück der
RUAG Aerospace FDM Services
und bildet die Schnittstelle zu den
Service-Kunden. Es ist eine kom
plett neu entwickelte Webapplika
tion und wird in Zukunft die aktuell
eingesetzte Webapplikation voll
ständig ablösen.
Die Ziele der Diplomarbeit und
der vorangegangenen Projektar
beit waren, die Anforderungen an
die Software zu spezifizieren, die
Technologien für die Umsetzung zu
definieren und schlussendlich die
wichtigsten Anforderungen zu im
plementieren.
Die ausgearbeiteten Hauptanfor
derungen für die Diplomarbeit sind
Funktionalitäten für den Datenaus
tausch, eine vollständige Benutzer
verwaltung inklusive Kontaktdaten
und die Implementierung eines
Sicherheitsmoduls.
Das FDMnet wird mit den aktuell
sten JavaEE5 Technologien ent
wickelt und benutzt die Enterpri
se Java Beans Version 3.0 für die
Datenhaltung zusammen mit der
Toplink-Essentials Java Persistence
API Implementierung für die Daten
zugriffe. Für das Webmodul wird
das JavaServer Faces Version 1.2
Standardframework zusammen mit
der MyFaces Tomahawk JSF Im
plementierung verwendet. Für die
Ansicht wird die viel versprechende
View-Technologie Facelets einge
setzt.
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Unsichtbares Markieren von Glas
Lasertechnik / Dr. Bucher Guido
Experte: Dr. Paul E. Gygax
Die Entwicklungen auf dem Fälschungsmarkt erfordern ein Umdenken in der Produktkennzeichnungsstrategie in Richtung fälschungssicherer und jederzeit identifizierbarer Einzelproduktkennzeichnungen. Vor allem die Uhrenindustrie ist von Fälschungen stark betroffen. Die bisherigen Markierungen können entfernt oder nachgemacht werden. Um das Nachmachen zu erschweren und das
Entfernen zu verunmöglichen sucht man nun einen Weg um eine Markierung im Innern des Glases
vorzunehmen.
Michael Affolter
1983
079 295 32 06
[email protected]
Nun, da niemand eine erstklassige
Schweizer Uhr haben möchte, bei
welcher mitten auf dem Uhren
glas eine Zahl, Datenmatrix oder
ein Logo zu sehen ist, soll nun im
Rahmen dieser Diplomarbeit eine
mit dem Laser hergestellte Markie
rungsart entwickelt werden, wel
che für das menschliche Auge nicht
sichtbar ist.
Darüber hinaus soll sich die Markie
rung im Innern des Glases befinden.
Denn es ist unmöglich etwas wieder
zu entfernen, was einmal im Innern
eines Glases eingeschlossen wurde.
Somit wäre diese Markierungsart
auch eindeutig fälschungssicherer
als die herkömmliche.
Glas mit spannungsinduzierter Markierung
126
Es stellten sich zwei Probleme: Wie
kann man eine solche Markierung
herstellen und wie kann man etwas,
was unsichtbar ist, wieder sichtbar
machen?
Dazu wurden verschiedenste Re
cherchen durchgeführt, welche
zeigten, dass bisher noch kaum
Arten der Glasmarkierung publiziert
wurden, welche sich die Unsicht
barkeit zum Ziel setzen.
Also mussten neue Ideen gesucht
werden. Das Spektrum reichte von
der Bildung von Microcracks über
Spannungsdoppelbrechung bis hin
zu der Ferroelektrizität.
Mit dem Laser induzierte Span
nungsdoppelbrechungen sind von
Auge nicht sichtbar und können
mithilfe gekreuzten Polarisatoren
sichtbar gemacht werden. Micro
cracks, welche man von den 3DGlas-Innengravuren kennt, müssten
so klein sein, dass sie das mensch
liche Auge nicht mehr wahrneh
men kann. Bei der Ferroelektrizität
könnte mithilfe des Lasers die elek
trische Polarisation des Glases ge
ändert werden.
Mittels einiger Versuche wurde nun
diejenige Markierungsart ermittelt,
welche die besten Resultate bezüg
lich Unsichtbarkeit lieferte.
Natürlich könnte diese unsichtbare
Glasmarkierung ganz allgemein bei
Gläsern angewendet werden und
gilt somit nicht nur für Uhrengläser.
Dasselbe Glas mit gekreuzten Polarisatoren betrachtet
BU
BKS Drehrahmen-Auslenkung
Maschinentechnik
Mécanique
Mechatronik / Prof. Fritz Bircher
Experte: Dr. Dietmar Kramer
Überall dort, wo Materialbahnen und Bänder hergestellt, verarbeitet oder veredelt werden, entscheiden zwei Faktoren wesentlich über die Qualität von Produktion und Produkt: Die konstante Zugspannung und die konstante seitliche Lage der Materialbahn. Um vor einem Prozess die Materialbahn
gezielt einführen zu können, werden sehr häufig Drehrahmen verwendet, welche über eine Regelelektronik die Istposition der Materialbahn mit der Sollposition vergleicht und über das Stellglied
nachführt.
Ausgangslage
Force Measuring Systems AG
(FMS) produziert und vertreibt un
ter anderem Bahnlaufregelungen.
Um den Entwicklungsprozess von
dafür verwendeten Drehrahmen zu
optimieren, soll das mechanische
Verhalten zwischen unterschiedlich
stark ausgelenkten Drehrahmen
und verschiedenen Materialbahnen
wissenschaftlich tiefer gehend her
geleitet werden.
Speziell soll untersucht werden,
was für Einflüsse Auslenkwinkel,
Ein- und Auslaufwalzen, Walzen
durchmesser, Drehrahmenmecha
nik, E-Modul, Geschwindigkeit des
Materials, Auslenkgeschwindigkeit
etc. auf die unterschiedlichen Ma
terialbahnen haben. Weiter soll die
benötigte motorische Stellkraft er
mittelt werden.
Vorgänge mathematisch beschrie
ben werden. Mit anschliessenden
Messungen werden die theore
tischen Ergebnisse verifiziert. Un
stimmigkeiten, welche bei den Be
rechnungen durch die Messungen
ersichtlich werden, müssen einge
hender geprüft und überarbeitet
werden. Die Firma FMS stellt einen
Vorgehen
Die Diplomarbeit beinhaltet sowohl BKS-Drehrahmen, einige typische
theoretische als auch messtech Materialbahnen sowie einen Prüf
nische Herausforderungen. Im er stand für die Dauer der Diplomar
sten Schritt wird das ganze System beit zur Verfügung.
in Teilsysteme aufgeteilt und ein
zeln untersucht. Dabei sollen die
Simo Andrijanic
1981
079 479 96 33
[email protected]
127
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Schweissen statt Giessen
Produktentwicklung / Beat Schmied
Experte: Peter Paul Knobel
Aufgrund der heutigen Marktlage müssen für Gussteile immer längere Lieferfristen in Kauf genommen werden. Dies erfordert grössere Lagerkapazitäten auf Seiten der Maschinenhersteller, um der
dynamischen Nachfrage gerecht zu werden. Deshalb wurde beschlossen, den Maschinenrahmen für
die Lochsäge-Maschine TS207 der Firma MeyerBurger AG als Schweisskonstruktion auszuführen.
Frank Balsiger
1982
078 896 81 18
[email protected]
128
Die Aufgabenstellung
Aufgabe war die Entwicklung einer
schweissgerechten Rahmen-Kon
struktion als Ersatz für die 30-jäh
rige Guss-Konstruktion.
Der Rahmen ist ein zentrales Ele
ment der Maschine. Um einen prä
zisen Schnitt zu gewährleisten, steht
die Steifigkeit an oberster Stelle.
Nebst der schweissgerechten Aus
führung musste die Wippe punkto
Herstellungskosten und Gewicht
optimiert werden. Die Schnittstel
len zu den angrenzenden Bauteilen
durften nicht verändert werden.
Ausführung
Zu Beginn wurde die bestehende
Gusslösung mit dem FE-Programm
(Finite Elemente) ANSYS Work
bench analysiert. Für den späteren
Vergleich mit der Schweisskon
struktion waren insbesondere die
Deformationen und die Eigenfre
quenzen von Interesse. Danach
wurden mehrere Konzeptvarianten
entworfen. Mit Hilfe von massstäb
lichen, realen Modellen wurde deren
grundsätzliches Verhalten betrach
tet und die Verrippung untersucht.
Schnell war klar, welche Varianten
mehr Potential für eine anforde
rungsgerechte Lösung boten. Auch
das Gewicht und die Herstellungs
kosten konnten so schon in einem
frühen Stadium abgeschätzt und
verglichen werden.
Die erfolgversprechenden Varian
ten wurden in einem weiteren
Schritt mit ANSYS Workbench ana
lysiert und anschliessend technisch
und wirtschaftlich bewertet.
Der Konzeptentscheid erfolgte zu
sammen mit dem Aufgabensteller.
Danach konnte mit der konstruk
tiven Ausarbeitung begonnen wer
den.
Dank weiteren FE-Simulationen
gelang es, den Entwurf bestmög
lich auf die Anforderungen abzu
stimmen. Dies bedeutete insbeson
dere das Einhalten der zulässigen
Deformationen unter Minimierung
des Gewichts und der Schweiss
nähte. Als Letztes wurden die Her
stellkosten der Schweisskonstruk
tion ermittelt.
BU
Servopneumatischer Linseneinschub
Maschinentechnik
Lasertechnik / Prof. Fritz K. Guedel; Dr. Jürg Steffen / Bystronic Laser AG, Niederönz
Prüfungsexperte: Herr Christian Koblet
Mécanique
CO2-Laserschneidanlagen sind heute aus der modernen Materialbearbeitung nicht mehr wegzudenken. Daher stellt der Markt immer höhere Anforderungen an Prozesssicherheit, Autonomie und
Leistung dieser Anlagen. Dadurch steigen auch die Ansprüche an ein konstantes Strahlwerkzeug.
Durch laserinduzierte thermische Veränderung der Spiegelkrümmungen ändern sich die axiale Lage
und der Durchmesser der Fokusstrahltaille, was zu nichtkonstanter Schnittqualität führt. Die automatische Fokuslageeinstellung mit dem servopneumatischen Linseneinschub ermöglicht so, den
hohen Erwartungen Rechnung zu tragen.
Ausgangslage
Die Firma Bystronic Laser AG ist ein
weltweit führender Hersteller von
Komplettlösungen im Bereich der
CO2 Flachbett Laserschneidtech
nologie.
Um die von dem Markt gestellten
hohen qualitativen Anforderungen
zu genügen, muss die durch die
fliegende Optik entstandene Orts
abhängigkeit und die Leistungsab
hängigkeit der Fokusposition dyna
misch und präzise kompensiert
werden können.
Die von Bystronic eingesetzte Me
thode kann die Fokuslage nur in
einem eingeschränkten Bereich,
über eine adaptive Umlenkoptik,
verstellen. Dabei werden aber auch
die Strahleigenschaften stark be
einflusst, was sich nachteilig auf die
Prozesssicherheit auswirkt.
Versuche haben gezeigt, dass sich
die Schnittqualität durch den Ein
satz einer festen 90°-Umlenkoptik
in der Z-Achse in Kombination mit
einer verfahrbaren Fokussierlinse
steigern lässt.
Ziele
Der aus meiner Semesterarbeit ent
standene innovative Konzeptvor
schlag soll nun als technologische
Grundlage für die Lageregelung der
neuen Schneidkopfgeneration mit
pneumatisch verstellbarem Linsen
einschub dienen. Dazu soll anhand
von Optikberechnungen die opti
male Lage und Krümmung eines
neuen Adaptivspiegels für die Kor
rektur des Fokusdurchmessers
eruiert werden.
Umsetzung
Nach einer erfolgreichen Techno
logieprüfung anhand eines Labor
musters, mit nachfolgender Vorbe
reitung für eine Patentanmeldung,
werden die Funktionsmuster als
drei Applikationsmodelle entwi
ckelt. Diese sollen auf einem Prüf
stand die industrielle Umsetzbarkeit
dieses Konzeptes beweisen.
Für die erfolgreiche Umsetzung ei
ner Komplettlösung müssen, wie be
reits erwähnt, die vorherrschenden
Strahleigenschaften und die opti
sche Auslegung einer adaptiven
Optik berücksichtigt werden.
Ein Rechenprogramm, welches
in Zusammenhang mit meiner
Semesterarbeit entwickelt wurde,
ermöglicht es mir nun die Strahl
ausbreitung mit Hilfe von Strahlma
trizen mathematisch zu berechnen.
Damit können die fehlenden Parame
ter, die für eine optimale Auslegung
notwendig sind, ermittelt werden.
Marco Belletti
1979
079 301 75 43
[email protected]
Systeme und Diagramme der Lasertechnologie
129
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Umsetzung EASA-Bestimmungen in CH-Luftfahrt
Change Management & Systemik / Prof. Roland Hungerbühler
Experte: Beat Schär
Am 1.12.2006 wurde die Schweiz Mitglied der europäischen Luftfahrtbehörde EASA (European Aviation Safety Agency). Als Folge werden die von der EASA erstellten Regelwerke in der Schweiz automatisch Gesetz und sind vom Bundesamt für Zivilluftfahrt BAZL umzusetzen. Dieser Wechsel von
CH- zu EU-Vorschriften stellt insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen eine grosse Herausforderung dar. Die dabei potentiell auftretenden Stolpersteine sollen anhand eines Beispiels (Verordnung (EC) 2042/2003 Part M Subpart I) genauer betrachtet werden. Unter dem Aspekt des Change
Managements sind Möglichkeiten darzulegen, wie das BAZL die Implementation in der Luftfahrtindustrie optimieren kann.
Anne Bergström-Gigon
1975
079 636 59 19
anne.bergstroem-gigon@
bazl.admin.ch
Die Schweiz im EASA-Kontext
Die EASA-Bestimmungen wurden
in der EU am 28.09.2003 in Kraft
gesetzt und wurden nach einer
Übergangsfrist von zwei Jahren
ab dem 28.09.2005 für alle EUMitgliedstaaten Gesetz; die Be
stimmungen hatten für sie bis da
hin implementiert zu sein. Da die
Schweiz erst später EASA-Mitglied
wurde und vorher die Rechtsgrund
lage nicht bestand, das Regelwerk
zu implementieren, musste hier ein
besonderer Lösungsweg beschrit
ten werden, der letztendlich bis zum
28.09.2008 umgesetzt sein muss.
Dem Beitritt der Schweiz zu EASA
liegt das von 1999 datierende bila
terale Luftverkehrsabkommen LVA
zugrunde, dessen Ziel es war, in der
Luftfahrt eine möglichst vollstän
dige europäische Integration der
Schweiz anzustreben.
Beispiel (EC) 2042/2003 Part M
Subpart I
Ein Teil, der bis September 2008
erfüllt zu sein hat, ist Part M, Sub
part I der oben erwähnten Verord
nung. Darin wird die Bescheinigung
über die Prüfung der Lufttüchtig
keit von Luftfahrzeugen behandelt.
Vergleicht man den heutigen Luft
tüchtigkeitsbescheinigungspro
zess mit dem zukünftigen, so zeigt
sich, dass (typisch für Part M) ein
Trend zur Verlagerung der Verant
wortlichkeit hin zum Luftfahrzeug
betreiber stattfindet. Hinzu kommt,
dass das Regelwerk erstellt wurde
130
ohne differenziert auf einige luft
fahrttechnische
Besonderheiten
der Schweiz Rücksicht nehmen
zu können (topographische & wirt
schaftliche Aspekte). Wie konkrete
Umfragen in der Industrie gezeigt
haben, führt all dies – nebst einem
grösseren administrativen Aufwand
– bei mehreren Betrieben teils zu er
heblichem Widerstand.
schlüpfen, um die Industrie bei der
Bewältigung dieser Change Pro
zesse zu unterstützen. Dabei ist es
wichtig, dass es sich der psycholo
gischen Ursachen bewusst ist, wel
che oftmals den unerwünschten
Abwehrreaktionen gegenüber dem
veränderten gesetzlichen Kontext
zugrundeliegen: so kann es die be
troffenen Anspruchsgruppen – an
statt gegen ihren Widerstand an
kämpfen zu müssen – souverän in
Bundesamt FÜR Zivilluftfahrt:
die richtige Richtung lenken, damit
BAZL als Coach
Das BAZL hat bei der Implemen die wirtschaftlichen, technischen
tation somit nun nebst seiner tradi und sicherheitsrelevanten Aspekte
tionellen Aufgabe als Aufsichtsbe der Umstellung optimal umgesetzt
hörde in eine neue Coach-Rolle zu werden können.
EASA Regulation Organisational Structure
BU
Nd:YAG-Stablaser: Simulation und exp. Überprüfung
Lasersimulation / Prof. Dr. Beat Neuenschwander; Dr. Tobias Moser (LASAG AG)
Experte: Jürg Schmid
Maschinentechnik
Mécanique
In Festkörperlasern wird das Modenspektrum und damit das Intensitätsprofil und die Strahlqualität
M2 im Wesentlichen durch das Verstärkungsprofil und den Resonator bestimmt. Wären die letzteren
zwei inkl. der thermischen Linse bekannt, dann sollten die Ausgangsleistung, das Intensitätsprofil und die Strahlqualität als Funktion der Pumpleistung numerisch bestimmbar sein. Diese numerischen Simulationen erfordern die genaue Kenntnis zahlreicher, nur näherungsweise bekannter
Parameter. Resultate können daher nur durch Kombination von numerischer Simulation und praktischen Experimenten erzielt werden. In dieser Diplomarbeit wird dies für ein Lasersystem (LASAG
Laser KLS 246) durchgeführt.
Da das Verstärkungsprofil, welches
der erzeugten Pumpverteilung im
Nd:YAG-Stab entspricht, zentralen
Einfluss auf das Intensitätsprofil und
die Strahlqualität hat, werden ver
schiedene Pumpverteilungen fest
gelegt, welche bei der Strahlpro
pagation zur Anwendung kommen
sollen. Neben numerisch erzeugten
Idealverteilungen sollen auch simu
lierte und gemessene Verteilungen
bezüglich ihrer Wirkung auf die Aus
gangsgrössen geprüft werden. Die
simulierte Leistungsverteilung, wel
che mit Zemax, einem Tool zur Er
stellung und Analyse von optischem
Design, erstellt wurde, wird aus
der vorgängigen Semesterarbeit
übernommen. Vorerst muss diese
Verteilung jedoch bezüglich ihrer
Übereinstimmung mit der realen
Pumpverteilung geprüft werden. Da
diese Messung einen aufwändigen
Aufbau erfordert, wird eine Mess
vorrichtung entworfen und gefertigt,
welche ins Lasergehäuse eingebaut
und wiederholt genutzt werden
kann. Die Messung am Laser KLS
246 erfolgt bei der LASAG AG in
Thun. Der graphische Vergleich er
gibt eine gute Übereinstimmung.
Der erste Simulationsblock erfolgt
im LAS-CAD, einem Tool zur Ana
lyse und Entwicklung von Reso
natorkonzepten. Eine FEA (Finite
Element Analysis) ermöglicht das
Bestimmen der Temperaturvertei
lung (für die thermische Linse), der
Spannungen und Deformationen
Gemessene Pumpverteilung im Nd:YAGStab
Simuliertes Intensitätsprofil zur gemessenen
Pumpverteilung
in Abhängigkeit der eingelesenen
Leistungsverteilungen, welche in
den bereiteten Resonator eingefügt
werden. Um das Modenspektrum
und das Intensitätsprofil zu ermit
teln, muss eine Strahlpropagation
erfolgen. Da der Beam Propagation
Mode, welcher Teil des LAS-CADPakets ist, mit komplexen Codes
rechnet und eine Vielzahl an Optio
nen bietet, muss vorerst ein Be
schaffen der theoretischen Grund
lagen und eine Einarbeitung in das
Tool stattfinden. Im Anschluss wer
den diverse Simulationen durchge
führt, welche nach Vergleichen mit
der Theorie, den Erfahrungswerten
und analytischen Berechnungen
ergeben, dass LAS-CAD zwar im
Bereich des Fundamentalmode zu
verlässige Ergebnisse liefert, aber
bei höheren Moden unzureichend
genau arbeitet. Gestützt auf den
erzielten Erkenntnissen wird das
Modenspektrum und die Strahl
qualität mit Matlab-Routinen er
mittelt. Dieses Vorgehen wird für
verschiedene
Resonatorkonfigu
rationen und Pumpleistungen an
gewandt. Aus den Vergleichen mit
konkreten Messungen kann auf die
praktische Ausnutzung der Pump
verteilung und den Zusammenhang
zwischen Effektivität und Strahl
qualität geschlossen werden.
Thomas Urs Bosshard
1981
079 432 81 58
[email protected]
131
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Pneumatische Messungen an Gasturbinen
Maschinentechnik / Prof. Beat Engeli, BFH-TI / Dr. Martin Treiber, ALSTOM Testcenter
Experte: Dr. Rudolf Bauer
Haben Sie sich schon einmal die Frage gestellt, was in einem langen, dünnen Rohr passiert, in welches Sie hineinblasen? Wie lange wird es dauern, bis man einen Luftzug am Austritt spürt? Wie
sieht der Druckverlauf am Ausgang aus, wenn diese Leitung geschlossen ist? Ziel dieser Arbeit ist es, solche Fragen zu klären.
Tilo Marco Bolli
1983
079 200 42 73
[email protected]
132
Im Gasturbinen-Testkraftwerk der
Firma ALSTOM in Birr wird unter
anderem eine Gasturbine des Typs
GT26 betrieben. Diese Gasturbine
kann bis zu 288MW elektrische Lei
stung produzieren, welches unge
fähr der Leistung von 7200 Smarts
Fortwo entspricht. Die Gasturbi
ne wird überwiegend zum Testen
und Validieren von Neu- und Wei
terentwicklungen genutzt. Wäh
rend den Tests werden mehrere
tausend Messsignale gemessen
und gleichzeitig aufgezeichnet. Es
werden dabei unter anderem Drü
cke, Temperaturen, Vibrationen,
Massenströme und Abgaszusam
mensetzungen gemessen. Um das
transiente Verhalten der Gasturbine
zu untersuchen ist es notwendig
das genaue Zeitverhalten der ein
zelnen Messketten zu kennen. Es
muss bekannt sein, wie schnell eine
Messkette ist, bzw. wie schnell die
Signale gemessenen werden müs
sen, so dass eine Änderung des
Messsignals richtig erfasst werden
kann. In dieser Arbeit soll das zeit
liche Verhalten der pneumatischen
Druckmesskette näher untersucht
werden. Die Druckentnahmestellen
sind Bohrungen in Bauteilen bzw.
im Gehäuse der Gasturbine, die
über Rohrleitungen mit den Druck
sensoren verbunden sind. Diese
Leitungen unterscheiden sich im
Durchmesser, im Material und in
der Länge.
Schnitt durch eine GT26
Vorgehen
Um das zeitliche Verhalten des
pneumatischen Teils der Druck
messkette genauer zu untersu
chen, wurde ein Prüfstand aufge
baut. Dieser ist so ausgelegt, dass
die Druckleitung mittels eines Ven
tils sehr schnell (15ms) mit einem
Druck beaufschlagt werden kann.
Der Druck wird am Anfang und am
Ende der geschlossenen Messlei
tung gemessen. Der Vergleich der
beiden Mesungen ergibt das Ant
wortverhalten der Messleitung.
Ausblick
Wenn nun das Verhalten solcher
einfachen Leitungen mathematisch
beschrieben werden kann, dann
sollte es auch möglich sein ver
schiedene Kombinationen zu be
schreiben, wie sie in der richtigen
Maschine vorkommen. Besonders
interessant sind Übergänge von
verschiedenen Rohrdurchmessern,
aber auch verschiedene Materialen
der Druckmessleitungen. Erste
Resultate zeigen, dass das Ma
terial der Leitungen einen mess
baren Einfluss auf das Verhalten
des Druckanstiegs hat. Bei Stahl
leitungen dauert es länger, bis das
Signal stabil ist.
Ziel ist eine mathematische Be
schreibung zu erhalten, mit der
Länge, dem Durchmesser und
dem Material als Parameter, die auf
alle in der Praxis vorkommenden
Variationen anwendbar ist.
Mit dem Ergebnis der Arbeit kann
die Firma ALSTOM die dyna
mischen Vorgänge in ihren Gas
turbinen noch besser untersuchen
und damit die Gasturbinen weiter
optimieren.
Zeitlicher Verlauf eines Druckanstiegs
Die Messsignale werden mit einer
Datenerfassung aufgezeichnet und
mit einer Auswertesoftware aufbe
reitet und ausgewertet.
#VJMEJOHUPEBZ
#VJMEJOHUPEBZ
CZUIJOLJOH
CZUIJOLJOH
PGUPNPSSPX
PGUPNPSSPX
:FT ZPVS
:FTJEFBT
ZPVSDBO
JEFBT
DPOUSJCVUF
DBO DPOUSJCVUF
UP DPODJMJBUF
UP DPODJMJBUF
EFWFMPQNFOU
EFWFMPQNFOU
BOE SFTQFDU
BOE SFTQFDU
PG UIFPG
FOWJSPONFOU
UIF FOWJSPONFOU
BU
BU
"MTUPN
"MTUPN
FNQMPZFFT
FNQMPZFFT
JO JO
DPVOUSJFT
DPVOUSJFT
"T B HMPCBM
"T B HMPCBM
QSPWJEFS
QSPWJEFS
PG SBJMPG
USBOTQPSU
SBJM USBOTQPSU
QPXFS QPXFS
HFOFSBUJPO
HFOFSBUJPO
BOE FNJTTJPO
BOE FNJTTJPO
SFEVDUJPO
SFEVDUJPO
UFDIOPMPHZ
UFDIOPMPHZ
QSPKFDUQSPKFDU
NBOBHFNFOU
NBOBHFNFOU
JT BU UIF
JT BU
IFBSU
UIFPG
IFBSU
FWFSZ
PG FWFSZ
DPOUSBDUXFTJHO#FJOHDPNNJUUFEUPFDPOPNJDTPDJBMBOEFOWJSPONFOUBMTVTUBJOBCJMJUZUBLFT
DPOUSBDUXFTJHO#FJOHDPNNJUUFEUPFDPOPNJDTPDJBMBOEFOWJSPONFOUBMTVTUBJOBCJMJUZUBLFT
VTPOFTUFQGVSUIFS
VTPOFTUFQGVSUIFS
*GZPVIBWFBOJOUFSOBUJPOBMPVUMPPLEJTDPWFSNPSFPOPVSXFCTJUF
*GZPVIBWFBOJOUFSOBUJPOBMPVUMPPLEJTDPWFSNPSFPOPVSXFCTJUF
XXXDBSFFSTBMTUPNDPN
XXXDBSFFSTBMTUPNDPN
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Automatischer Düsenwechsler für Laserschneidanlage
Produktentwicklung / Prof. Fritz K. Güdel
Experten: Dr. Paul Gygax, Christian Koblet / Industriepartner: Christoph Plüss, Bystronic Laser AG, Niederönz
Laserschneidanlagen sind aus der heutigen Materialbearbeitung nicht mehr wegzudenken. Die
Schneiddüsen muss der Maschinenführer von Hand in den Schneidkopf einschrauben und anschliessend ausrichten. Dieser Prozess ist sehr aufwändig und benötigt viel Zeit. Beim Produktionsschneiden sind die Standzeiten gering und somit wird ein periodischer Wechsel der Düse notwendig. Je nach Parametereinstellungen wie Brennweite, Fokuslage und der Materialdicke wird eine
andere Düse zum Schneiden verwendet. Ziel ist das Wechseln der Laserdüsen mit einem geeigneten
Wechselsystem zu automatisieren.
Karin Bracher
1981
079 637 81 30
Voraussetzungen
Die Anwender von Laserschneid
anlagen stellen zunehmend höhere
Forderungen an die Prozesssicher
heit und Autonomie. Das automa
tische Abarbeiten verschiedener
Bleche und Materialien wird heute
beeinflusst durch die Notwendigkeit
des manuellen Einschraubens der
entsprechenden Schneiddüsen. Die
Entwicklung eines automatischen
Düsenwechslers soll die Basis für
einen mannlosen Betrieb schaffen
und speziell für Produktionsanlagen
mit Blechlagerbetrieb im HighendBereich einen wesentlichen Mehr
wert generieren. Der Einsatz eines
Düsenwechslers ist der erste Schritt
in Richtung autonome Produktion.
[email protected]
Aufgabenstellung
Diese Diplomarbeit soll sich mit
dem Stand der Technik automa
tischer Wechseleinrichtungen von
Schneiddüsen in Bezug auf La
serschneidanlagen befassen und
mögliche neuartige Lösungskon
zepte daraus ableiten. Es soll eine
kompakte und eigenständige Ein
heit entwickelt und konstruiert wer
den, welche sich in die heutigen
Bystronic-Highend-Anlagen Bystar
und Byspeed integrieren lässt. Der
Ablauf des Wechselvorganges soll
mit einer 3D-Animation (real-time)
simuliert werden.
Vorgehen
Der Stand der Technik wurde mit
einer intensiven Patentrecherche
abgeklärt und in einer Liste zusam
mengefasst. Anschliessend wur
den mögliche neuartige Ideen ab
geleitet und verschiedene Varianten
ausgearbeitet. Die Ansätze wurden
mit einer technisch-wirtschaftlichen
Bewertung verglichen. Die ver
schiedenen Entwürfe inklusive der
Bewertung wurden bei der Firma
Bystronic Laser AG in Niederönz
vorgestellt. Anschliessend wurde
das Lösungskonzept festgelegt
und ausgearbeitet. Mit der gewähl
ten Lösung können sämtliche An
forderungen des Auftraggebers er
füllt werden.
Schneidkopf Bystar
Schneidkopf Byspeed
134
BU
Simulation von Mikrokanalwärmetauschern
Maschinentechnik
Mécanique
Institut für angewandte Lasertechnologie / Prof. Dr. Beat Neuenschwander
Mit der Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen werden auch deren Kühlsysteme immer kleiner, welche notwendig sind um die Eigenschaften der Elektronik während des Betriebs zu gewährleisten. Ein Kühlsystem besteht meist aus einem Wärmetauscher, in welchem ein wärmerer Stoff
einen Teil seiner Wärme an einen zweiten Stoff mit tieferer Temperatur abgibt. Aufgrund des guten
Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen in Mikrowärmetauschern lassen sich grosse Wärmeleistungen übertragen.
Basierend auf einer Semester- und
Diplomarbeit über die Simulation
von
Miniaturwärmeübertragern
wird nun in den Mikrobereich vor
gedrungen, um das Strömungsver
halten in Mikrokanälen zu simulie
ren. Parallel wird in einer weiteren
Diplomarbeit ein Messstand ge
baut, mit welchem die Simulations
ergebnisse dann verglichen werden
können. Mit Hilfe des CFD (Compu
tional Fluid Dynamics) Programms
Fluent ist es möglich die Vorgänge
in einem Wärmetauscher zu simu
lieren und über die herrschenden
Strömungsverhältnisse sowie über
Wärmeübergänge qualitative Aus
sagen zu machen und schlussend
lich zu optimieren. Ob sich aber mit
solchen Algorithmen im Mikrobe
reich immer noch Systeme korrekt
beschreiben lassen, soll mit dieser
Arbeit geklärt werden. Vorausset
zung für eine erfolgreiche Simula
tion sind die genauen Kenntnisse
über die herrschenden Randbedin
gungen in einem System. Zunächst
muss zuerst die Oberflächentopo
graphie ausgemessen und deren
Einfluss auf die Grenzschicht des
Fluids bestimmt werden. Weiter
bestimmen die Wahl der Materia
len sowie die Prozessmedien die
übertragbare Wärmeleistung. Am
Anfang werden einfache Modelle
von Wärmetauscher simuliert und
dann mit einer Handrechung ver
glichen. Schrittweise wird nun die
Komplexität der Modelle erhöht um
verschiedene Kanalgeometrien zu
untersuchen. Parallel dazu werden
im Labor für Laser Mikromaterial
bearbeitung Mikrowärmetauscher
aus Glas hergestellt, welche dann
auf dem Messstand ausgemessen
und schlussendlich mit den Simu
lationsergebnissen verglichen wer
den. Mit Hilfe von Fluent kann man
nun die optimalen Parameter der
Kanalabmessungen und die Strö
mungsgeschwindigkeit für einen
Mikrowärmetauscher evaluieren.
Stefan Brüngger
1980
076 316 45 50
Mit Lasermikroskop ausgemessener
Mikrokanal
Strömungsverhalten in einem Mikrokanal
135
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Modenumschaltung in CO2- Laserresonator
Institut für angewandte Lasertechnologie/ Prof. Dr. Beat Neuenschwander, Dr. Jürg Steffen
Industrielle CO2-Laser in den Flachbettschneidanlagen emittieren vorwiegend einen Laserstrahl mit
Doughnut-ähnlicher Intensitätsverteilung. Diese ist für den Schneidprozess am vorteilhaftesten. Für
dünne Bleche oder zum “Einstechen” könnten aber andere Intensitätsprofile, wie z.B. ein Gauss
strahl, besser geeignet sein. Mit dem Mathematikprogramm Mathcad wurde ein Berechnungsmodell
erstellt, in dem man die dynamischen Krümmungsradien eines Adaptiv-Spiegels beliebig anpassen
kann, um so das gewünschte Intensitätsprofil zu erhalten.
Cihan Calli
1982
078 718 08 80
[email protected]
Die Firma Bystronic Laser AG in
Niederönz stellt für ihre Schneid
anlagen die CO2-Laser selbst her.
Die Modenumschaltung in einem
Laserresonator ist vor allem mit der
Strahlqualität des Laserstrahls ver
bunden. Um eine Modenumschal
tung durchführen zu können muss
man zuerst den ganzen Resona
tor berechnen. Um die gewünsch
ten Resultate wie Strahlqualität,
Waistradius und die Position der
Strahltaille eindeutig zu bestimmen,
werden die thermischen Deforma
tionen,
Absorptionskoeffizienten,
Coatings, Krümmungsradien, Re
flektionen, Substrat Material und
Eigenschaften der Spiegel berück
sichtigt. Jeder CO2-Laserresonator
ist von der Anordnung bis zu den
Spiegeln anders aufgebaut.
Das Berechnungsmodell aus der
vorangegangenen Semesterarbeit
wurde an den Bylaser 5.2 ange
passt. Dabei gab es einige Ände
rungen zu berücksichtigen, wie
zum Beispiel der Leistungsanstieg
von 4.4 auf 5.2kW, was ein wich
136
tiger Punkt für die thermischen Ver
formungen der Spiegel im Laserre
sonator ist, da dort jetzt nicht mehr
8.8kW sondern 10.4kW Leistung
vorhanden ist. Je höher die Leistung,
desto mehr werden die Spiegel und
auch das CO2-Gas thermisch bela
stet und haben damit einen Einfluss
auf das Verhalten des Resonators.
Zusätzlich wurde noch die ther
mische Belastung des Lasergases
in Form einer GRIN-Linse eingefügt,
was vor allem einen Einfluss auf die
Strahlqualität hat.
tigen Parameter wie die Position
der Strahltaille, Strahlqualität, Wa
istradius und das Intensitätsprofil
zu bestimmen. Ausserdem besteht
die Möglichkeit, beliebige Abstän
de und Spiegelsubstrate mit unter
schiedlichen Coatings einzugeben
und ihren Einfluss auf den Laser
strahl zu überprüfen, was in der Re
alität wegen der Justierung des Re
sonators sehr zeitaufwändig ist.
Das Mathcad Berechnungsmodell
wurde so ausgearbeitet, dass es
für jeden Menschen bedienbar ist.
Durch Eingabe von Substratwerten,
In der Praxis werden diese Laser Coatings und Dimensionen kann
strahlen mit einem Focus Moni man die Lösungen im und ausser
tor ausgemessen und damit ihre halb des Resonators schnell und
Strahlqualität, die Lage der Strahl einfach auf einen Blick sehen.
taille, der Fokusdurchmesser usw.
bestimmt, was eine sehr zeitauf
wändige Arbeit ist.
Es sind Methoden gesucht mit de
nen in Zukunft diese zeitaufwän
digen Messungen reduziert werden
kann. Mit dem vorliegenden Be
rechnungsmodell sollte es möglich
sein, schnell und einfach die wich
Vergleich Simulation und Messung
BU
Zylinderwandschmierung von Grossdieselmotoren
Maschinentechnik
Mécanique
Energietechnik / Prof. Beat Engeli
Experte: Felix Scheuter
Die Firma Wärtsilä ist in Fachkreisen für ihre hocheffizienten und äusserst zuverlässig arbeitenden
Dieselmotoren bekannt. Das klassische Einsatzgebiet dieser langsam laufenden Grossdieselmotoren ist vornehmlich die internationale Schifffahrt.
Die Gesetzgeber verlangen zunehmend strengere Umweltauflagen. Diese lassen sich allerdings
nur mit grossem technischem und finanziellem Aufwand erfüllen. Heute erfolgt die systembedingte
Schmierung der Zylinderlauffläche der Motoren mit einem kostspieligen Spezialöl. Um nun den
Schmierstoffverbrauch und damit die Betriebskosten zu senken, werden neue Schmiersysteme
entwickelt.
Ausgangslage
Schiffe stellen für den heutigen Wa
rentransport nach wie vor eine zen
trale Rolle dar. Die grossen Contai
nerschiffe und Tanker werden in der
Regel durch Dieselmotoren ange
trieben, welche bis zu 80‘000 kW
leisten und gegen 2‘300 Tonnen
schwer sind. Sowohl der Kauf wie
auch der Betrieb und Unterhalt
verursachen für den Unternehmer
hohe Kosten. Von besonderer Be
deutung sind die Betriebskosten für
die Zylinderinnenwandschmierung.
Bedingt durch das Zweitakt-Ver
brennungsprinzip und den schwe
felhaltigen Treibstoff muss sowohl
der Kolben wie auch die Zylinder
wand mit einem sehr teuren Spe
zialöl geschmiert werden, welches
während dem Betrieb weitgehend
verbrannt wird. Um den Verbrauch
dieses kostenintensiven Spezialöls
zu minimieren, wird mit grossem
technischem Aufwand an neuen
Schmiersystemen gearbeitet.
Ziele
In der vorliegenden Diplomar
beit beschäftigen wir uns mit dem
Schmiersystem, welches das Öl
durch den Kolben fördert. Im Detail
setzen wir uns mit der Auslegung,
Auswahl und Systemintegration
einer dafür geeigneten Schmieröl
pumpe auseinander. Dabei wird an
die neue Pumpe eine Vielzahl von
Anforderungen gestellt. Einerseits
muss das neue Schmiersystem
höchsten Qualitätsanfoderungen
gerecht werden, da ein Defekt im
schlimmsten Schadenfall einen
kapitalen Motorschaden zur Folge
haben kann. Andererseits soll die
zukünftige
Schmierölversorgung
für die gesamte Motorenfamilie
verwendet werden können. Mittels
Konzeptstudie werden deshalb die
technischen Möglichkeiten aufge
zeigt und durch Wirtschaftlichkeits
berechnungen untermauert.
Realisierung
Zu Beginn dieser Diplomarbeit wur
de nach systemischen Grundsätzen
das Rollenverhalten der einzelnen
Komponenten des Schmiersys
tems aufgezeigt. Diese Erkennt
nisse wurden in einer morpholo
gischen Matrix aufgezeichnet und
ausgewertet.
Darauf aufbauend konnte zusam
men mit dem Auftraggeber ein Va
riantenentscheid herbeigeführt und
dadurch das weitere Vorgehen de
finiert werden.
Das neuartige Schmiersystem wird
aus Gründen der Betriebssicherheit
mit 2 Pumpen ausgerüstet und mit
einer adäquaten, mehrfach redun
danten Überwachung abgesichert.
Dank diesem neuen Pumpenkon
zept und des neuartigen Schmier
systems können die Dieselmotoren
in naher Zukunft spürbar geringere
Betriebskosten bei zugleich gestei
gerter Zuverlässigkeit aufweisen.
Simon Diggelmann
1980
079 598 57 90
[email protected]
137
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Strukturanalyse an Giesssystem
Strukturmechanik / Prof. Martin Züger
Experte: J. Schmid, Wifag
Die Firma KW-SLS Swisspour AG produziert halb- und vollautomatische Giesssysteme.
Bei halbautomatischen Systemen wird die Giessbewegung im Produktionsprozess mit einer mechanischen Kurve realisiert. Die Giesspfanne wird in einen Hubwagen eingehängt, der mit vier Rollen
auf den Kurvenbahnen geführt wird, während die geforderte Giessbewegung ausgeführt wird.
Um die Lebensdauer der Rollenführungen zu erhöhen sollen im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit die mechanischen Bedingungen im Führungssystem des Hubwagens untersucht und allfällige
Verbesserungsvorschläge ausgearbeitet werden.
Andreas Dummermuth
1983
[email protected]
Die hohen Taktzeiten im Formen
bau für Gussteile stellen hohe An
forderungen an das nachfolgende
Giesssystem. Eine komplette Anla
ge kann aufgrund der sehr hohen
Anschaffungskosten nur wirtschaft
lich betrieben, wenn die Stillstand
zeiten durch Instandhaltungs- und
Umrüstarbeiten auf ein Minimum re
duziert werden. Um die geforderte
Lebensdauer der Anlage dennoch
zu erreichen gilt dem hoch bela
steten Führungssystem besondere
Aufmerksamkeit.
Für den einfachen Wechsel der
Giesspfanne ist diese einseitig auf
gehängt. Das hierdurch erzeugte
Moment bewirkt, dass die Rollen
neben der Radialkraft auch be
achtliche Axialkräfte aufnehmen
müssen. Mit dem leistungsfähigen
Antriebssystem kann über einen
Kettenzug der Hubwagen mit der
3.5t schweren Pfanne mit ho
her Beschleunigung positioniert
werden. Auf die wälzgelagerten
Führungsrollen und die gesamte
Struktur wirken somit nicht nur be
achtliche statische Kräfte ein. Wäh
rend der Schwenkbewegung ent
lang der Kurvenführung wird eine
dynamische Belastung verursacht.
Neben einem Modell auf einem Be
rechnungsprogramm können mit
Hilfe der Finite Elemente Methode
interessante Informationen aus den
Deformationen und Spannungen
gewonnen werden, die in der Struk
tur auftreten. Dafür sind sinnvolle
Annahmen und Vereinfachungen
zu treffen.
Parallel dazu dürfen zahlreiche wei
tere Einflüsse nicht vernachlässigt
werden. Der Pfannenwechsel mit
einem Stapler kann bei Unacht
samkeit des Bedieners Stösse und
Schläge auf die Führung verursa
chen. Die konstruktive Gestaltung
und Auslegung gilt es an heiklen
Stellen wie den Führungsrollen zu
überprüfen.
Ziel ist es, dem Auftraggeber verifi
zierte Lösungen für die Optimierung
vom Führungssystem vorzulegen.
Mit Hilfe der FEM können Deformationen
berechnet werden
Ansicht der Giesspfanne mit dem Führungssystem
138
BU
Magic Box – sauberes Wasser für alle
Maschinentechnik
Mécanique
Verfahrenstechnik: Prof. Dr. Kurt M. Graf
Mit der Magic-Box soll dem Ziel, die kostbaren Wasserresourcen unserer Erde zu bewahren, ein Schritt
näher gekommen werden.
In der Schweiz ist Trinkwasser im Allgemeinen noch in genügender Menge vorhanden. Aber bereits
bei sehr trockenen Wetterperioden oder nach Überschwemmungen ist eine ausreichende Versorgung
nicht mehr gesichert. In Entwicklungsländern müssen Menschen häufig ohne sauberes Wasser leben,
was zum Teil zu Krankheiten und hoher Kindersterblichkeit führen kann. Mit Hilfe der Magic-Box soll
Wasser direkt am Ort des Verbrauchers ohne Zwischenspeichern aufbereitet werden.
Ausgangslage
Aufbauend auf einer Semester
arbeit soll mittels Mikro- und Ul
trafiltration sowie Umkehrosmose
verschmutztes Wasser aufberei
tet werden. Die Betriebsart kann
je nach Verschmutzungsgrad des
Wassers frei gewählt werden. Auch
der Antrieb der Anlage kann je nach
vorhandenen Quellen gewählt wer
den. Es besteht die Möglichkeit die
Anlage mit Netzstrom, alternativen
Energien wie Solar- und Windener
gie oder von Muskelkraft zu betrei
ben.
Ablauf
Da bei der vorhergehenden Se
mesterarbeit die Komponenten
ausgewählt und zum Teil beschafft
wurden, ging es nun darum, unter
Berücksichtigung der Betriebskon
zepte die Anlage zusammenzubau
en und anschliessend in Betrieb zu
nehmen sowie zu testen.
Es wurden ausführliche Messungen
zur Funktions- und zur Qualitäts
kontrolle der Membranmodule
durchgeführt und ausgewertet.
Nachdem man die Anlage getestet
hatte und die Funktion belegt war,
ging es darum aufzuzeigen, was
die Anschaffung der Anlage kostet
und welche Kosten die Anlage im
Betrieb (Wartung und Unterhalt)
verursacht.
Während dessen wurden noch die
nötigen Komponenten beschafft,
um die Anlage mit Solar- oder
Windenergie zu betreiben.
Ausblick
Die Anlage wird nun ein weiteres
Mal kompakter zusammengebaut
und dann wird sie sich in der Pra
xis zu behaupten haben. Es folgen
Tests in einer afrikanischen Schule
sowie regionale Einsätze bei Über
schwemmungen oder ähnlichen
Vorkommnissen.
Matthias Ebener
1982
www.kippel08.ch
[email protected]
139
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Randschichthärtung beim Laserschneiden
Lasertechnologie / Dr. Jürg Steffen; Prof. Fritz K. Güdel
Experte: Peter Paul Knobel
Heute müssen lasergeschnittene Bauteile immer höheren Anforderungen gerecht werden. Dabei
kommt es beim Laserschneiden durch die Wechselwirkung des Laserstrahls und des Schneidgases
zu einer Gefügeänderung. Dies kann in der Randzone, entlang der Schnittfuge, zu Materialeigenschaftsänderungen wie Härte, Sprödigkeit und Elastizität führen. Diese Auswirkungen können ein
Sicherheitsrisiko bei wichtigen Bauteilen darstellen. Es soll untersucht werden, welche Materialund Prozessparameter einen Einfluss auf die Wärmeeinflusszone haben.
Christian Eberlin
1982
079 823 43 57
[email protected]
Ausgangslage
Beim Laserschneiden von Metallen
unterscheidet man zwischen dem
Brenn- und dem Schmelzschneid
verfahren. Beim Brennschneiden
wird das Schneidgas Sauerstoff (O2)
und beim Schmelzschneiden Stick
stoff (N2) verwendet. Durch die hohe
Leistungsdichte und der kurzen Ein
wirkdauer entsteht eine hohe Ober
flächentemperatur. Dieser Einfluss
kann Materialeigenschaften, wie
Härte, Sprödigkeit und Elastizität in
der Wärmeeinflusszone verändern
(siehe Bild). Der Einsatzbereich des
Laserschneidens wird somit für
ausgewählte Anwendungsbereiche,
wie Brückenkonstruktionen oder
andere sicherheitsrelevante Bau
teile, eingeschränkt.
In der vorangegangenen Semester
arbeit wurden für das Brennschnei
den von Baustahl und das Schmelz
schneiden von rostfreiem Stahl
(Inox) systematische Messungen
durchgeführt und die Aufhärtung
in der Randzone ausgewertet. Bei
Inox ergab sich keine klare Abhän
gigkeit, bei Baustahl jedoch konnte
eine deutliche Aufhärtung festge
stellt werden. Daher wird auf die
Weiterführung der Untersuchung
von Inox verzichtet.
Ausblick
Die Kenntnisse über den quantita
tiven Einfluss verschiedener Pro
zess- und Materialparameter auf die
Wärmeeinflusszone sind Vorausset
zung, um den Laserschneidprozess
zu optimieren und die Einsatzmög
lichkeiten von lasergeschnittenen
Bauteilen zu definieren.
Wärmeeinflusszone beim Laserschneiden
140
Vorgehen
Zu untersuchen sind die Auswir
kungen von Material- und Prozess
parametern auf die Wärmeein
flusszone. Das zu untersuchende
Material ist in einer ersten Phase
Baustahl und in einer zweiten Alu
minium. Unterschieden wird dabei
zwischen der Alpha-Untersuchung,
welche entlang der Schnittfuge
und der Beta-Untersuchung, die
senkrecht zur Schnittfuge verläuft.
Weiter soll durch einen Vergleich
der Einfluss des Schneidgases auf
die Energiebilanz und die Materi
aleigenschaften in der Randschicht
ermittelt werden. Eine ausführliche
Recherche über die Einsatzmög
lichkeiten von lasergeschnittenen
Bauteilen im Brücken- und Flug
zeugbau, sowie die mikroskopische
Analyse der Gefügestruktur in der
Wärmeeinflusszone, sind Bestand
teil der Aufgabe. Zum Schluss wird
eine Berechnung der Temperatur
verteilung durchgeführt und mit den
experimentellen Werten verglichen.
R 450
R 900
EnDes – Innovation und Erfahrung
aus über 1000 Projekten
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Nd:YAG-Laserschweissen im Dauerstrichbetrieb
Produktionstechnik / Prof. Fritz K. Güdel
Im Gegensatz zum Laserschweissen von Stahlwerkstoffen bietet das Schweissen von Aluminium
andere Besonderheiten. Durch die höhere Reflektion und Wärmeleitung des Aluminiums wird eine
höhere Leistungsdichte des Laserstrahls erforderlich. Ein weiteres Hindernis, welches bewältigt
werden muss, ist die sich auf dem Aluminium bildende Oxidschicht, welche eine Schmelztemperatur
von 2050°C hat (im Vergleich zur Aluminiumschmelztemperatur von 650°C). Besondere Beachtung
muss dem Schutzgas gewidmet werden, da dieses den Schweissprozess erheblich beeinflusst.
Mathias Frei
1983
079 443 83 01
[email protected]
Das Leichtmetall Aluminium wird seit
einiger Zeit in Fahrzeugen verwendet.
Laserschweissen ermöglicht dabei
eine besonders effiziente Anbindung
von grossflächigen Blechteilen an
die Karosseriestruktur, weil die da
bei entstehenden linienförmigen Ver
bindungen höhere Festigkeits- und
Steifigkeitswerte als punktförmige
Verbindungen erzielen.
Für den Laser sind die Prognosen
zur Weiterentwicklung positiver denn
je: Die Entwicklungsrichtung zu im
mer höheren Leistungsdichten der
Schweissprozesse bei gleichzei
tigem Wunsch, die thermische Be
lastung des Bauteils zu reduzieren
und gleichzeitig höhere Schweiss
geschwindigkeit zu erreichen, ge
ben Anlass, diese Technologie nicht
aus den Augen zu verlieren. Auch
sind verschiedene Schweissverfah
ren mittels dem Laser kombinierbar,
wie z.B. das Laserhybridschweissen.
Beim Laserhybridschweissen han
delt es sich um die Kombination des
MIG-Schweissen und dem Laser
schweissen. Durch die Nutzung der
Vorteile beider Schweissmethoden
lassen sich grössere Spaltüberbrü
ckungen realisieren.
In einer vorgängigen Semesterarbeit
wurden Schweissversuche mittels
eines Nd:YAG-Lasers im Dauerstrich
betrieb getätigt. Dabei wurde hoch
legiertes Stahlblech verschweisst.
Die dabei gewonnenen Erkenntnisse
werden nun in der Diplomarbeit so
umgesetzt, dass im Dauerstrichbe
trieb Aluminiumblech mit verschie
denen Legierungselementen ohne
Zusatzdraht verschweisst werden
kann. Es stellt sich sehr schnell he
raus, dass bei gleicher Parameter
wahl wie bei Stahl, Aluminium nicht
verschweisst werden kann. Wird eine
gewisse Leistungsdichte von mindes
tens 106 W/cm2 nicht überschritten,
tritt bei der Aluminiumoberfläche
eine Reflexion der optischen Strah
lung von mehr als 95 % auf. Nun gilt
es die Parameter so zu optimieren,
dass geeignete Blind-, Stumpf- und
Überlappnähte wirtschaftlich her
gestellt werden können. Die Proben
sollen im Anschluss nach geltenden
Normen geprüft werden. Eine wich
tige Überprüfung der Naht ist der
Querzugversuch. Es wird die Zugfe
stigkeit und die Lage des Bruches
einer Stumpfschweissung ermittelt.
Eine vorgängige metallographische
Untersuchung mittels Schliffbilder
ist ebenfalls Bestandteil der Auswer
tung. Somit können Poren, Risse und
Bindefehler erkannt werden.
Überlappnaht Al99.5, Wurzelüberhöhung etwas zu gross (geschweisst mit Nd:YAG-Laser)
142
BU
FE-Analyse an Kunststoff-Laufrädern
Maschinentechnik
Mécanique
Experte: Herr Beat Schär
Die Firma Colasit AG in Spiez produziert Kunststofflaufräder für vielfältige und anspruchsvolle Anwendungen. Zukünftig soll in der Produktion die Anwendung des bewährten Spiegelschweissverfahrens auf weitere Schweissverbindungen ausgeweitet werden. Im Rahmen meiner Diplomarbeit
habe ich Festigkeitsuntersuchungen an verschiedenen Ausführungsvarianten der Schweissnähte
durchgeführt. Die Ergebnisse der Variantenuntersuchungen können dazu beitragen, die Produktion
weiter zu optimieren.
Im Rahmen der Ergebnisverifikation entstand ein Berechnungsprogramm, mit welchem die Firma
Colasit ohne aufwändige FEM-Werkzeuge eine Grobabschätzung der wirkenden Spannungen machen kann.
Die Ventilatoren der Firma Cola
sit, bei welchen alle medienberüh
renden Teile aus Kunststoff gefertigt
werden, werden in den unterschied
lichsten Umgebungen betrieben.
Dazu gehören Temperaturschwan
kungen, aggressiv belastete Me
dien (Luft) sowie unterschiedliche
Drücke. Der Schwerpunkt der vor
liegenden Diplomarbeit liegt in der
Untersuchung der Einflüsse aus
Temperaturschwankungen und un
terschiedlichen Betriebsdrehzahlen
auf die daraus resultierenden Bean
spruchungen in den Schweissnäh
ten.
Beim für einzelne Verbindungen
neu einzusetzenden Verfahren des
Spiegelschweissens (in der Norm
als Heizelementschweissen be
zeichnet) handelt es sich um ein
Schweissverfahren, bei dem zwei
Flächen von zu fügenden Bauteilen
gleichmässig erwärmt werden und
dann unter vorgegebenem Druck
zusammengedrückt werden. Der
Vorteil des Verfahrens liegt darin,
dass kein Zusatzwerkstoff benötigt
wird und der gesamte Schweisspro
zess teilautomatisiert werden kann.
Die Eigenheit einer KunststoffSchweissnaht liegt darin, dass
die Schweissnaht eine geringere
Festigkeit aufweist als das Grund
material und deshalb die Schweiss
nähte grössere Querschnitte auf
weisen müssen, um die Kräfte zu
übertragen.
Um eine Vorstellung der Bela
stungen im existierenden Laufrad zu
erhalten, wurde die 3D-Geometrie in
einem Finit-Element-Programm wei
terverarbeitet und mit Hilfe der FEMMethode Spannungen und Defor
mationen berechnet.
Zur Berechnung wurden die geo
metrisch nicht-linearen Einflüsse,
die Alterung des Kunststoffes so
wie der Einfluss der Temperatur des
Kunststoffs auf dessen Festigkeit
mit berücksichtigt.
Basierend auf diesen Resultaten
konnte eine Excel-Anwendung pro
grammiert werden, mit deren Hilfe
Colasit durch Eingabe von weni
gen Kennwerten eine qualitative
Aussage über die Belastung der
Schweissnaht machen kann.
Parallel dazu wurden die aktuell
eingesetzten Schweissnähte einem
Vergleich unterzogen, damit Co
lasit bessere Kenntnisse über die
mögliche Belastbarkeit der einzel
nen Schweissvarianten (Extrusions
schweissen, Warmgasschweissen,
Spiegelschweissen) besitzt und so
ihre Laufräder produktionstech
nisch immer optimal auslegen kann.
Timotheus Gfeller
1983
079 759 08 74
[email protected]
Vergleichsspannungen im Laufrad bei n=1950 min-1
143
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Oberwasserniveauregelung für ein Kleinkraftwerk
Produktentwicklung / Prof. Dr. Juraj Cizmar
Experte: Christian Koblet
Bei unbeaufsichtigten Wasserkraftwerken verlangen die Sicherheitsvorschriften ein kontrolliertes
Stillsetzen der Anlage und das Halten des Oberwasserspiegels bei Netzausfall. Beim Kleinwasserkraftwerk “Alte Ziegelei” in Derendingen SO wird das Oberwasser bis heute mit Hilfe eines manuell
einzustellenden Nadelwehrs geregelt, was eine regelmässige Überwachung durch eine Person erfordert. Das Nadelwehr soll nun durch eine netzunabhängige, automatisch funktionierende Regel
einrichtung ersetzt werden, welche das Oberwasser selbsttätig auf konstantem Niveau hält.
Boris Jaeggi
1984
[email protected]
Aufgabenstellung
Um den Wasserstand vor dem
Kraftwerk konstant zu halten, soll
eine rein mechanisch funktionie
rende Regeleinrichtung konstruiert
werden. Zudem müssen gemäss
dem Amt für Umweltschutz in Not
fallsituationen (z.B. heftige Gewit
ter), bis zu 4 m3/s über den Bypass
abgeführt werden können. Zum
Schluss der Diplomarbeit ist für die
gesamte Konstruktion der Festig
keitsnachweis mittels FEM-Simula
tionen zu erbringen.
Konstruktion und
Funktionsprinzip
Die geplante Konstruktion besteht
aus einer Stauklappe, die den Was
serstand im Normalbetrieb regelt
sowie einem Rollschützen, welcher
beim Überschreiten der zulässigen
Wasserstandshöhe
kontrolliert
hochgezogen werden kann. Für das
Halten des Oberwasserspiegels im
Normalbetrieb wird die Energie der
vorhandenen Wasserkraft genutzt.
Steigt der Wasserpegel an, so senkt
sich die Klappe und es fliesst mehr
Wasser über den Bypass ab.
Bei Ausfall des Wasserkraftwerkes
sowie bei Hochwasser wird der ge
samte Rollschütz angehoben, um
die erhöhte Wassermenge abzu
führen. Sämtliche Regelparameter
der Regelungsanlage können ohne
grossen Aufwand in geeigneten
Bereichen eingestellt werden ohne
dass dazu Teile umgebaut werden
müssen.
Umwelteinflüsse
Eine spezielle Aufmerksamkeit
muss den Verschmutzungen im
Fluss geschenkt werden. Jeder
Fluss ist von Natur aus mit gewis
sen Verunreinigungen wie Laub
oder Holz versehen. Dazu kommen
leider auch immer grössere Men
gen von Zivilisationsabfällen. All
diese Verunreinigungen dürfen die
Funktion des Wehres nicht beein
trächtigen. Die Konstruktion muss
zudem frostsicher ausgelegt sein,
um auch im Winter eine zuverläs
sige Regelung des Wasserniveaus
zu garantieren.
Die vorliegende Diplomarbeit bein
haltet die Konstruktion sowie den
Festigkeitsnachweis des Wehr
schützen und wurde parallel zur Di
plomarbeit von Roman Zoller (siehe
S.167) durchgeführt, welche sich
mit der Regelung des Wehres be
fasst.
Wasserkraftwerk mit vorhandenem Bypass
144
BU
Neuartiger Kochtopf
Maschinentechnik
Mécanique
Diese Situation kennen alle. Man will nur kurz etwas auf dem elektrischen Herd kochen. Zuerst
passiert lange nichts, plötzlich kocht alles über und am Schluss hat man nichts zu essen und viel
zu putzen. Ein neuartiger Kochtopf soll hier Abhilfe schaffen. Die gewünschte Temperatur kann am
Kochherd eingestellt werden und wird mit dem im Kochtopf integrierten Regler geregelt. Übergekochte Speisen gehören damit der Vergangenheit an.
Auf dem heutigen Markt sind bereits
etliche Produkte erhältlich, welche
es einem erlauben, die Temperatur
während des Kochvorganges zu
überwachen. Die meisten von ih
nen benötigen jedoch noch immer
ein grösseres Mass an Aufmerk
samkeit, da man auf das Erreichen
einer gewünschten Temperatur
schnell reagieren muss. Dies soll
sich nun aber mit dem neuartigen
Kochtopf ändern.
Mit einem bedienungsfreundlichen
Touchscreenbildschirm ausgerüs
tet, kann an der Herdsteuerung die
gewünschte Kochtemperatur rasch
eingestellt werden. Die an der Steu
erung eingegeben Daten werden
dann über eine drahtlose Verbin
dung schnell und sicher an den
Kochtopf übertragen.
Dort ist der im Kochtopf integrier
te Regler für die Überwachung und
das schnelle Erreichen der einge
stellten Temperatur zuständig. Die
Regelung, welche unabhängig von
Gargut und Füllmenge ist, garan
tiert dabei, dass die Zieltemperatur
nicht überschritten wird. Dadurch
wird das Anbrennen und Überko
chen der Speisen vermieden, aus
ser man stellt bewusst eine zu hohe
Temperatur ein.
Jost Fabian
1982
077 420 02 53
Die Energie, welche man zum Be
trieb der Kochtopfelektronik be
nötigt, wird dabei direkt aus dem
Kochprozess gewonnen. Dadurch
ist der Kochtopf immer einsatz
bereit und steht nicht plötzlich mit
leeren Batterien da. Sollte aus ir
gendeinem Grund einmal keine
Verbindung zum Kochherd aufge
baut werden können, ist der neuar
tige Kochtopf immer noch als ganz
normaler Kochtopf verwendbar.
[email protected]
145
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Tornado Gas Kühler
Verfahrenstechnik / Prof. Dr. Kurt M. Graf
Experte: F. Scheuter
Das Wirbelrohr ist ein Gerät, das einen tangential eintretenden Gastrom in zwei Teilströme unterschiedlicher Temperatur aufteilt. Die Temperaturen dieser Teilströme liegen dabei über bzw. unter
der Eingangstemperatur! Der Vorteil eines Wirbelrohres für Kühl- oder Heizanwendungen liegt darin, dass es keine beweglichen Teile besitzt. Dadurch ist auch der Wartungsaufwand äusserst gering. Zum Betrieb ist ausser Druckluft keine andere Energieform notwendig. Diese Tatsache macht
es für gewisse Einsatzbereiche sehr attraktiv.
Martin Kiener
1982
077 422 21 19
[email protected]
Wirbelrohre werden heute z. B. in
Thermowesten eingesetzt, um Ar
beitende in extrem kalter oder heis
ser Umgebung besser zu schützen.
Eine weitere Anwendung besteht
in der punktuellen Kühlung von
Schaltschränken.
sollte die Möglichkeit zur Gastrock
nung mittels Wirbelrohr untersucht
werden. Zuerst wurde ein Wirbel
rohr in einem Versuchsstand auf
gebaut. Temperatur-, Druck- und
Durchflussmessgeräte wurden ein
gebaut und Messungen zur Tempe
ratur- und Druckverteilung durch
geführt. Dabei wurden jeweils der
Eingangsdruck und das Verhältnis
der Auslassströme geändert. So
wurde die Betriebscharakteristik
des Wirbelrohres ermittelt. Die ma
ximal erreichbare Warmgastempe
ratur liegt bei über 70°C. Die tiefste
Kaltgastemperatur liegt unter -5°C!
Die Einlasstemperatur beträgt da
bei stets etwa 20°C.
Gleichzeitig wurden mit einem
Strömungsberechnungsprogramm
auch Simulationen durchgeführt.
Diese konnten anschliessend mit
den experimentell gemessenen
Daten überprüft werden. Mit dem
Berechnungsprogramm ist es ein
facher, verschiedene Parameter
änderungen und deren Einflüsse
auf die Temperaturseparation zu
ermitteln, als Teile der Wirbelrohr
geometrie neu zu konstruieren.
Weiter wurde das Verhalten bei
Gasgemischen untersucht.
146
Ziel dieser Arbeit ist es, das Ver mischungen zu untersuchen. Mög
ständnis für das Wirbelrohr zu liche zukünftige Anwendungen sol
vergrössern und das Verhalten len aufgezeigt werden.
für verschiedene Gase und Gas
Wirbelrohr
Strömungssimulation
BU
Druckregler im Kleinwasserkraftwerk
Maschinentechnik
Mécanique
Maschinentechnik / Prof. Beat Engeli / Stiftung Revita, Langenbruck
Viele Wasserversorgungen verfügen durch den Höhenunterschied von Ortsnetz und Quellfassung
über Energiepotentiale, von denen nur ein Teil für die Wasserversorgung genutzt werden kann. Ein
zu hoher Druck in der Wasserleitung wird heute meist mittels Drosselventilen in nicht nutzbare
Wärme umgeformt. Die Stiftung Revita hat eine Versuchsanlage entwickelt, um die überschüssige
Druckenergie in Elektrizität umzuwandeln. Es handelt sich um eine Anlage mit Gegendruck, d.h im
Turbinengehäuse wird ein Druckluftpolster aufgebaut, welches auf die Wassersäule drückt um genügend Druck für das Ortsnetz zu haben. Es ist ein Regler zu testen, welcher die Düse der Turbine
mit Hilfe dieses Gegendruckes steuert. Den Regler ins System einbauen, testen und die Regelparameter ändern sind die Aufgaben dieser Diplomarbeit.
Ausgangslage
Wasserquellen werden meist weit
oberhalb von Ortschaften gefasst.
Wird der Druck der Quellleitung in
einem Reservoir auf den Umge
bungsdruck reduziert, spricht man
von einem offenen System. Vom
Reservoir fliesst dann das Was
ser in das Ortsnetz (untere Zone).
In geschlossenen Systemen wird
eine Turbine ins System eingebaut,
welche einen Generator antreibt
und Strom produziert. Die Turbine
dreht in einem Luftpolster im Tur
binengehäuse, d.h oben vom Tur
binengehäuse befindet sich Luft
unter Druck und unten ist Wasser,
welches dann zum Ortsnetz fliesst
und denselben Druck wie die Luft
hat. Die Stiftung Revita hat dazu
eine Peltonturbinen-Versuchsanla
ge für geschlossene Systeme ent
wickelt. Mit dieser Technik erspart
man sich das Reservoir. Damit
die Turbine nicht durch den hohen
Wasserstand im Druckbehälter ge
bremst wird, muss ein genügend
grosses Luftpolster vorhanden
sein. Dieses gleicht auch eventuelle
Druckstösse im Leitungsnetz aus.
Der Gegendruck nimmt bei hohem
Wasserstand zu, weil die Luft mehr
komprimiert wird und bei abneh
mendem Wasserstand ist der Ge
gendruck kleiner, weil sich die Luft
im Turbinengehäuse entspannen
kann. Um nun den Wasserstand im
Turbinengehäuse immer gleich zu
halten wird ein hydropneumatischer
Regler benötigt, der als Eingang
den Gegendruck hat und die Dü
sennadel ansteuert, d.h die Düsen
nadel öffnet und schliesst gemäss
dem Wasserverbrauch des Orts
netzes.
arbeit wurde dieser Regler konstru
iert und ausgelegt.
Vorgehen
Zu Beginn der Diplomarbeit konn
te der Regler in einem eigens dafür
gebauten Versuchsstand getestet
werden. Dabei mussten am Regler
verschiedene Änderungen vorge
nommen werden, damit der Regler
gut funktionierte.
Es wurden Messungen gemacht,
die das Regelverhalten beschrei
ben. Bei den Messungen wurde mit
und ohne Dichtungsmembrane ge
arbeitet.
Florian Kronig
1982
079 567 35 73
[email protected]
Ausblick
Durch diese Diplomarbeit ist es der
Stiftung Revita nun möglich, Trink
wasser in geschlossenen Systemen
zu turbinieren und Strom zu erzeu
gen. Getreu dem Revita-Motto
kann gesagt werden, dass jetzt
ein effizienter Regler zur Verfügung
steht, “damit ökologische Energie
nicht bachab geht…”
147
BU
Maschinentechnik
Mécanique
QM-System für Giessereien
Maschinenbau / Prof. Roland Hungerbühler
Experte: Dipl. Ing. ETH Beat Schär
Unser tägliches Leben bringt uns laufend in Berührung mit Einrichtungen, welche Schlüsselteile enthalten, die für den sicheren Betrieb wichtig sind. Dies betrifft beispielsweise Gehäuse für Radlager
von Eisenbahnwagen oder Bremsscheiben für Autos.
Die Giessereien, welche solche sicherheitsrelevanten Teile herstellen, sind in der Lage die Qualität
der Gussteile zu messen und auszuwerten. Für die Interpretation der Qualitätsdaten ist jedoch ein
Qualitätsmanagement erforderlich.
Daniel Mallow
1959
079 514 66 18
[email protected]
Ausgangslage
Die Herstellung metallischer Guss
teile ist ein komplexer Prozess mit
vielen Einflussfaktoren. Die stetig
steigenden technologischen wie
kommerziellen Anforderungen an
Gussteile erhöhen den Druck auf
Giessereien, ihre Prozesse und
Verfahren stetig zu optimieren. Dies
kann in zunehmendem Masse nur
durch ein modernes Qualitätsma
nagement System erreicht werden.
Das Ziel
Neben der Ausstellung von Qua
litätszertifikaten für Gussteile bie
tet das QM-System die Möglich
keit, die Qualitätsinformationen der
Gussteile auf Prozessgrössen zu
rückzuführen. Damit ist die Giesse
rei in der Lage, durch gezielte Ein
griffe in die Fertigungsprozesse die
Qualität stetig zu verbessern.
148
Das System
Um den Qualitätsnachweis zu er
bringen, haben die Betriebe vor
allem in Messgeräte investiert, was
deren Entwicklung vorangetrie
ben hat. So erfuhr die Branche vor
allem in der Metallurgie verschie
dene Technologieschübe.
Die einzelnen Fertigungsprozesse
der Giesserei sind nur rudimentär
untereinander vernetzt. Die Wir
kungszusammenhänge von Pro
duktmerkmal zurück auf die ein
flussnehmenden Prozessgrössen
sind oft nicht bekannt oder basieren
auf den Erfahrungen langjähriger
Mitarbeiter der Giesserei. Dies führt
zu nicht gesicherten und nur be
dingt reproduzierbaren Prozessen.
An dieser Stelle setzt das QM-Sys
tem für Giessereien an. Die elek
tronische Erfassung der qualitäts
relevanten Prozessdaten direkt
aus den Anlagen im Betrieb, führt
zu einer Datensammlung, welche
Abfragen und Untersuchungen zur
Ermittlung der Ursachen für Quali
tätsabweichungen ermöglicht. Das
QMS ist so gestaltet, dass es an
bestehende Anlagen angebunden
werden kann, ohne dass an diesen
Anlagen grosse Eingriffe erforderlich sind. Auch Daten, welche nicht
elektronisch vorliegen, können mit
dem System erfasst werden. Einer
seits durch manuelle Eingabe, oder
durch entsprechende Eingabege
räte wie Barcodeleser.
Das Resultat
Die Daten werden zentral in einer
SQL Datenbank gespeichert. Die ge
wählte Datenstruktur erlaubt es, die
erforderlichen Abfragen (Queries)
zu machen.
Abfragen und Reports um Abwei
chungen in den einzelnen Prozes
sen zu ermitteln, sind während der
laufenden Fertigung möglich. So
mit kann rasch auf Veränderungen
reagiert und in die Prozesse ein
gegriffen werden. Dies ermöglicht
die Prozesskorrektur der laufenden
Produktion. Massnahmen können
umgehend auf Wirksamkeit über
prüft werden. Damit steigt nicht nur
die Qualität der produzierten Guss
teile. Durch das QM-System wird
auch eine Produktionssteigerung
durch Reduktion der Ausschuss
rate bei gleichzeitiger Erhöhung der
Qualität der Gussteile erzielt.
BU
Memorymetall-Schrittmotor
Maschinentechnik
Mécanique
Produktentwicklung und Mechatronik / Prof. Dr. Reinhold Krause
Experte: Dr. Paul Gygax
In der Industrie gibt es ein Bedürfnis nach besonders einfachen, kleinen und kostengünstigen Antriebssystemen. Vielfach ist bei Einfachstantrieben keine kontinuierliche Bewegung notwendig, sondern es reicht, wenn die Bewegung schrittweise ausgeführt wird.
Memorymetalle (zu Deutsch: Formgedächtnislegierungen) ändern bei Erreichen einer bestimmten
Temperatur schlagartig ihren kristallinen Zustand, ziehen sich zusammen, dehnen sich aus oder werden “superelastisch”. Dabei werden sehr grosse Kräfte freigesetzt. Unter den Aktor-Werkstoffen besitzen sie mit Abstand das grösste Arbeitsvermögen (Verhältnis von geleisteter Arbeit zu Werkstoffvolumen). Dies soll für die Entwicklung eines neuartigen Miniatur-Schrittmotors ausgenutzt werden.
Bei Kleinstantrieben sind die heu
te gebräuchlichen Elektromotoren
vielfach zu teuer und aufwändig in
der Herstellung. Das grosse Arbeits
vermögen von Formgedächtnis
legierungen (FGL) könnte die Tür
zu neuen Antriebssystemen auf
kleinstem Raum öffnen.
Bei der Konstruktion musste auf die
Fertigungsmöglichkeiten der Werk
stätte der Berner Fachhochschule
Rücksicht genommen werden. Gros
se Schwierigkeiten bot ausserdem
die Handhabung der kleinen Teile.
Der Motor durfte nicht grösser als
2.5 x 2.5 cm bei einer Höhe von
7 mm sein. Die eigentlichen Aktoren,
mehrere FGL-Drähte, ziehen sich
konduktiv erwärmt (der Draht wird
als Widerstand elektrisch kurzge
schlossen und heizt sich so auf) zu
sammen und bewegen Stellglieder,
die ihrerseits ein Ritzel drehen.
Mit diesem Antriebskonzept sind
langsam laufende Antriebe möglich,
die eine Drehzahl von einer Umdre
hung pro Minute und weniger auf
weisen. In diesem Anwendungsbe
reich konkurrenziert dieses neue
Prototyp fertig Antriebssystem bestehende Kon
gestellt und in zepte und könnte sich nach weiter
Betrieb genom führenden Studien etablieren.
men. Aufbauend
auf den Erfahrungen
aus dem ersten Proto
typ ist dann ein zweiter
Schrittmotor
entwickelt,
gefertigt und anschliessend
getestet worden.
Beim Verhältnis der geleisteten Ar
beit zum Volumen, bieten FGL die
besten Voraussetzungen für minia
turisierte Aktorlösungen. Bei Stell
antrieben finden FGL schon eine
weite Verbreitung, Drehantriebslö
sungen hingegen sind noch keine
bekannt.
Im Rahmen einer vorangegangenen
Semesterarbeit wurde ein Prototyp
entworfen, bei dem FGL-Drähte wie
Muskeln als Antriebselement wir
ken. In der Diplomarbeit wurde dieser
Heinrich Matter
1983
079 77 84 111
[email protected]
149
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Optimierung des Leihbusiness
Medizinaltechnik / Roland Hungerbühler, Prof. für Steuerungs- und Regelungstechnik an der BFH
Experte: Dipl. Ing. ETH Beat Schär, Maschinenfabrik WIFAG
Zimmer Schweiz GmbH ist der führende Anbieter von medizintechnischen Produkten im Bereich der
Orthopädie.
Um eine Operation durchführen zu können, werden sowohl Implantate als auch Operationsinstrumente benötigt. Zimmer Schweiz GmbH stellt diese den Spitälern entweder als Leihset (nach Operation zurück an Zimmer) oder als Konsignation (zeitlich unbegrenzt im Spital gelagert) zur Verfügung.
Dieser Geschäftsbereich generiert Zimmer Schweiz GmbH aufgrund des grossen gebundenen Kapitals hohe Kosten und grosse Logistikaufwände. Ziel dieser vorliegenden Diplomarbeit ist es, im
Spannungsfeld Wachstumsmarkt, Ethik und Medizinaltechnik das Leihbusiness zu optimieren.
Gregor Mauderli
1975
076 423 29 04
[email protected]
Ausgangslage
Das Leihsetbusiness teilt sich in
zwei Geschäftsbereiche auf: Kon
signationen und Leihsets. Beide
bestehen aus Implantaten und In
strumenten (siehe Fotos). Sowohl
Konsignationen als auch Leihsets
gehören besitztechnisch stets Zim
mer Schweiz GmbH und werden an
Spitäler bloss ausgeliehen. Der Un
terschied liegt in der Ausleihdauer.
Während Konsignationen stationär
und zeitlich unbegrenzt in einem
Spital lagern, werden Leihsets vom
Lager in Münsingen an die Spitäler
geliefert und nach erfolgter Opera
tion wieder retourniert.
Ziele
Konsignationen sind zu reduzieren,
gleichzeitig soll das Leihsetbusiness
stärker genutzt werden. Dies be
deutet geänderte Entscheidungs
grundlagen bei der Vergabe von
Konsignationen und ein Control
ling der vereinbarten Umsatzziele.
Gleichzeitig sollte das Optimie
rungspotenzial von bestehenden
Konsignationen aufgezeigt werden.
Die geforderte Reduzierung der
Konsignationen stellt parallel dazu
höhere Anforderungen an die be
stehenden Leihset-Prozesse, die
se sollten angepasst und optimiert
werden.
Hüft-Implantate
Operationsinstrumente
150
Realisierung
Die komplexe Problemstellung
und das vielschichtige Umfeld ver
langten nach einer ganzheitlichen
Betrachtungsweise
mit
syste
mischem Ansatz.
In der Analysephase wurden mit
den beteiligten Personengruppen
ausführliche Interviews durchge
führt. Aus dem Zusammenzug der
Gespräche konnte der IST-Stand
aus verschiedensten Sichtweisen
dargestellt und sogenannte Sy
stemkomponenten entwickelt wer
den. Die Komponenten wurden in
verschiedenen Matrizen zueinander
in Relation gesetzt und in Diagram
men dargestellt. Anhand dieser
Grafiken konnten die Einflüsse der
einzelnen Komponenten auf das
Gesamtsystem visualisiert und so
Aussagen über deren Aktivität und
Vernetzung gemacht werden.
Die Analyse zeigte, dass zum Bei
spiel zielorientierte Prozesse, prak
tikable Sortimentsbreiten und eine
hervorragende Logistik mittelfristig
deutliche Verbesserungen bringen.
In der Konzeptphase wurden kon
krete Verbesserungsvorschläge zu
diesen Systemkomponenten ent
wickelt. Der voraussichtliche Erfolg
der vorgeschlagenen Massnahmen
konnte anhand eines Bewertungs
kataloges sichergestellt werden.
Sowohl der Konsignation- als auch
der Leihsetprozess wurden opti
miert, ferner die Sortimentsbreiten
eingeschränkt, natürlich stets unter
Wahrung der vollen Kundenzufrie
denheit.
BU
Holztieflochbohren – neues Werkzeug entwickeln
Maschinentechnik
Mécanique
Produktentwicklung / Prof. Urs Josi
Experte: Dipl. Ing. ETH Beat Schär
Im Ingenieurholzbau werden heute immer neue Visionen und Akzente gesetzt. Beispielsweise mit
der GSA®-Technologie, hier werden Stahlstangen mit GSA-Harz in Brettschichtholz eingeleimt, wodurch Holztragwerke und neuartige Bindersysteme realisiert werden können. Hierzu, wie auch für
andere Anwendungen, werden Tieflochbohrer für Holz verwendet.
Die TTS ZOBO AG in Brienz, welche den ZOBO-Bohrer und andere Holzbearbeitungswerkzeuge herstellt, möchte das Sortiment der Bohrsysteme für Holz mit Tieflochbohrern ergänzen. Es sollen gerade verlaufende Bohrungen mit Tiefen bis ca. 0.5 m erreicht werden können.
Ausgangslage:
In den letzten Jahren wurde die
Nachfrage nach einem Tiefloch
bohrer für Holz, mit dem gerade
verlaufende und ausrissfreie Boh
rungen hergestellt werden können,
immer grösser. Die TTS ZOBO AG
setzt sich seit längerer Zeit mit die
ser Problematik auseinander. Es
wurden bereits verschiedene Werk
zeuge hergestellt und Versuche
durchgeführt. Jedoch fielen die Er
gebnisse nie ganz zufriedenstellend
aus.
Realisierung:
wurden die theoretischen Grund
lagen des Holztieflochbohrens
erarbeitet und die nötigen me
chanischen Eigenschaften für ein
neuartiges Tieflochbohrsystem be
stimmt. Die gefundenen Erkennt
nisse wurden in eine ausgereifte An
forderungsliste umgesetzt, welche
als Basis für die konstruktive Rea
lisierung, respektive für das weitere
Vorgehen im Projekt Tieflochbohrer
/ Holztieflochbohren dient.
Mit der Umsetzung von einzel
nen Prinzip-Modellen in Kon
struktionsvorschläge und der an
schliessenden Durchführung von
Prinzipversuchen wurden relevante
Einflussgrössen ermittelt. Gleichzei
tig entstand auch ein rechnerisches
Grundlagenmodell zu diesem The
ma.
Das rechnerische Grundlagenmo
dell, welches das Tieflochbohren in
Holz so genau als möglich abbildet,
konnte mit den Prinzipversuchen
überprüft und schrittweise ange
passt werden. Hier können auch
später jederzeit weitere Erkennt
nisse eingebracht werden.
Die Beurteilung der Ergebnisse be
zogen auf das geforderte möglichst
ausrissfreie Durchbohren sowie die
Beurteilung der vorhandenen Funk
tionsmodelle hinsichtlich der zu er
wartenden Standzeiten sind ein
weiterer Bestandteil dieser Arbeit.
Diese Diplomarbeit ist ein weiterer
Schritt in der Entwicklung von Tief
lochbohrern für Holz. Darauf soll
aufgebaut werden können und die
Realisierung eines neuen Werk
zeuges vorangetrieben werden.
Andreas Maurer
1983
079 481 73 16
[email protected]
Prinzipmodelle und Versuche
151
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Gastrennung mit Membranen
Verfahrenstechnik: Prof. Dr. Kurt M. Graf
Zur Trennung von Gasgemischen werden vermehrt Membranen eingesetzt. Um die Ausbildung zukünftiger Maschinentechnikstudenten den sich ändernden Anforderungen der Industrie anzupassen,
wird im Labor für Energie- und Fluidverfahrenstechnik ein universell einsetzbarer Versuchsstand
aufgebaut. Der Versuchsstand für die Gastrennung ermöglicht die Charakteristiken verschiedener
Membranmodule aufzunehmen und deren Einsatzgebiet zu definieren. Er ist ein wichtiges Element,
um das erworbene theoretische Wissen in der Praxis anzuwenden.
Beat Messerli
1982
[email protected]
152
Aufbauend auf einer Semesterarbeit
soll eine Gaspermeationsanlage
aufgebaut und in Betrieb genom
men werden. Die dabei eingebauten
Membranmodule eignen sich zur
Stickstoffgewinnung aus Umge
bungsluft. Die Umgebungsluft wird
innerhalb des Membranmoduls in
zwei Teilströme aufgeteilt. Dabei
ist es möglich im ersten Teilstrom
(Retentat) nahezu reinen (99.1%)
Stickstoff herzustellen. Im zweiten
Teilstrom (Permeat) erhält man ein
mit Sauerstoff angereichertes Gas.
Je nach Anwendungsgebiet wird
anschliessend das Retentat oder
das Permeat weiterverwendet. In
der Industrie wird dieses Verfah
ren beispielsweise zur Erzeugung
von sauerstoffreicher Luft für Oxi
dationsprozesse eingesetzt. Wie
bereits erwähnt kann auch der mit
Stickstoff angereicherte Teilstrom
verwendet werden. Durch Sen
kung des Sauerstoffgehalts kann
in brand- oder explosionsgefähr
deten Räumen zum Teil auf teure
Sprinkleranlagen und Sicherheits
systeme verzichtet werden.
In einem weiteren Schritt wird ver
sucht, Biogas mittels der Membran
technik in seine Hauptbestandteile
Kohlenstoffdioxid CO2 und Methan
CH4 aufzutrennen. Soll Biogas als
Kraftstoff effizient eingesetzt wer
den, ist es wichtig seinen CH4-Ge
halt zu erhöhen.
Der Versuchsstand ist so aufge
baut, dass zwei Membranmodule
gleichzeitig betrieben werden kön
nen. Dies ermöglicht unterschied
liche Vernetzungsarten der beiden
Module, was sich wiederum auf die
Leistungsfähigkeit der Anlage aus
wirkt. Durch die geschickte Vernet
zung der Module können höhere
Konzentrationen erreicht werden.
Alle benötigten Messdaten können
auf eingebauten Messgeräten ab
gelesen werden und ermöglichen
so eine saubere Auswertung der
Leistungs-Charakteristik der Mem
branmodule.
UBE N2 SEPARATOR
BU
Lasergefertigte Mikrokanalwärmetauscher
Maschinentechnik
Mécanique
Lasertechnik / Prof. Dr. Beat Neuenschwander
Experte: Herr Jürg Schmid
Mit gepulsten Lasern lassen sich in diversen Materialien kleine Kanäle realisieren, die beliebige Dimensionen und Formen haben können. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Wärmetauscher mit verschiedenen Kanalstrukturen herzustellen. Im Bereich der angestrebten Strukturdimensionen von 10
bis 500μm Breite und bis 500μm Tiefe spielen die Oberflächenrauhigkeit und die Oberflächenspannung der zirkulierenden Flüssigkeit eine wichtige Rolle. Modelle aus dem makroskopischen Bereich
können nicht einfach übernommen werden. Folglich ist, neben der Herstellung verschiedener Kanalformen, auch deren experimentelle Charakterisierung wichtig.
In der Elektronikbranche wird die
Mikrokühlung seit geraumer Zeit
genutzt und eingesetzt. Vor allem
für die Kühlung von EDV-Geräten,
aber auch in der Analytik und Diag
nostik werden solche Systeme
verwendet. Durch die steigenden
Anforderungen, welche durch die
Anwender und die Technik in der
heutigen Zeit gestellt werden, kann
die Abwärme, die durch die Geräte
erzeugt wird, nicht vernachlässigt
werden.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es,
diverse Mikrowärmetauscher her
zustellen, die verschiedene Kanal
strukturen haben und sich in den
Kanaldimensionen unterscheiden.
Weiter soll ein Messstand aufgebaut
werden, der aus einem Warm- und
einem Kaltwasserkreislauf besteht.
Der Durchfluss soll verstellbar sein,
was auf den Prozess der Wärmeü
bertragung einen wichtigen Einfluss
hat. Der Druckabfall, die Durch
flussmenge und der Wirkungs
grad sollen durch die Messungen
erfasst und ausgewertet werden.
Damit die Wärmeübertragung bei
der Parallelschaltung von mehreren
Plättchen untersucht werden kann,
soll das Stapeln der Gläser sehr
einfach zu handhaben sein. Mit
diesen Messungen soll es möglich
sein, die einzelnen Kanalstrukturen
zu charakterisieren, und zu bestim
men, welche Kanalabmessungen
und Kanalformen sich am besten
für die Wärmeübertragung eig
nen. Auch das Zusammenspiel von
mehreren Plättchen soll beschrie
ben und gekennzeichnet werden.
Nach Theorie ist das Strömungs
verhalten in gebogen und geraden
Kanälen unterschiedlich. In den Bo
gen entstehen Verwirbelungen, die
die Wärmeübertragung verstärken.
Mit den Messversuchen soll diese
These untersucht und beschrieben
werden.
Martin Muralt
1983
076 530 62 82
[email protected]
Messaufbau
153
Berner Fachhochschule
Technik und Informatik
Führen im Wandel – Die Führungskraft als Coach
Nachdiplomkurs FH in Biel
April - Dezember 2008
Sekretariat
Tel. 031 335 51 11: Zentrale
Tel. 032 321 62 56: Marylou Bregy
E-Mail: [email protected]
www.ti.bfh.ch/coaching/
BU
LED-Leuchter
Maschinentechnik
Mécanique
Mechatronik / Prof. Dipl. Ing. ETH Fritz Bircher
Leuchtdioden findet man heutzutage in beinahe jedem elektronischen Gerät. Durch ihre ständige
Leistungssteigerung und die sinkenden Preise erobern sie fortlaufend neue Marktsektoren. Vor einigen Jahren begannen sie Glühbirnen in Taschenlampen und Fahrrädern zu ersetzen und nun findet
man bereits erste, marktreife Produkte, die zu herkömmlichen Lampenbirnen in Wohnungseinrichtungen bald eine Konkurrenz darstellen könnten. Ziel der Diplomarbeit “LED-Leuchter” ist die Entwicklung eines neuartigen Leuchters, bei dem die Anordnung und Anzahl der sichtbaren “Lampen”
durch bewegte Leuchtdioden nahezu beliebig verändert werden kann.
Bewegte Leuchtdioden
Die Fähigkeit eines Menschen, Bil
der zu interpretieren, ist eine Wis
senschaft für sich. Ein faszinierender
Teilbereich davon ist die Interpreta
tion von systematischen Lichtpul
sen, die es uns ermöglicht, von nur
einer einzigen bewegten und gezielt
gesteuerten Leuchtdiodenreihe die
Uhrzeit einer Designeruhr abzu
lesen oder am Umfang eines flie
genden Frisbees stehende Bilder
zu erkennen. Erscheinen die Licht
pulse mit hoher Frequenz und einer
gewissen Präzision an immer der
selben oder einer unmittelbar be
nachbarten Stelle, interpretiert das
Gehirn diese als ganzzeitlich anwe
sende stehende oder bewegte Ob
jekte. Auch bei Leuchtstoffröhren,
die in Europa meistens mit 50 Hz
betrieben werden und keineswegs
ein kontinuierliches Licht abgeben,
erkennt man unter Normalbedin
gungen nicht, dass sie “flackern”
würden. Genau dieses Prinzip soll
im “LED-Leuchter” verwendet wer
den, um mit einer geringen Anzahl
rotierender Leuchtdioden beliebige
Anordnungen und Anzahlen der
sichtbaren “Lampen” zu ermögli
chen. Die dafür benötigten hohen
Kreisfrequenzen und auch Daten
mengen, mit denen die Leucht
dioden kontinuierlich angesteu
ert werden müssen, stellen hohe
Anforderungen an das gesamte
mechatronische System. Dieses
besteht aus einer mechanischen
Leichtbau-Konstruktion mit mög
lichst hoher Eigenfrequenz, einer
elektronischen Schaltung, die es
ermöglicht, Daten in Bruchteilen ei
ner Millisekunde in Schaltstellungen
der Leuchtdioden umzusetzen und
für den Prototyp eine Schnittstelle,
die in harter Echtzeit die Sollwerte
auf die mit hoher Frequenz rotieren
de Elektronik des LED-Rotors über
tragen kann.
Johannes Renner
1984
078 861 81 06
[email protected]
Die Programmierung des Steuer
computers basiert für den Prototyp
auf der kostenlosen Linux-Echtzei
terweiterung “Xenomai”, welche
auch zunehmend im “low-cost”
Embedded-Bereich an Bedeutung
gewinnt.
Diese Lichtquellen könnten durch eine einzige bewegte Leuchtdiode ersetzt werden.
155
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Entwicklung einer kompakten Mehrfarbenmischkammer
Produktentwicklung / Prof. Dr. Reinhold Krause
Prüfungsexperte: Dr. Paul Gygax
Das Institut für mechatronische Systeme in Burgdorf entwickelt seit längerer Zeit einen mobilen
Grossflächendrucker. Er soll in der Lage sein, auf verschiedenen Untergründen, wie beispielsweise
Rasen, Schnee, Asphalt, mit mindestens 4 Grundfarben zu drucken. Es werden dabei Pixel mit 4cm
Durchmesser aus umweltfreundlichen, wasserlöslichen Farben gespritzt. Der Betrachter sieht das
Bild aus etwa 100m Entfernung. Bisher werden Bildpunkte aus einzelnen Grundfarben gesprüht und
mit der Entfernung verschmelzen sie für den Betrachter zu einer Farbe. Neu soll jeder Bildpunkt aus
einer Mischfarbe gespritzt werden. Aus der gleichen Entfernung ergibt sich dadurch eine feinere Auflösung. Das zentrale Teil der Anlage ist dabei die Mischdüse.
Marco Schwab
1978
[email protected]
Ausgangslage
Der Prüfstand und die Steuerung
bestehen bereits. Das anlässlich
einer Diplomarbeit entwickelte
Mischventil wurde während einer
Semesterarbeit verbessert und ist
in der Lage, Farbmischungen aus 4
Grundfarben zu drucken. Hier wur
de der Fokus auf eine gute Durch
mischung der Farben gelegt und es
wurden gute Resultate erreicht.
Mischkammer
156
Probleme
Ein Farbwechsel von einem Pi
xel zum nächsten war bisher nicht
möglich. Spritzte man eine dunkle
Farbe und danach eine helle, so
wurde die helle Farbe verfälscht.
Erst nach zahlreichen Spülzyklen
war die reine helle Farbe erkennbar.
Die Ursache dafür sind sogenannte
Toträume, Räume zwischen Farb
ventil und Mischkammer mit Farb
konzentrat gefüllt, die konstruk
tionsbedingt nicht zu vermeiden
sind. Dieses Problem soll mit einem
neu entwickelten Minirückschlag
ventil beseitigt werden.
Die Platzverhältnisse sind sehr be
schränkt. Das Mischkammervolu
men muss bei jedem Sprühstoss
vollständig ausgestossen werden.
Ziel
In dieser Arbeit soll die Mischkam
mer weiter entwickelt werden. Die
verschiedenen Untergründe erfor
dern zwei Arten des Spritzen: ein
hoch- und niedrigviskoses Verfah
ren. Beim hochviskosen wird ein
Strahl gespritzt, beim niedrigvis
kosen wird der Inhalt fein vernebelt.
Ein Farbwechsel von einem Pixel
zum nächsten soll möglich sein,
unabhängig davon, welche Farbe
vorher gespritzt wurde. Die Brei
te der Mischkammer soll 40mm
nicht überschreiten, damit die ge
wünschte Rasterweite beim Dru
cken erreicht werden kann. Weiter
soll ein modularer Druckbalken für
die Integration der einzelnen Misch
kammern entwickelt werden.
Druckmodule
Vorgehensweise
Nach der Dimensionierung und
Konstruktion der Mischkammer
werden Versuche durchgeführt und
ausgewertet. Danach wird ein mo
dularer Druckbalkenfür den Gross
flächendrucker konzipiert.
Mögliche kommerzielle Anwen
dungen sind im Bereich der Wer
bung und Bodenmarkierungen aller
Art zu sehen.
Wir setzen auf hohe Effizienz.
Haben Sie Ihr
nächstes Ziel
schon im Visier?
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Mit den technologisch führenden Weiterver-
Hand, die mit Müller Martini-Anlagen
arbeitungs-Systemen von Müller Martini
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BU
Maschinentechnik
Mécanique
Skiroboter
Mechatronik / Prof. Fritz Bircher; Prof. Roger Weber
Experten: Dr. Dietmar Kramer; Dominique Renevey
Skifahren ist ein grosser Spass. Die Sportart auf weissen Hängen bietet unzählige Möglichkeiten,
sich im Gelände zu bewegen. Ob schnell oder gemächlich, ob in kurzen Schwüngen oder langen,
rasanten Kurven, alles ist möglich. So stellt das Ziel, dem Roboter ASKIRO diese Sportart beizubringen, eine grosse Herausforderung für die Technik und die Diplomanden dar. U. Schöni und S. Spring
haben diese Herausforderung angenommen und zeigen in ihrer interdisziplinären Diplomarbeit Skiroboter, was die Mechatronik zu bieten hat.
Simon Spring
1983
077 400 55 09
[email protected]
Was als Projekt zum Test von neu
artigen Wintersportgeräten begon
nen hat, wird vorerst als Techno
logieprojekt der Fachhochschule
weitergeführt. Diese Diplomarbeit
umfasst alle klassischen Disziplinen
der Mechatronik. Neben der Rege
lung eines kinematisch komplexen
Systems gehören Kenntnisse der
Signalverarbeitung und der Mess
technik ebenso dazu.
zylinder eingesetzt, als Fussgelen
kaktoren kommen DC-Motoren zur
Anwendung. Zu jedem Aktor gehört
eine Kontrolleinheit, die vom PEC
angesteuert wird. Der Roboter wird
von zwölf Lithium-Polymerzellen
mit Spannung versorgt.
Während der Fahrt werden Gleich
gewicht, Vor- und Rücklage, Kräf
teverteilung auf die Skis sowie
die Spurtreue geregelt. Die Mess
Der Roboter, lebensgross und über daten hierfür stammen von einem
80kg schwer, wird von einer zentra GPS-Empfänger mit integrierten
len Steuerung (PEC 80 von ABB) Beschleunigungssensoren, Druck
gesteuert. Das PEC besteht aus sensoren in den Fussplatten für die
einem Microcontroller und einem Messung der Kraftverteilung und
FPGA für die Kommunikation mit Dehnmessstreifen für die Momen
den Sensoren und Aktoren.
tenmessung am Oberschenkel.
Als “Muskeln” der Ober- und Un Die Regelung ist in Matlab Simulink
terschenkel werden Elektrolinear aufgebaut. Das PEC bietet den Vor
teil, dass es direkt mit dem Simulink
programmiert werden kann. So ste
hen alle Vorzüge der Matlabumge
bung zur Verfügung und aufwendige
Reglerprogrammierung entfällt.
Für einfache Tests fährt der Robo
ter mit Sommerskis auf Asphaltstre
cken. Um Erfahrungen für die auto
nome Fahrt zu gewinnen, kann der
Roboter in einer ersten Phase über
eine Fernsteuerung gelenkt werden.
Auf diesen Erfahrungen aufbauend
wird ein Fahrtprogramm entwickelt,
mit welchem der Roboter autonom
carven kann.
Erklärtes Ziel der Arbeit ist es, mit
ASKIRO eine blaue Skipiste hinun
terzufahren.
Aufgebauter Skiroboter
158
BU
Neuartiger Hubaktor
Maschinentechnik
Mécanique
Produktentwicklung / Prof. Dr. Reinhold Krause
Experte: Dr. Paul Gygax
Passive Paraffinaktoren werden in der Industrie bereits vielseitig eingesetzt. Aufgrund mangelnder
aktiven Aktoren, welche hohe Kräfte bei kleinen Zykluszeiten aufweisen, wurde eine Diplomarbeit
für einen neuartigen Hubaktor durchgeführt. Als Aktormaterialien wurden insbesondere Paraffinwachse berücksichtigt. Die besondere Eigenschaft des Paraffins ist, dass beim Phasenübergang
vom festen in den flüssigen Zustand eine Volumenausdehnung von ca. zehn Prozent entsteht. Diese
Volumenänderung erzeugt grosse Kräfte infolge der Inkompressibilität des Paraffins, was für bestimmte Anwendungen geeignet ist.
Stand der Technik
In der Industrie werden Paraffin
aktoren bereits zur Temperatur
regelung von Fluiden eingesetzt.
Der Paraffinaktor wird meistens di
rekt durch ein umströmendes Me
dium (Öl, Wasser, usw.) und durch
dessen Wärmeenergie betätigt.
Kennzeichnend sind bis anhin die
grossen Zykluszeiten. In der Auto
mobilindustrie sind Aktoren gesucht,
Ergebnis
Durch konstruktive Massnahmen
und Verbesserungen durch Verwen
dung anderer Materialien konnte ein
neuer Aktor entwickelt werden. Mit
einer Hubkraft von 1000 Newton,
Vorgehen
Zu Beginn der Diplomarbeit wurde bei einer Zykluszeit von nur sechs
ein erster Aktor ausgetestet. Mit Sekunden und bei einem Hub von
tels Versuchen und Berechnungen 0,8 Millimeter, eignet sich dieser
konnte der Aktor konstruktiv ver Hubaktor zum Beispiel gut für
bessert werden. Untersuchungen Klemmmechanismen.
am Aktor haben gezeigt, dass die Nachteilig ist der schlechte Wir
schlechte Wärmeleitfähigkeit des kungsgrad des Aktors, was bei
Paraffins die Hauptursache für die kurzfristigen Einsätzen verglichen
grossen Zykluszeiten ist. Durch Op mit dem Nutzen sekundär ist.
timierungen des Paraffins konnten
weitere Verbesserung erzielt wer
den.
Um das Paraffin elektrisch zu erwär
men, wurden Kohlefaserröhrchen,
eingebettet in Aluminiumröhrchen,
eingesetzt. Im Kohlefaserröhrchen
enthaltenes Paraffin wird durch die
Erwärmung des Kohlefasermate
rials geschmolzen. Der Kohlefaser
weisst einen hohen spezifischen
Widerstand auf und kann mit der
üblichen Spannung
von
Automo
bilen (12 Volt)
betätigt wer
den.
welche kurze Zykluszeiten aufwei
sen, gleichzeitig hohe Kräfte erzeu
gen und elektrisch betätigt werden
können.
Micha Streit
1983
076 308 26 52
[email protected]
Erster Prototyp
159
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Erzeugen von Näpfchen mit einem Kurzpuls-Laser
Angewandte Lasertechnologie / Prof. Dr. Beat Neuenschwander
Die MDC Max Dätwyler AG entwickelt und baut erfolgreich Anlagen zum Reinigen, Beschichten und
Gravieren von Tiefdruckwalzen und gehört damit zu den Pionierunternehmen in diesem Bereich.
Neben anderen Technologien werden zum Gravieren der Tiefdruckzylinder auch Laser eingesetzt.
Die eingesetzten Laser mit Nanosekunde (ns)-Pulsen arbeiten sehr erfolgreich und effizient. Infolge
immer höher werdender Anforderungen ist der Einsatz von neuen Technologien unerlässlich.
Marc Studer
1982
079 251 04 26
[email protected]
160
In absehbarer Zeit werden neue,
industrietaugliche Kurzpuls-Laser
systeme auf dem Markt erhältlich
sein, die durch die kurzen Pulse
im Bereich der “kalten Ablation” ar
beiten. Im Gegensatz zu den bisher
verwendeten ns-Systemen ist die
Pulsenergie beschränkt, und die
hohe mittlere Leistung kann nur
durch eine hohe Repetitionsrate
realisiert werden. Kurzpuls-Laser
systeme könnten gegenüber den
bisherigen Systemen für die Gravur
einige Vorteile (z.B. grössere Palet
te von bearbeitbaren Materialien,
schärfere Strukturen), aber auch
Nachteile (z.B. geringere Prozess
effizienz, höherer Preis) aufweisen.
In Bezug auf die Druckqualität spie
len vor allem Volumen, Form und
Tiefe der Näpfchen eine wesent
liche Rolle. Im Labor für Laser-Mi
Näpfchenfeld erzeugt mit einem Kurzpuls-
Näpfchen erzeugt mit einem Kurzpuls-Laser,
Laser, LSM Aufnahme
visualisiert in MATLAB
kromaterialbearbeitung der Berner
Fachhochschule Technik und In
formatik befindet sich ein KurzpulsLasersystem mit Repetitionsraten
von 1Hz – 1MHz bei den Wellenlän
gen 1064nm, 532nm und 355nm.
In einer Reihe von Untersuchungen
werden verschiedene Metalle, u. a.
Zinkschichten, bearbeitet. Die to
pographische Auswertung wird auf
dem
Laser-Scanning-Mikroskop
(LSM) durchgeführt.
Ziele der Untersuchungen sind,
konkrete Aussagen zur Näpfchen
erzeugung mit Kurzpuls-Lasersys
temen zu machen. Grundsätzlich
sind optimale Laserparameter bei
den verschiedenen Materialien zu
ermitteln, um eventuell Volumen,
Form und Tiefe der Näpfchen zu
beeinflussen. Gegebenenfalls kann
ein Arbeitsschritt z.B. die Reinigung
der Tiefdruckzylinder nach der La
sergravur ausgelassen werden.
Schliesslich ist zu klären, in welchen
Bereichen der Näpfchengravur die
Kurzpuls-Lasersysteme Vorteile ge
genüber den bisher verwendeten
ns-Lasersystemen bieten.
BU
Kabel-Schneideinheit mit integrierter Kraftmessung
Maschinentechnik
Mécanique
Maschinenbau / Prof. Dr. Reinhold Krause
Experte: Christian Koblet, Aebi AG
Im Zeitalter der Computer sind Kabel ein wichtiger Bestandteil elektronischer Komponenten. So
werden pro Labtop bis zu 6 Kabel eingebaut, wo bei einer Kabellänge von 100mm eine Abweichung
von nur 0.1mm toleriert wird. Bei einem Produktionsvolumen von bis zu 60 Millionen Labtops werden
sehr viele Kabel benötigt. Die Firma SCHLEUNIGER AG produziert Maschinen, welche diese hohen
Anforderungen erfüllen. Das Ziel ist es, die Maschinen immer genauer, schneller und billiger zu gestalten. Darum ist es wichtig, dass beim Schneid- und Abisolierprozess die Kräfte bekannt sind. Für
die Erhaltung der Kraftverläufe wurde ein Messaufbau mit Software-Applikation entwickelt.
Der PowerStrip 9500 ist eine voll
automatische Kabelverarbeitungs
maschine. Die Hauptbestandteile
sind zwei Transporteinheiten und
eine Schneideinheit. An dieser
Schneideinheit sollen die Kräfte
gemessen werden. Zur Lösung der
gestellten Aufgabe wurden Dehn
messstreifen (DMS) eingesetzt.
Sobald sich die Komponenten der
PowerStrip 9500
Schneideinheit durch die Schnitt
kraft dehnen, wird das mit dem
DMS erkannt. Damit den dadurch
erhaltenen Spannungswerten eine
Kraft zuordnet werden kann, ist
eine Kalibrierung nötig. Diese er
folgt über eine Kraft-Messdose.
Die gemessenen Spannungen sind
sehr klein, was eine Signalverstär
kung erforderlich macht. Zur Digi
talisierung der Messwerte wird ein
multifunktionelles
Datenverarbei
tungsgerät eingesetzt. Die Mess
werte werden als digitale Signale
direkt an einen Computer überführt.
Zudem können über einen Enco
der die Positionswerte abgegriffen
werden. Das hat den Vorteil, dass
ersichtlich wird an welcher Stelle
im Kabel die entsprechende Kraft
herrscht. Eine LabView-Software
garantiert schliesslich eine bedie
nerfreundliche Schnittstelle zum
Benutzer. Die Software bietet die
Möglichkeit, die ursprünglich ge
messenen Spannungen in einem
Kraft-Weg- oder Kraft-Zeit-Dia
gramm darzustellen. Zudem gibt es
Speicher- und Exportmöglichkeiten
um die Daten zu verwalten. Es ist
möglich die einzelnen Kraftverläufe
verschiedener Kabel zu vergleichen.
Ebenso können Messer unter
schiedlicher Klingengeometrien in
Bezug auf deren Schneidverhalten
untersucht werden. Die Interpreta
tionen der Messresultate erlauben
eine Verbesserung bestehender
Maschinen und sollen eine Quali
tätssteigerung bewirken.
Stefan Trachsel
1982
161
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Lasergerechte Konstruktion eines Laserrahmens
Produktentwicklung und FEM-Analyse / Dr. Jürg Steffen; Prof. Fritz Güdel / Bystronic AG Niederönz
Die Bystronic AG ist ein weltweit agierender Anbieter von hochwertigen Lösungen für die wirtschaftliche Verarbeitung von Blechen. Ein wichtiges Geschäftsfeld bilden die leistungsstarken Laserschneidanlagen, welche mit einer CO2-Laserquelle ausgestattet sind. Diese Laserquellen werden
inklusive aller benötigten Komponenten in einer Rahmenkonstruktion integriert. Da der Laserresonator ein hochpräzises Bauteil ist, darf sich der Rahmen im Betrieb wie auch beim Transport nur
in sehr geringem Ausmass verformen. Die bestehende Rahmenkonstruktion für den ByLaser6000
erfüllt alle technischen Anforderungen, ist jedoch teuer in der Herstellung. Die Neukonstruktion soll
bei massiv verringerten Herstellkosten die gleiche Stabilität und Funktionalität bieten.
Andreas Tschanz
1981
079 319 81 09
[email protected]
Die Hauptfunktion des Laserrah
mens ist, den Resonator inklusive
Radialverdichter zu halten. Der Re
sonator stützt sich über drei Punkte
am Rahmen ab und darf nicht ver
windet oder verformt werden, da
dies fatale Folgen für die Strahlpo
sition und -richtung zur Folge hat.
Daher ist eine sehr steife Rahmen
konstruktion unabdingbar. Zusätz
lich müssen diverse Komponenten
wie Anregungsmodule, Lüfter und
Kühler aufgenommen werden. Das
Gesamtgewicht der Laserquelle
beträgt 1,8 Tonnen.
Der aktuelle Laserrahmen der Firma
Bystronic AG erfüllt alle Funktionen
und ist erprobt. In der vorherge
henden Semesterarbeit wurde eine
gründliche Analyse des bestehen
den Rahmens durchgeführt. Diese
bestätigte, dass er im Betriebs- wie
auch in den Transportlastfällen
eine ausreichende Steifigkeit be
sitzt. Jedoch wurde auch klar, dass
die Konstruktion kompliziert und
zu aufwändig in der Herstellung
ist. Die Resultate bilden
die Grundlage für die
Neuentwicklung im
Rahmen dieser Di
plomarbeit.
Der neue Rahmen
soll konsequent
in lasergerechter
Blechkonstruktion
hergestellt werden.
Dies bedingt fol
gende Prozessfolge:
die Teile werden mit
162
Laser ausgeschnitten, abgekan
tet und verschweisst. Auch sind
Steckverbindungen
vorzusehen,
welche eine zeitintensive Positio
nierung verhindern und Schweiss
hilfen unnötig machen. Zudem soll
der Verputzaufwand reduziert und
der Kraftfluss optimiert werden.
In der ersten Phase der Arbeit
wird eine Funktionsanalyse des
Rahmens erstellt und daraus eine
Anforderungsliste für die Neukon
struktion ausgearbeitet.
Es folgt eine Konzeptphase, in wel
cher verschiedene Varianten für
eine Neukonstruktion entworfen
werden. Als Hilfsmittel dienen die
Folgerungen aus der Semester
arbeit und die Anforderungsliste.
Die Herstellschritte, der Richt- und
Verputzaufwand und die Teilezahl
werden schon in der Konzeptphase
ByLaser6000
betrachtet, da sie für die Reduktion
der Herstellkosten wichtige Krite
rien darstellen. Abschliessend wer
den die erarbeiteten Konzepte be
wertet, es wird mit dem Hersteller
diskutiert und es folgt der Design
entscheid.
Danach beginnt die Ausarbeitungs
phase, in welcher aus den Kon
zeptskizzen ein CAD-Entwurf er
stellt wird. Das erarbeitete Modell
wird mittels FEM-Analyse für die
folgenden Lastfälle geprüft; der Be
triebslastfall “stehend” und die zwei
Transportlastfälle “aufgelegt auf Ga
belstapler” und “aufgehängt an vier
Punkten”. Falls erforderlich, wird
der CAD-Entwurf entsprechend der
Resultate aus den FEM-Analysen
angepasst und optimiert. Am Ende
der Berechnungen werden die Re
sultate dokumentiert und mit den
Resultaten des bestehenden Rah
mens verglichen.
Als letzter Punkt der Arbeit folgt
eine Fertigungsplanung, in welcher
der Herstellablauf definiert wird
und die Herstellkosten abgeschätzt
werden.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es,
eine Neukonstruktion des Laser
rahmens vorzuschlagen, welche
alle Anforderungen an Funktion
und Stabilität erfüllt, jedoch in der
Herstellung wesentlich einfacher ist.
Konkret soll mit der Neukonstruk
tion eine Reduktion der Herstellko
sten um 25% und die Halbierung
der Schlossereidurchlaufzeit er
reicht werden.
BU
Leichtbaubalken für Laserschneidanlage Bysprint
Maschinentechnik
Mécanique
Produktentwicklung / Beat Schmied, Prof. Fritz K. Güdel
Die Firma Bystronic AG ist ein weltweit agierender Anbieter von hochwertigen Lösungen für die wirtschaftliche Verarbeitung von Blechen und anderen Flachmaterialien. Die Produktpalette in der Sparte Laserschneiden umfasst unter anderem das dynamische Laserschneidsystem Bysprint 3015.
Um die Dynamik dieser Schneidanlage noch zu steigern, war für den Schneidbalken eine gewichtsreduzierte Lösung gesucht. Die Struktursteifigkeit durfte dabei nicht verschlechtert werden.
Zusätzlich wurde das bestehende Aluminium-Strangpressprofil durch eine Stahlkonstruktion abgelöst. Damit konnten die unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen dem Profil und den Stahlschienen eliminiert werden.
In der heutigen Ausführung der
Bysprint 3015 wird für den Schneid
balken ein Aluminiumzugprofil
verwendet. Der darauf gleitende
Schneidwagen mit der Laseroptik
wird über einen Zahnstangen-, Rit
zelantrieb bewegt. Da die Zahnstan
ge und auch die Linearführungen
aus Stahl sind, weist sie gegenüber
dem Aluminium ein anderes Wär
meausdehnungsverhalten auf. Bei
Abweichungen von der Montage
temperatur kommt es dadurch zur
Deformation des Schneidbalkens.
Dies hat einen negativen Einfluss
auf die Masshaltigkeit des Schneid
prozesses bzw. des Endproduktes.
Eine weitere Problematik stellt sich
im Gewicht des Profils. Da die Dy
namik und Genauigkeit einer Werk
zeugmaschine im Wesentlichen von
den bewegten Massen und deren
Nachgiebigkeit abhängt, sind diese
Aspekte möglichst klein zu halten.
wurde geprüft, ob sich durch geeig
nete Gestaltung und Auslegung die
Masse des Schneidbalkens redu
zieren lässt. Um die Wertschöpfung
im Hause zu erhöhen und die unter
schiedlichen Wärmedehnverhalten
zu unterbinden, sollte das Alumini
umzugprofil nach Möglichkeit durch
eine Blechkonstruktion abgelöst
werden. Die Diplomarbeit beinhal
tet nebst den technischen Aspekten
auch die Berücksichtigung der wirt
schaftlichen Fertigung des Balkens.
Bevor die konstruktive Erarbeitung
der neuen Balkenstruktur in Angriff
genommen werden konnte, galt
es, die bestehende zu analysieren.
Mittels modernster CAD- und FESoftware, wie Unigraphics NX und
ANSYS Workbench wurde der IstZustand des Balkensystems mo
delliert und auf dessen Gewicht
und Deformationsverhalten unter
sucht werden. Eine Modalanalyse
gab Aufschluss über das Schwin
gungsverhalten des Systems.
In einem weiteren Schritt wurden für
den Schneidbalken mehrere Kon
zepte erarbeitet. Jede konstruk
tive Veränderung wurde bezüglich
der Steifigkeit- und Massenverän
derung überprüft und nur weiter
verfolgt, wenn eine Verbesserung
ersichtlich war. Anschliessend mus
ste das neu erarbeitete Balkenprofil
so auf dessen wirtschaftliche Ferti
gung und Herstellbarkeit überprüft
werden, dass keine grundlegenden
Änderungen im Montageprozess
entstanden.
Zum Schluss ist für die neue Kon
struktion der Steifigkeitsnachweis
erbracht worden. Die geschah an
hand eines Vergleiches mit dem IstZustand.
Marcel Uehlinger
1981
079 617 33 38
[email protected]
Balkensystem mit Aluminiumzugprofil
163
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Simulation eines Mikroventils
Magnetventile sind Ventile, die von einem Elektromagneten angetrieben werden. Sie werden eingesetzt zum Erzeugen von Linear- oder Drehbewegungen, z.B. Mikroventile, Hub- oder Drehmagnete,
usw.
Durch die gegenwärtige Entwicklung hin zu immer kleineren und komplexeren Systemen wächst
die Notwendigkeit, den Entwurfsprozess durch eine Simulation des Gesamtsystems einschliesslich
Analyse, Variation, Optimierung und Verifikation zu unterstützen.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Funktion eines Magnetventils durch den Einsatz von Simulationswerkzeugen nachzubilden und damit deutlich besser zu verstehen. Weiter soll mit dieser Simulation auch
Know-how für mechatronische Gesamtsysteme aufgebaut werden.
Roland Wälti
1980
Heute werden die meisten Entwick
lungsparameter durch langwierige
Versuche experimentell ermittelt.
Dabei muss für jeden Versuch ein
neuer Prototyp gebaut werden.
Teilweise lassen sich die Entwick
lungsparameter gar nicht messen.
Das verursacht grosse Kosten und
nimmt viel Zeit in Anspruch.
079 253 94 91
[email protected]
Um Magnetventile schnell auf den
Markt bringen zu können, sind Si
mulationen in der Entwicklungs
phase notwendig. Für die Simula
tion kann das CAD-Modell in die
Simulationsumgebung eingelesen
werden. Durch Anpassen der Ent
wicklungsparameter wird das opti
male Anwendungsergebnis erreicht.
Anschliessend wird der Prototyp mit
den simulierten Parametern herge
stellt und getestet. Die Entwick
lungszeit wird so erheblich verkürzt
und das Produkt kommt schneller
auf den Markt.
Komplexe Magnetventile beinhalten
elektrische, elektronische, mecha
nische, thermische und zum Teil flu
idische Systeme. Zwischen diesen
treten starke Wechselwirkungen
auf. Die Simulation der einzelnen
physikalischen Systeme ist Stand
der Technik. Jedoch bereitet deren
Integration zu einem Gesamtsys
tem erhebliche Probleme.
Die Simulation wird in dieser Arbeit
mit den Programmen MatLab/Si
mulink und MatLab/SimMechanics
von TheMathWorks durchgeführt.
Das mechanische Modell wird di
rekt vom CAD in Matlab/SimMe
chanics übernommen. Mit Matlab/
Simulink kann die Ansteuerung mo
delliert werden. Die Magnetkraft
modellierung wird in einem ersten
Schritt mit Kennlinien betrachtet.
Fluidik und Thermik stehen noch
nicht im Vordergrund dieser Arbeit.
Die Resultate der Simulation wer
den laufend mit Versuchen an realen
Prototypen verifiziert. Die Planung
dieser Messungen sowie die Eva
luation geeigneter Sensoren sind
deshalb von grosser Bedeutung.
Nur so kann das Simulationsmodell
des Magnetventils weiter verbessert
werden.
Zerlegung eines Langhubmagneten in einzelne Teilsysteme [Modellierung und Simulation
elektromagnetischer Aktoren]
164
BU
FE – Analyse von Wirbelkörperimplantaten
Maschinentechnik
Mécanique
Experte: Herr Christian Koblet
In der Firma Synthes werden in Zusammenarbeit mit Ärzten unterschiedlichste Systeme zur Versorgung von Knochenbrüchen entwickelt. Eine mögliche Fraktur im Bereich der Wirbelkörper ist die
Kompressionsfraktur. Bei dieser wird der Wirbelkörper zusammengedrückt, dabei kann die Fraktur
eine Keilform aufweisen. Diese Form verursacht eine bleibende Fehlstellung der Wirbelsäule und auf
Grund zusätzlicher Instabilität sehr intensive Schmerzen, welche die Lebensqualität einschränken.
Die Firma Synthes hat für diese Indikation einen Lösungsansatz, welche die Fraktur stabilisiert und
den Wirbelkörper aufrichtet. Diesen Ansatz gilt es mit einer FE-Analyse zu untersuchen.
System Bobbin
Die Idee besteht darin ein Knäuel im
Wirbelkörper zu erzeugen, welches
den Wirbelkörper aufrichtet und die
Bewegungen der Fragmente ver
hindert. Das System wird posterior,
minimalinvasiv durch Zugangska
nülen in den Wirbelkörper einge
bracht. Nach Ausrichten und Posi
tionieren wickelt sich ein Faden um
das stiftähnliche Implantat. In Ab
hängigkeit der Umdrehungen wird
sich das Implantat vergrössern.
belkörper. Bislang ist noch keine
Publikation veröffentlicht worden,
die die Kräfte und die Einflüsse der
Knochenstruktur auf ein expan
dierendes Implantat untersucht.
Die Randbedingungen des Simu
lationsaufbaus müssen zwingend
auf biomechanischen Veröffent
lichungen abgestützt sein, damit
die Ergebnisse mit der Realität ver
gleichbar sind. In diesen Publikati
onen sind Festigkeitswerte, Kno
chenstrukturen und die wirkenden
Lasten während der Operation
beschrieben. Durch die intensive
Problemstellung
Im Rahmen der Diplomarbeit galt Recherche in verschiedensten me
es das System Bobbin in einer FE- dizinischen Fachliteraturen wurde
Simulation zu beschreiben. Das Au der ausserordentlich komplexe Auf
genmerk lag auf dem Bereich des bau des Körpers durch Modelle be
Knäuels und sein Wachsen im Wir schrieben.
Markus Weber
1982
079 457 84 45
[email protected]
Ausblick
Die Analyse beschreibt einen stark
vereinfachten Teil eines sehr kom
plexen Aufbaus, welcher im biome
chanischen Gebiet noch grosses
Forschungspotential aufweisst.
Der Modellaufbau soll für kom
mende Neuentwicklungen als Ver
gleichsaufbau dienen, um eine The
se über die Wirkung der Implantate
aufstellen zu können. Diese sind
anschliessend mit Testungen zu
überprüfen.
“Bobbin” im Wirbelkörper implantiert
Simulation
Der Simulationsaufbau beinhaltet
nur den ersten Lendenwirbel. Die
Wahl fiel auf diesen, weil die häu
figsten
Kompressionsfrakturen
beim Wirbelkörper L1 auftreten. Ba
sierend auf Flächenmodellen, wel
che aus entsprechenden CT-Daten
generiert wurden, sind vereinfachte
Volumenmodelle entstanden. Die
Nachmodellierungsarbeiten
sind
mit einem führenden 3D-CAD vor
genommen worden, dies war un
umgänglich damit die Daten im FETool Verwendung finden.
Für die eigentliche Simulation wur
de das leistungsfähige I-DEAS NX12
gewählt, welches den Anforde
rungen verschiedene Mesh-Arten
zu kombinieren, gerecht wurde. Die
unterschiedlichen Arten der Netze
waren notwendig, um die viel
schichtige Knochenstruktur nach
bilden zu können. Das Modell lässt
die Bewegungen der Knochenfrag
mente zu, welche aus Tests und
Röntgenbilder ersichtlich sind.
165
BU
Maschinentechnik
Mécanique
Schwingungsuntersuchung im Spindelbau
Strukturdynamik / Prof. Roland Hungerbühler
Experte: Dr. Peter Paul Knobel
Die Leistungsfähigkeit von hochproduktiven Werkzeugmaschinen steigt stetig an und mit ihr auch
die Anforderung an die Motorspindel. Der Markt fordert höhere Drehzahlen, höhere Leistungsdichte,
kürzere Beschleunigungszeiten. Dadurch steigt auch die dynamische Belastung auf die mechanische
Struktur. Durch den Einsatz von verschiedenen Schwingungsuntersuchungen wird das dynamische
Verhalten der Motorspindel erfasst und analysiert. Experimentelle Untersuchungen sind ein wichtiges Hilfsmittel zur Erhöhung der Korrelation zwischen der Spindel und den getroffenen Annahmen
im Berechnungsmodell.
Adrian Wittwer
1978
079 208 82 82
[email protected]
Die Firma Step-Tec AG hat sich auf
die Entwicklung und Produktion von
Hochgeschwindigkeitsspindeln spe
zialisiert. Sie werden bei führenden
Herstellern von Bearbeitungszen
tren für Fräs- und Bohrapplikationen
eingesetzt. Da der Drehzahlbereich
dieser Motorspindeln sehr gross
ist, kommt der Konstruktion eine
wesentliche Bedeutung zu. Mit der
Schwingungsuntersuchung
kön
nen verschiedene strukturdyna
mische Analysen durchgeführt wer
den. Diese dienen einerseits zum
Erfüllen der Marktanforderungen
und andererseits zum Überprüfen
und Analysieren der Qualität des
Lieferzustandes. Im Rahmen die
ser Diplomarbeit werden verschie
dene Schwingungsuntersuchungen
ausgearbeitet, erprobt sowie die
entsprechenden Messanleitungen
dazu erstellt. Diese haben das Ziel,
das firmeninterne Wissen über die
Schwingungsuntersuchung breiter
abzustützen. Die Untersuchungen
werden an drei typengleichen Mo
torspindeln, die im Bereich der La
gervorspannung unterschiedliche
Konstruktionen aufweisen, durch
geführt und geben Aufschluss über
deren Vor- und Nachteile.
Schwingform zugeordnet werden.
In der Praxis konzentriert sich das
Augenmerk vor allem auf die Eigen
formen mit niedrigen Frequenzen,
da deren Schwingungsausschläge
meist ausgeprägter sind und diese
den Zerspanungsprozess negativ
beeinflussen. Mit den verschiedenen
Schwingungsuntersuchungen sind
wir in der Lage, die Eigenschwin
gungen und deren Schwingformen
in einem experimentellen Modell zu
untersuchen. Aus den erhaltenen
Erkenntnissen werden nun die An
nahmen im Berechnungsmodell
so angepasst, dass eine maxima
le Korrelation der beiden Modelle
entsteht. Nebst dem dynamischen
Verhalten der Welle ist die Lagerung
der Spindel von zentraler Bedeu
tung. Wälzlagerschäden stellen
die Hauptursachen für den Aus
fall einer Motorspindel dar. Mit den
ausgewählten Schwingungsunter
suchungen kann der genaue Zu
stand der Wälzlager analysiert und
dokumentiert werden. Das Schwin
gungsspektrum eines Lagerscha
dens ist von der Art des Schadens,
der Lagergeometrie und der Dreh
zahl abhängig. Die genaue Interpre
tation der Messungen bedarf der
Erfahrungen und Kenntnisse des
Diagnostikers über seine Spindel.
Jede Motorspindel schwingt bei
bestimmten Frequenzen, den sog.
Eigenfrequenzen der Spindel. Die
Lage dieser Frequenzen wird haupt
sächlich durch die Massen- und
Steifigkeitsverteilung der Welle so
wie der Anordnung und Steifigkeit
der Lager bestimmt. Jede Eigen
frequenz kann einer bestimmten
166
BU
Oberwasserniveauregelung für ein Kleinkraftwerk
Maschinentechnik
Mécanique
Experte: Herr F. Scheuter
Unbeaufsichtigte Wasserkraftwerke müssen ein kontrolliertes Stillsetzen der Anlage und das Halten
des Oberwasserspiegels bei Netzausfall garantieren. Für das Kleinkraftwerk “alte Ziegelei” in Derendingen wird in der Diplomarbeit eine Regelung erarbeitet, welche das Oberwasserniveau auch
bei einem heftigen Sommergewitter mit Ausfall des Stromnetzes und grossen Wassermengen konstant hält. Um unabhängig von elektrischen Speichergeräten arbeiten zu können, darf für die Regelung einzig die Energie des Wassers verwendet werden.
Konstruktion
In der Diplomarbeit wird nun eine
Lösung ausgearbeitet, bei der das
heute im Einsatz stehende, manu
ell bediente Nadelwehr durch eine
netzunabhängig und automatisch
funktionierende Regeleinrichtung
ersetzt wird, um das Oberwasser
selbstständig auf konstantem Ni
veau zu halten. Da das Kraftwerk
schon seit einigen Jahren in Betrieb
ist, muss die Konstruktion den be
reits vorhandenen Gegebenheiten
angepasst werden. Das geplante
Wehr besteht aus einem hochzieh
baren Rollschützen, welcher an sei
nem oberen Ende eine Klappe für die
Regulierung besitzt. Der Rollschütz
wird im Hochwasserfall kontrolliert
hochgezogen. Im Regelfall wird das
nicht nutzbare Wasser über die Re
gulierklappe abgelassen.
Wahl des Reglers
Die Regelstrecke bezeichnet in
der Regelungstechnik den Teil der
Anlage, welcher durch die Rege
lung beeinflusst wird. Aufgrund der
P-Tn-Regelstrecke, die durch das
Kraftwerk gegeben ist, wird eine Lö
sung mit einem PI-Regler realisiert.
Der P-Anteil (proportionaler Teil)
des Reglers ändert auf Grund der
Oberwasserhöhe und der dadurch
auf die Klappe wirkenden Kraft die
Winkelposition der Klappe. Dieser
Effekt kann zum Beispiel durch
ein Gegengewicht mit Seilen oder
einem Hebelsystem realisiert wer
den oder durch Federn, welche ihre
Länge ändern, wenn sich die Kraft
auf die Klappe erhöht. Der I-Anteil
des Reglers (integrierender Anteil)
besteht aus einem Wassertank,
welcher sich je nach Wasserstand
des Oberwassers füllt oder entleert
und dadurch die Klappe zusätzlich
reguliert.
Einflüsse
Wichtige zu berücksichtigende Ein
flüsse sind vor allem die Sicherheit
gegen das Einfrieren im Winter so
wie die Probleme, welche durch
das Geschwemmsel, im Bach trei
bender, natürlicher und Zivilisati
onsmüll, welcher die Funktion der
Regelung beeinflussen kann.
Die Diplomarbeit wird parallel zur
Diplomarbeit von Boris Jaeggi (Sei
te 144) durchgeführt, wobei sich
Boris Jaeggi mit der Konstruktion
sowie dem Festigkeitsnachweis
des Wehrschützen befasst und Ro
man Zoller für die Auslegung des
Reglers und dessen Parameter ver
antwortlich ist.
Roman Zoller
1984
[email protected]
Einlauf bereich der Wasserkraftschnecke (unter dem Fenster) und rechts der zu regelnde
Überlauf.
167
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Cellule robotisée miniature
Microtechnique/ Prof. Yves Mussard, Marc Thurner
La stéréolithographie est essentiellement utilisée dans le domaine mécanique pour la création de
prototypes rapides. Une nouvelle méthode de fabrication s’apparentant à ce procédé a vu le jour
dans le domaine biologique pour réaliser des structures tridimensionnelles. Le système décrit dans
cet article repose sur une combinaison de micro doseurs, d’un micro robot à bras parallèle, d’un
laser à rayons UV et de matériaux aux propriétés photo polymérisantes. Le résultat est un système
aux dimensions très réduites et aux performances très prometteuses.
Yann Aeschbacher
1983
078 888 99 70
[email protected]
168
Ce travail comporte plusieurs éta - La dernière étape du travail a
pes:
pour but l’arrangement de la ma
tière consolidée par les rayons
UV. Cette structuration se réa
- La première étape consiste à
lise à l’aide du “Pocket Delta” ro
définir l’utilisation des doseurs
bot qui, en effectuant une série
pour effectuer une déposition
de déplacements dans chacune
de matière. Chaque doseur, sur
des trois directions axiales, va
lesquels différents paramètres
créer un bloc que l’on appelle
entrent en compte (viscosité de
“scaffold”. Ce bloc est composé
la matière, temps d’ouverture de
de deux matériaux ayant des
la valve nécessaire pour le do
viscosités différentes. Un doseur
sage, pression appliquée sur le
est actionné pour déposer une
piston, intensité de polymérisa
série de lignes dans une direc
tion,…), est rempli d’une matière
tion avec un premier matériau,
réagissant à la lumière UV.
puis un deuxième doseur rem
- La deuxième étape consiste à
plit les espacements laissés à
commander le déplacement
d’un plateau mobile sur lequel se
trouvent les doseurs. Ce plateau
rond est actionné par un moteur
qui est asservi à l’aide d’une uni
té de positionnement.
- Une troisième étape établit la
commande d’un laser à rayons
UV permettant le durcissement
de la matière dès sa sortie de
puis un des doseurs. Le rayon la
ser est orienté à l’aide d’un miroir
inclinable de manière à ce qu’il
éclaire l’extrémité de l’aiguille par
laquelle la matière est expulsée. Illustration du système
cet effet pour une autre série de
lignes avec un deuxième maté
riau. Ceci constitue une couche.
Chaque couche est orientée
dans une direction différente.
Le système est entièrement géré
par un seul programme dans lequel
l’utilisateur entre les paramètres re
latifs au dosage (nombre de lignes,
nombres de couches, longueur et
largeur d’un bloc,..). Dès que l’initia
lisation des différents périphériques
est terminée et que les données
saisies par l’utilisateur sont validées,
le système effectue le cycle de pro
grammation complet.
BI
Piezoverstärker mit Hysteresekompensation
Mikrotechnik
Microtechnique
Mechatronik / Prof. Dr. Harald Wild
Experte: Dipl. Ing./MBA Jean Bäbler
Bei Positionieranwendungen im Mikrometerbereich sind Piezoelemente eine sehr geeignete Wahl.
Piezoaktoren, die mit einem Spannungsverstärker betrieben werden, sind mit einer Hysterese zwischen der Eingangsspannung und der Dehnung behaftet. Diese Hysterese kommt durch die innere
Depolarisierung des Piezomaterials zustande. Das Ziel der Diplomarbeit ist, die Hysterese mit Hilfe
einer Stromregelung zu reduzieren.
Roman Amrein
Schema der Stromregelung
1983
Ausgangslage
Um einen Mikromanipulator mit
Piezoaktoren anzusteuern, mus
ste zunächst ein spannungsge
steuerter Hochvoltverstärker ent
wickelt werden, welcher bereits in
der vorangegangenen Semesterar
beit als Funktionsmuster entworfen
wurde. In der Diplomarbeit wurde
dieser Prototyp mit dem Programm
TopSpice simuliert und verbessert.
Spannungs-Dehnungsdiagramm
Um die Dehnung der Piezoaktoren
messen zu können, sind direkt auf
der Keramik Dehnmessstreifen
(DMS) appliziert.
Dehnessstreifen
Die DMS sind in einer Vollbrücken
schaltung am Piezoaktor ange
bracht. Durch die Dehnung wird
deren Widerstand geändert, was
zu einer Spannungsänderung führt.
Mit einer dazu entwickelten Diffe
renzenverstärkerschaltung
(Prin
zip Instrumentenverstärker) ist das
Signal genügend gross, um wei
terverarbeitet werden zu können.
Das Ausgangssignal ist mit einem
mechanischen Messtaster und ei
ner theoretischen Auflösung von
39nm kalibriert worden.
zur Hystereseverminderung im dy
namischen Betrieb. Die Stromrege
lung ist zuerst mit Simulink/MatLab
und DSpace getestet worden, bevor
sie in Elektronikhardware umge
setzt wurde.
Stromregelung
Über einen Shuntwiderstand am
Eingang des Piezos, kann anhand
des Spannungsabfalls die Strom
messung erfolgen. Durch Aufinte
grieren des Stromes ist die Ladung
des Piezoaktors und somit seine
Dehnung bekannt. Diese kann nun
mit der Eingangsspannung des
Spannungsverstärkers rückgekop
pelt werden. Das führt schliesslich
Ladungs-Dehnungsdiagramm
078 738 27 20
[email protected]
Realisierung
Die Hysteresekompensation wurde
im Spannungsverstärker implemen
tiert und getestet. Die DMS-Mess
verstärker mit einer 500-fachen
Verstärkung wurden als Prototyp
aufgebaut und im geschlossenen
Regelkreis erfolgreich in Betrieb
genommen.
169
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Roboter für die Handhabung von Messproben
Robotik / Prof. Yves Mussard
In die SLS (Synchotron Lichtquelle Schweiz), am Paul Scherrer Institut (PSI), kommen hunderte von
Wissenschaftler um unterschiedlichste Proben zu untersuchen. Das Spektrum der Proben geht von
Metallen, Knochenmark, Zellen bis hin zu zukünftigen Arzneimitteln. Daraus schliessen die Forscher
Erkenntnisse, welche unseren Alltag beeinflussen. Um den immer steigenden Anforderungen der
User und die Zeitausnützung der Anlage zu optimieren, hat sich die TOMCAT (TOmography Microscopy and Coherent rAdiology experimenTs) Strahlline entschieden den Probenlademechanismus zu
automatisieren.
Matthias Barendregt
1984
079 364 25 07
Ausgangslage
Der manuelle Ablauf an einer Strahl
line: Die vorbereiteten Proben wer
den in der Experimentierkammer
installiert. Nach einem Sicherheits
check kann die Kammer geschlos
sen und die Messung durchgeführt
werden. Dieser Vorgang dauert je
nach Probe und Einstellungen zwi
schen 2 – 40min.
Einige Details:
Positioniergenauigkeit der Proben
Die Proben müssen mit einer Wie
derholgenauigkeit von +/- 0.01mm
in 4 Achsen (x,y,z,rz) positioniert
werden. Eine genaue und kosten
günstige Lösung ist ein 3-Punkte
system. Der Probenhalter, mit drei
konischen Nuten, liegt auf höchst
präzisen Saphirkugeln auf.
[email protected]
Vorgehensweise: Schritt für
Schritt zu einem Roboter
1)Analyse: Was braucht die TOM
CAT Strahlline genau? Wie kann
ihr Prozess automatisiert wer
den? Soll auf einen kommerzi
ellen Industrieroboter gesetzt
werden oder ist ein Eigenbau
sinnvoller? Nach einem fun
dierten Vergleich wurde der In
dustrieroboter in Betracht gezo
gen.
2)Design des mechanischen Layouts.
3)Endphase: Inbetriebnahme und
Programmierung des Roboters,
sowie Schaffen einer Schnitt
stelle zum lokalen System Epics
(Experimental Physics and In
dustrial Control System), inklusi
ve einer Benutzeroberfläche für
die User.
Programmierung des Stäubli
Roboters
Der Roboter wird mittels einer ei
gens von Stäubli geschaffenen
Programmiersprache VAL3 pro
grammiert. Über eine TCP / IP Ver
bindung kann mit dem Roboter
kommuniziert werden.
Die Anbindung an das EPICS-Sys
tem läuft über ein Pythonscript,
welches als Interface zwischen
Epics und VAL3 verwendet wird. Die
Kommunikation zwischen Python
und VAL3 basiert auf einer Socket
verbindung, auf welcher Strings ge
sendet werden.
Aussichten
Eine Erhöhung der Blisterkapazität
wird in Betracht gezogen, die Soft
ware ist zum Teil schon darauf aus
gelegt.
Automatische Erkennung der Pro
benhalter, so dass der User die ein
zeln Proben nicht von Hand spezifi
zieren muss (Barcode).
Probenhalter von unten
Roboter an der TOMCAT - Strahlline
170
BI
Qualitätskontrolle von Zirkoniumoxydkugeln
Mikrotechnik
Microtechnique
Mechatronik / Prof. Dr. Peter Walther
Experte: Martin Schürch
Die Firma Micro Precision Systems AG, mps AG Biel, stellt Kugellager für erhöhte Anforderungen
aus Stahl und Keramik her. Dabei nimmt die Qualitätsprüfung der Kugeln mit einem Durchmesser
von zunächst 600μm eine zentrale Stellung ein. Ein Los besteht aus ca. 200‘000 Kugeln, die zurzeit
alle optisch unter dem Mikroskop auf grobe Fehler geprüft werden. Dabei werden die defekten Kugeln manuell mit einer Pinzette entfernt. Eine zeitaufreibende und teure Angelegenheit. Diese Vorsortierung soll automatisiert werden.
Prüfprinzip
Die Idee ist es eine optische Qua
litätskontrolle automatisiert durch
zuführen und dabei alle manuellen
Aufgaben durch geeignete Sen
soren und Aktuatoren zu ersetzen.
Die zu prüfende Kugel rollt durch
eine Vorrichtung und wird von einem
Laser angestrahlt. Das von der Ku
gel reflektierte Licht wird von zwei
Fototransistoren erfasst, wobei die
Differenz der Signale ausgewertet
wird. Ist die Differenz ungleich Null,
kann davon ausgegangen werden,
dass die Kugel defekt ist. Ursache
von unterschiedlichen Signalen
können schwarze Flecken oder
eine beschädigte Oberfläche sein,
die das Licht stärker oder schwä
cher reflektieren.
Daniel Brawand
1984
078 805 75 78
[email protected]
Messprinzip
Aufgabe
Der Prototyp einer vergangenen
Diplomarbeit dient als Grundlage.
Um beweisen zu können, dass die
Idee dieses Prototyps realisierbar
ist, muss die Konstruktion überar
beitet und getestet werden. Ist der
Beweis erbracht, wird es die Aufga
be sein, diese Prüfungseinrichtung
kostengünstig und industrietauglich
auszuführen.
Ablauf der Prüfung
Durch einen von der Firma mps zur
Verfügung gestellten Kugelsepa
rator wird immer eine Kugel nach
der andern dem System zugeführt.
Dabei wird die Kugel zuerst abge
bremst und dann aus der Ruhelage
losgelassen. So unterliegen alle Ku
geln denselben Messbedingungen.
Die Kugel rollt danach an den Foto
transistoren vorbei, wo sie entspre
chend gemessen werden. Eine gut
/ defekt Sortierung wird am Schluss
über eine Weiche vorgenommen.
Signalverlauf von zwei Fototransistoren
171
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Scanner pour la mesure de la rugosité
Optique / Prof. Christoph Meier, HESB-TI / Dr. Friedhelm Altpeter, Agathon SA
Expert: Dr. Gerben Boer
Notre partenaire industriel Agathon SA, spécialisé dans le domaine de la rectification et de la fabrication de pièces normalisées a mandaté la Haute école Technique et Informatique bernoise afin de
réaliser un scanner pour la mesure de la rugosité. Le but de ce travail de diplôme est de concevoir
un scanner facilement implantable dans la machine, afin de réaliser des mesures topographiques
d’une meule. Les résultats des mesures effectuées indiqueront à l’opérateur si les paramètres de
rectification sont bien adaptés à l’application.
Audrey Brodard
1983
079 239 76 10
[email protected]
Description
Des inserts en métal dur, utilisés
comme outils de coupe sont rec
tifiés à l’aide de meules diaman
tées. Ces meules sont composées
de grains abrasifs en diamant for
mant les parties coupantes de la
meule. Ces grains sont liés entre
eux par un liant métallique. Du fait
de la grande dureté des inserts, les
grains en diamant de la meule sont
fortement usés.
L’état d’une meule peut être déter
miné par une mesure topographi
que de la surface. Cette mesure
détermine le rapport entre la hau
teur des grains et le liant métallique.
Le but est de scanner une surface
d’une meule avec un capteur opti
que, afin de contrôler la rugosité de
la surface de la meule. L’évaluation
de la qualité de la meule se fait à
l’aide de résultats statistiques.
Principe de mesure
La microtopographie de la surface
d’un objet consiste à enregistrer
l’altitude z de chaque point de cet
te surface. Afin de déterminer cette
altitude sans devoir procéder par
focalisation dynamique, il faut pro
céder à un codage de l’espace de
mesure, autre que temporel.
Le principe utilise l’aberration chro
matique de la lumière. Selon la dis
tance de la surface à mesurer, une
certaine longueur d’onde de la lu
mière est reflétée. Par l’analyse du
spectre de la lumière reflétée, on re
çoit une mesure de distance.
Construction schématique du capteur optique
Le scanner
Le scanner est constitué de deux
tables de translation linéaire moto
risées permettant un balayage de
la surface de la meule et ainsi d’ac
quérir l’altitude en chaque point de
cette surface grâce au capteur op
tique fixé sur le dispositif. De plus, il
inclut un système de fixation rapide
afin que la construction puisse être
positionnée sur la machine.
Commande et acquisition des
données
La programmation des moteurs
du scanner, l’acquisition des don
nées et le traitement des données
ont été réalisés avec le logiciel Lab
VIEW. La programmation a été réa
lisée de façon à créer une interface
favorisant l’approche de l’opérateur.
Modèle CAD du dispositif
172
BI
Telemetry system for an implantable drug pump
Sensor Technology / Dr. Peter A. Neukomm
Expert: Rocco Crivelli, Staff Engineer, Codman Nero Science S.à.r.l (Johnson & Johnson), Le Locle
Mikrotechnik
Microtechnique
The drug delivery pump delivers medication e.g. morphine for pain control or infusion for diabetic
persons in the area of necessity. The pump is programmable via bidirectional telemetry so that the
doses of the medication can be adjusted to a patient‘s changing needs. In order to communicate
with the pump via transceiver, a coil antenna is integrated into the pump. In a preliminary test the
communication was suboptimal. The aim of the project was to improve the antenna to guarantee a
more reliable communication with the pump, optimize it and the corresponding electronic circuit for
minimal requirements to transmitting power.
Introduction
The pump is implanted abdomi
nally near the surface skin. It stores
medication in its refillable compart
ment which can be replenished via
a needle from outside the body.
The advantage of the pump is that
the medication is delivered intra
venously exactly to the location of
necessity via a catheter. Less medi
cation is needed and the interval of
taking the medication is reduced.
used e.g. in RFID applications like
in passports, animal identification
or transportation payment.
In a preliminary test the pump did
not show the desired performance.
The antenna was detuned. This led
to the consequence that the work
ing distance could not be guaran
teed any more.
Pump with catheter
Approach
Earlier experiments of Dr. P. A. Neu
komm already indicated parasitic ca
pacitive coupling within the winding of
the coiled antenna. This assumption
was confirmed. The antenna was
optimized by means of experiments
with coils of different characteristics
in various media, as well as several
isolation concepts against parasitic
capacitance. In addition software
simulation improved the under
standing of the system especially
helping to improve the correspond
ing electronic circuit. The result of
several changes is a system of vastly
improved performance.
[email protected]
078 637 7306
Implanted drug pump
Objective
The objective was to find how com
munication inside the body could
be further improved. In addition
to that, a more advantageous an
tenna was to be designed in terms
of gain in the power transmission
and extension of working distance.
Furthermore the electronic circuit of
the receiving antenna on the pump
was to be looked at in detail to find
possible improvements.
The difference of the environment at
the laboratory to the body is drastic.
In the body we have got body flesh
and fluid which influences the com
portment of the transmission quality.
The programmable pump allows
the physician e.g. to change the
doses of the medication in a non
invasive procedure to the changing
needs of the patient. This is done
by passive telemetry.
The passive telemetry allows a wire
less transmission of data or energy
without having an energy source
on the receiving side. By inductive
coupling of the coiled antennas
the energy is transmitted from one
side to the other. This approach is
Passive Telemetry
Alexander Däpp
1982
Daniel Stoll
1984
076 304 4445
[email protected]
173
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Scanning Digital Ophtalmoscope
Technique médicale / Prof. Dr. Jürgen Burger, Aloïs Pfenniger /MEM RC, Uni. de Berne, Hôpital de l’Île
Expert: Frank Zumkehr
Le diabète est la cause principale de la perte de la vision chez les personnes âgées. Pour stopper
la dégradation de la vue, on a recours à une opération où l’on utilise un laser. Celui-ci empêche la
croissance des vaisseaux sanguins responsables de la perte de la vision. Le but de ce travail de diplôme est, dans un premier temps, l’optimisation de la mécanique utilisée pour dévier le faisceau
laser et dans un deuxième temps, la réalisation d’une interface permettant la pleine utilisation de
l’appareil. L’automatisation de ce système apportera un soutien important au médecin, car l’utilisation manuelle est longue et répétitive.
Cédric Décosterd
1983
078 822 32 16
[email protected]
Avec l’âge, il peut arriver que des
malformations apparaissent sur la
rétine et perturbent la vue. En gé
néral, cela arrive lorsqu’une per
sonne est atteinte de rétinopathie
diabétique, une dégénérescence
du diabète. De fins vaisseaux san
guins indésirables se créent alors
sur la rétine pour essayer de com
bler le manque d’oxygène. Ces der
niers, très fragiles, éclatent généra
lement et la vue est ainsi troublée.
Le champ visuel est alors perturbé
par des taches sombres. Si rien
n’est entrepris, la maladie évolue et
la vue diminue constamment.
tions. Le déplacement du faisceau
laser par le médecin demande une
certaine habileté, une grande préci
sion et de la concentration. L’intérêt
de ce travail est de faciliter la tâche
du médecin et par la même occa
sion de diminuer le temps ainsi que
le nombre d’interventions pour les
patients. Pour cela, le laser n’est
plus dirigé manuellement mais grâ
ce à deux moteurs. Ils permettent
d’orienter un miroir avec une préci
sion qui doit atteindre 20 µm sur la
rétine. Pour caractériser le système,
il faut traiter et interpréter des don
nées acquises par un capteur PSD
qui remplace l’œil. Le traitement des
données se fait avec Matlab. Une
compensation du jeu sur les axes
des moteurs doit nous permettre
d’atteindre la précision désirée. De
nombreux programmes sont déjà
réalisés pour permettre à l’utilisa
teur de calibrer ou déplacer le sys
tème. Il est encore nécessaire d’y
ajouter la possibilité de contrôler les
moteurs avec un joystick. Pour ter
miner, l’ensemble des programmes
doit être facilement utilisable. Il faut
donc créer une interface depuis la
quelle l’utilisateur puisse accéder
aux différentes fonctions. C’est un
travail très intéressant qui comporte
une partie mécanique, électronique
et de la programmation. Dans le fu
tur, cet appareil va faciliter et amé
liorer la qualité des traitements réti
niens au laser.
Image de la rétine
Pour empêcher que des vaisseaux
sanguins ne continuent de se déve
lopper, on peut opérer le patient au
moyen d’un appareil muni d’un laser.
Ce traitement, appelé photo coagu
lation, permet d’arrêter l’évolution
de la maladie. Le travail s’est fait sur
un appareil utilisé actuellement pour
ces types de traitements. À la base,
le faisceau laser était manipulé mé
caniquement à la main par le mé
decin. Une opération dure environ
30 minutes, durant lesquelles 500
points sont traités. De plus, un trai
tement total nécessite 4 à 6 opéra
174
Scanning Digital Ophtalmoscope avec capteur PSD et système d‘automatisation du miroir
8JSNBDIFOBVT
.FOTDIVOE.BUFSJBM
FJOF&SGPMHTHFTDIJDIUF
(JFTTFSFJ
"OBMZUJL
)BMC[FVHGFSUJHVOH
8FSLTUPGGQSÊGVOH
.JLSPNFDIBOJTDIF'FSUJHVOH
&OHJOFFSJOH
2VBMJU´UTLPOUSPMMF
1SP[FTTLPOUSPMMF
3FmOJOH
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[JFMFONJUIPDIXFSUJHFO8FSL
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*OEVTUSJF[XFJHFOMBOHGSJTUJHF
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"MTVOBCI´OHJHF1BSUOFS
FOUXJDLFMOXJSJOOPWBUJWF
-ÄTVOHFO7PO&OHJOFFSJOH
4FSWJDFTÊCFSEJF1SPEVLUJPO
7FSQBDLVOHVOE-BHFSVOHCJT
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4PUSBHFOXJS[VN&SGPMH
VOTFSFS,VOEFOCFJ
$FOESFT.¹UBVY4"
10#PY
$)#JFM#JFOOF
1IPOF
JOGP!DNTBDI
XXXDNTBDI
%FOUBM
.FEJDBM
+FXFMMFSZ
8BUDIFT
3FGJOJOH
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Commande d’un modèle de colonne vertébrale scoliotique
Technique médicale / Prof. Dr Jürgen Burger
Expert : Martin Pfleiderer, dePuy
Dès son dépistage, la scoliose doit être traitée rapidement afin d’empêcher toute aggravation. Mais
lorsque la maladie prend des ampleurs alarmantes, la pose d’implants est inévitable.
Pour pouvoir tester ce type d’implants correcteurs de la scoliose, l’entreprise dePuy aimerait mettre
au point une colonne vertébrale artificielle reproduisant les courbures et les forces présentes dans
une colonne vertébrale réelle. La commande d’un tel système doit être capable de contrôler la position
et la force de chaque vertèbre.
Henrique Do Rego
1980
079 750 88 70
[email protected]
176
La maladie
La scoliose est une déformation,
dans les trois plans de l‘espace, de
toute ou partie de la colonne verté
brale. Cela peut entraîner de fortes
douleurs et des difficultés respira
toires pour les cas les plus graves.
Lorsque la déformation de la colon
ne vertébrale est trop importante et
qu’il n’est plus possible de contrôler
cette déformation par le traitement
médical, il devient impératif d’agir
par le biais d’une opération. De
nos jours, la méthode utilisée est la
fixation d’un ou plusieurs implants
sur les vertèbres. Ceux-ci corrigent
la courbe en exerçant de grandes
forces capables de redresser la co
lonne et d’empêcher le développe
ment de la maladie.
Pour améliorer la qualité des im
plants, il faut les tester afin de s’as
surer qu’ils ne comportent aucun
danger pour le patient. Dans cette
perspective, la conception d’une
Travail de diplôme
La première étape consiste à dé
velopper un programme capable
de gérer le déplacement et la force
produits par un piston, puis de gé
néraliser ce programme pour les
cinq pistons d’une vertèbre. Le de
sign de l’unité de contrôle doit te
nir compte de l’important espace
qu’occupe le système entier car
Travail effectué
Durant un travail de semestre, un lors de la dernière étape, il faudra
système mécanique reproduisant contrôler dix-sept vertèbres.
la cinétique entre deux vertèbres a Finalement, il devra être possible de
été conçu. Le mouvement dans les sélectionner une unique vertèbre,
trois plans de l’espace d’une ver de lui donner l’orientation désirée et
tèbre est assuré par cinq pistons. d’analyser son comportement face
Chaque piston est mû par une force à des contraintes extérieures telles
qu’un implant.
de type pneumatique.
colonne vertébrale artificielle ayant
des caractéristiques proches des
colonnes vertébrales humaines,
permettrait de simuler la déforma
tion de la colonne vertébrale sco
liotique et d’analyser la réponse de
celle-ci face à la force de redresse
ment d’un implant.
BI
Produktionskontrolle von EPI-Separatoren
Mikrotechnik
Microtechnique
Medizintechnik / Prof. Dr. Jürgen Burger; Dipl. Ing. David Aebi
Experte: Dipl. Ing. ETH Camillo Inversini, Ziemer AG, Port
Bei der EPI-Lasik (Epitheliale Lasik) Operation wird anstelle einer scharfen Stahlklinge ein Kunststoff-Separator verwendet. Dieser soll das Epithelgewebe der Cornea nicht durchschneiden, sondern entlang der Bowmannschen Membrane separieren, also abstreifen. Der vorderste Grat des
Separators ist analog zur Schärfe der Stahlklinge von grosser Bedeutung für die Qualität des entstehenden Flaps und den Heilungsprozess.
Ausgangslage
Zurzeit wird der Grat optisch unter
dem Mikroskop mit 100-facher Ver
grösserung beurteilt. Dies geschieht
zu Beginn des Spritzvorganges. Der
Prozess ist stark abhängig von der
Spritztemperatur und dem Material.
Die Schlusskontrolle besteht aus ei
ner optischen 100%-Kontrolle des
ganzen Separators im Reinraum.
Es soll eine Prüfvorrichtung kon
struiert werden, welche den Grat
charakterisieren kann (Länge, Di
cke, Struktur) und Ausschüsse au
tomatisch detektiert. Die Diplomar
beit ist eine Weiterentführung der
Semesterarbeit, bei welcher ein
geeignetes Messverfahren bereits
evaluiert wurde.
Hardware
Die zu prüfende Klinge liegt in einer
Halterung und wird mittels Linear
verstellern in X/Y-Richtung ver
schoben. Eine CCD-Kamera mit
Vergrösserungsobjektiv dient zur
Gratbreitenmessung. Die Kamera
erfasst den Grat und sendet das
Bild an den PC zur Bildverarbei
tung. Anschliessend wird der Grat
unter einem Weisslichtsensor an
verschiedenen Punkten gemessen
und die Dicke ermittelt. Die Klinge
wird abschliessend zurück zur Be
stückungsposition gefahren, wo sie
durch den nächsten Prüfling ersetzt
wird.
Software
Die Bildverarbeitung, Datenerfas
sung und Steuerung der Linear
verstellern erfolgt mittels LabView.
Die Programmierung der entspre
chenden VI’s erfolgte von Grund
auf neu, um eine grösstmögliche
Kompatibilität und Transparenz zwi
schen den einzelnen Programmtei
len zu gewährleisten. Im Testbetrieb
kommuniziert der Benutzer am PC
via GUI mit dem System. Vor der er
sten Messung besteht die Möglich
keit, alle relevanten Einstellungen
selbst vornehmen. Die erhaltenen
Messwerte der einzelnen Klingen
können “on the fly” herausgelesen
werden. Ein Algorithmus bestimmt
über die Qualität des Grates, womit
eine subjektive Kontrolle, und somit
eine mögliche Fehlentscheidung,
vermieden werden kann.
Christian Eggimann
1983
079 720 21 30
[email protected]
Prinzip der EPI-Lasik
Grat eines EPI-Separators unter 100-facher Vergrösserung
177
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Triangulator-Lichttaster mit Hintergrundausblendung
Optik / Prof. Christoph Meier; Anke Bossen
Experte: Patrick Bickel, Hy-Tech AG, Brügg
Optische Schalter werten die Intensität des diffus reflektierten Lichtes aus. In ungünstigen Anwendungsfällen kann es nun sein, dass störende Reflexionen im Hintergrund der Szene mit einem
vergleichbaren Betrag zur Empfangsamplitude beitragen wie das zu detektierende Objekt selbst.
Somit kann das Objekt nur schwer oder überhaupt nicht detektiert werden. Abhilfe schafft die Hintergrundausblendung, mit der eine scharfe Abgrenzung zwischen dem Detektionsbereich und dem
ausgeblendeten Hintergrundbereich erzeugt werden kann. Die Hintergrundausblendung wird meistens durch Triangulation realisiert und funktioniert auch bei starker Reflexion des Hintergrundes.
Roman Egli
1983
079 715 73 52
[email protected]
Prinzip
Mittels Triangulation wird erreicht,
dass der Sensor nur Objekte er
kennt, welche sich im Detektions
bereich befinden. Sender und
Empfänger sind im selben Gehäu
se untergebracht. Der Empfänger
wertet das vom Objekt reflektierte
Licht aus. Dabei erhält man zwei
Informationen. Erstens die Position
des Objektes und zweitens die Si
gnalform. Je nach Objektposition
wird die Reflexion an einer anderen
Stelle auf dem Empfänger abgebil
det. Aus dieser nicht linearen Ver
Prinzip der Triangulation
Ansteuerung und Auswertung
Mit Hilfe eines eigens entworfenen
LabVIEW-Programmes wird der
Sensor, genauer der Sender und
der Empfänger angesteuert und die
Daten des Empfängers ausgewer
tet und verarbeitet. Das Programm
wird soweit entwickelt, bis nur noch
ein Knopf für die Kalibrierung zur
Verfügung steht. Die Signalverar
beitung und Datenausgabe läuft
vollautomatisch ab.
schiebung lässt sich die Position
des Objektes im Detektionsbereich
bestimmen. Ist ein Objekt nun zu
weit entfernt, können die Refle
xionen nicht mehr abgebildet wer
den. Mittels der Signalform kann
Objekt
Sender-Spot
Sensor
Anwendung
Das Anwendungsgebiet optischer
Sensoren mit Hintergrundausblen
dung ist sehr vielseitig. Sie werden
unter anderem als Kontrollorgan in in
dustriellen Fertigungsprozessen ein
gesetzt. Folgende Aufgaben können
u.a. mit Lichttastern realisiert werden:
- Anwesenheitskontrolle
- Erkennen von minimalen Höhen
unterschieden
- Erkennen beliebiger Objekte vor
jedem Hintergrund
- Kantenerfassung
- Montageüberwachung
- Lagekontrolle
- usw.
Ausblick
Um den Sensor industrietauglich zu
machen, muss die Bauform minia
turisiert und die Intelligenz integriert
werden. So wird die grösst mög
liche Benutzerfreundlichkeit für den
Kunden erreicht.
Prototyp im Prüfstand
178
man entscheiden, ob es sich um
das Objekt oder um ein Störsignal
handelt. Anhand dieser Kriterien
kann ein Objekt eindeutig identifi
ziert werden.
Die Realisierung der Hintergrund
ausblendung mittels Triangulation
hat zum Vorteil, dass es eine rein
geometrische Messung ist. Deswe
gen haben Farbe, Form und Ober
flächenbeschaffenheit keinen gros
sen Einfluss auf das Messverhalten
des Sensors.
BI
Appareil horloger
Mikrotechnik
Microtechnique
Appareil horloger / Prof. Yves Mussard
Dans le cadre de l’étude de marché d’un système de remontage pour montres automatiques, nous
avons eu pour objectif de concevoir un système capable, en plus de remonter une montre, de respecter certains critères permettant au produit ainsi développé d’offrir au marché des perspectives
nouvelles. On a ainsi conçu un système de petite taille et d’un coût de fabrication relativement faible,
lui permettant d’être facilement incorporé dans un produit artistique et d’être en harmonie avec les
tarifs des montres de basse et de moyenne gamme.
Pour pouvoir offrir ce produit au
marché, il a été primordial d’en res
pecter les contraintes directrices
tels l’encombrement du système,
sa consommation en énergie, ses
émissions sonores ainsi que son
prix.
Dès lors, après une étude initiale
de divers profils de mouvement ap
tes à remonter une montre, il s’est
agit, outre de choisir le profil le plus
prometteur, de faire bon nombre de
simulations dynamiques de mouve
ment. Celles-ci ayant servi à déter
miner avec une bonne précision les
dimensions et les vitesses que le
système devait avoir pour satisfaire
diverses conditions. Ainsi que pour
pouvoir quantifier l’influence de ces
dernières. Ces conditions ont été :
- Une variation du couple de résis
tance du palier de la masse os
cillante de la montre.
- Une variation de l’inclinaison du
plan du système.
Les résultats de ces simulations
ont été vérifiés sur un banc d’essai
agrandi d’un facteur 2, dans le res
pect des lois de similitudes.
Un prototype du système a été réa
lisé. Il permet de garder une montre
en charge optimale grâce aux cy
cles de recharge de brève durée et
fréquents.
Son coût a été contenu grâce à l’uti
lisation majoritaire de composants
manufacturés produits en masse
par divers fabricants ainsi que par
le développement d’un système de
la plus grande simplicité possible.
L’alimentation électrique du systè
me se fait par un transformateur AC/
DC universel, que l’on branche sur
le réseau 230V/110V, permettant la
charge de l’accumulateur interne.
La charge est également réalisable
par une cellule photovoltaïque.
Les émissions sonores ont été limi
tées à moins de 30dB(A) par une
isolation efficace du boîtier. Le mé
canisme ne produit ainsi que de
très faibles nuisances sonores et
peut être utilisé partout.
Le faible encombrement du sys
tème a été obtenu par l’utilisation
d’une géométrie de mouvement de
remontage optimale ainsi que par
une gestion efficace de l’espace
disponible. Il offre, par-là, la possi
bilité d’incorporer l’ensemble soit
directement dans le coffret original
de la montre, soit dans un système
de remontage multi-usages ou en
core, avec quelques adaptations,
dans un ensemble destiné à mettre
en mouvement l’entier du coffret.
Mathias Graf
1984
079 244 21 84
[email protected]
179
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Flexibles Zuführsystem zur “Micro Factory”
Robotik / Prof. Yves Mussard
Ordnung ins Chaos bringen.
Kleinste Produkte wie zum Beispiel Uhren werden heutzutage meist von mannshohen Automaten
zusammengebaut. Vor ein paar Jahren wurde unter anderem an der BFH-TI mit der Entwicklung einer “Micro-Factory” begonnen. Die Idee davon ist, mehrere, nur einige Zentimeter grosse Roboter
zu einer Montagestrasse zusammen zu schliessen.
Die zu montierenden Einzelteile solch kleiner Produkte werden meist als Schüttgut angeliefert. Daher muss ein Zuführsystem entwickelt werden, um diese Teile zu ordnen und ausgerichtet in die
Montagestrasse einzuschleusen.
Tobias Häfner
1984
077 406 04 40
[email protected]
Marktsituation
Das Problem der Zuführung von
Teilen ist nicht neu in der Indus
trie. Konventionelle Zuführsysteme
funktionieren mit Vibrationen und
teilespezifischen
mechanischen
Komponenten. Sie sind relativ
gross und fehleranfällig. Zudem
muss man sie jedesmal umbauen,
wenn eine andere Art Teile zuge
führt werden soll.
Neuere, flexible Zuführsysteme be
dienen sich anstatt einer kompli
zierten Mechanik einer Kamera mit
Bilderkennung. Die auf dem Markt
Erhältlichen sind jedoch zu gross,
um für die “Micro-Factory” einge
setzt zu werden.
Ziel der Arbeit
Bei diesem Projekt geht es einer
seits darum, einen Prototyp eines
möglichen flexiblen Zuführsystems
für die “Micro-Factory” zu entwi
ckeln. Andererseits soll Theorie und
Know-how über das Handling von
Teilen im mm³-Bereich erarbeitet
werden. Diese Teile reagieren stark
auf Staubpartikel, Oberflächen
spannungen und elektrostatische
Kräfte. Daher ist ihr Verhalten auf
den ersten Blick ziemlich unbere
chenbar.
Ausblick
Dieses Projekt wird zusammen mit
der Industrie weitergeführt. Die Er
kenntnisse dieser Diplomarbeit tragen
dazu bei, ein flexibles Zuführsystem
für die “Micro-Factory” zu entwickeln.
Funktionsprinzip Flexibles Zuführsystem
180
Projekt
Ein einfacher Versuchsaufbau zeigt
das Grundprinzip eines flexiblen Zu
führsystems. Dieses funktioniert mit
einer rotierenden Scheibe, auf der
die ungeordneten Teile eine vibrie
rende Zone, das Blickfeld einer Ka
mera und den Arbeitsbereich eines
Roboters passieren. So werden sie
ausgerichtet, erkannt, lokalisiert
und schlussendlich vom Roboter
in die “Micro-Factory” transportiert.
Teile, bei denen dies nicht auf An
hieb gelingt, drehen auf der Schei
be weiter und durchlaufen den Pro
zess noch einmal.
Verschiedene Tests und Simula
tionen zeigen, dass dieses Prin
zip funktionieren kann. Sie zeigen
jedoch auch dessen Grenzen auf,
sowie den Einfluss von verschie
densten Parametern auf das Ge
samtsystem.
Der Einfluss der Vibration auf die
Teile wird mit einer Versuchsreihe
auf einem separaten Vibrations
modul getestet. Hier zeigen sich
die komplexen Einflüsse der Vibra
tionsart, der Oberfläche, Grösse,
Form und des Materials der Teile
auf deren Verhalten. Mit speziellen
Vibrationsarten kann man dies je
doch in den Griff kriegen und ver
schiedenste, faszinierende Effekte
erzeugen.
BI
Alternativer Hämodialysezugang
Mikrotechnik
Microtechnique
Medizintechnik Prof. Dr. Jürgen Burger
Experte: Dr. S. Farese, Universität Bern
Die Nieren sind lebenswichtige Organe. Sie befreien unter anderem den Körper von Abfallprodukten,
Fremdstoffen und Wasser, indem sie diese Stoffe aus dem Blut lösen. Der daraus entstehende Urin
gelangt anschliessend in die Blase und wird ausgeschieden. Menschen, bei denen die Nieren nicht
mehr ordnungsgemäss oder gar nicht mehr funktionieren, müssen sich einer Dialyse unterziehen.
Ohne Dialyse würde sich der Körper langsam vergiften. Für die Hämodialyse, dem meist angewandten Dialyseverfahren, benötigt man einen Gefässzugang (Vene). Während der Diplomarbeit soll
ein Implantat entwickelt werden, das eine neue Art von Gefässzugang ermöglicht.
Die Hämodialyse
Bei der Hämodialyse wird von einem
Gefässzugang Blut abgepumpt.
Darin muss ein genügend gros
ser Blut-Volumenstrom herrschen.
Dem Blut wird Heparin beigemischt,
was dafür sorgt, dass das Blut
nicht gerinnt. Anschliessend wird
das Blut durch einen Filter gepresst.
Er besteht aus 10000-15000 Kapil
laren, durch die das Blut fliesst. Um
die Kapillaren fliesst die Dialyseflüs
sigkeit. Durch die Poren der Kapilla
ren können nun Abfallprodukte und
Wasser vom Blut in die Flüssigkeit
gelangen. Blutkörperchen und an
dere benötigte Stoffe wie Proteine
werden wegen ihrer molekularen
Grösse zurückgehalten. Ebenfalls
verhindern die Poren, dass von
aussen Bakterien und Viren ins Blut
gelangen können. Nach einer Kon
trolle auf Lufteinschlüsse, kann das
gefilterte Blut wieder in den Körper
befördert werden.
Vorgehen
Die Erfahrungen des Inselspitals
Bern mit der Dialyse sollen in die
Entwicklung einbezogen werden.
Erkenntnisse aus verschiedenen
Bereichen der Medizin werden
kombiniert. Der daraus entstehen
de neue Ansatz für einen Gefäss
zugang könnte eine Alternative für
Schnitt durch Dialysefilter
die heutigen bekannten Methoden
bieten. Es wird ein Prototyp entwi
ckelt und hergestellt. Durch Funkti
onstests können erste Ergebnisse
gesammelt werden.
Ausblick
Die Weiterentwicklung des Pro
totyps sind Aufgaben für weiter
führende Arbeiten. Das Implantat
soll später in vivo getestet werden.
Schlussendlich ist das Ziel, das Im
plantat zu patentieren und für den
Gebrauch am Patienten freizuge
ben.
Simon Liniger
1985
076 500 84 59
[email protected]
Bemerkung: Aus patentrechtlichen
Gründen dürfen keine weiteren Ein
zelheiten weitergegeben werden.
Steuerung
Ausgangslage
Als Gefässzugänge werden heute
grundsätzlich Shunts oder Katheter
benutzt. Ein Shunt ist ein operativ
geschaffenes Blutgefäss, das aus
einer kurzgeschlossenen Arterie
mit einer Vene besteht. Die Katheter
bestehen grundsätzlich aus einem
Doppelschlauch, der ins Blutgefäss
führt und den Anschlüssen. Diese
sind entweder unter der Haut oder
ausserhalb platziert. Nicht selten
führen die heutigen Methoden zu
Komplikationen wie Thrombosen,
Gefässverschlüssen und Infektionen.
Filter
Pumpe
Hämodialysemaschine
181
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Datenakquisition für Patienten Bewegungsmonitor
Sensortechnik / Prof. Daniel Debrunner
Experte: Dipl. Ing. A. Reinmann, GAUSSTEC Ingenieurbüro GmbH
Durch den Einfluss von Medikamenten oder nach grossen Operationen kommt es häufig vor, dass
verwirrte Patienten unvorteilhafte Bewegungen im Bett ausführen, aufstehen oder sogar aus dem
Bett fallen. Dies kann zu erheblichen Verletzungen oder sogar zum Tod führen.
Daher sucht der Auftraggeber eine Überwachungseinheit um die Patientenbewegungen zu registrieren. Es sollte ein System sein, das anhand von zu erforschenden typischen Bewegungsmustern
frühzeitig Alarm auslöst und somit das Pflegepersonal schneller intervenieren kann.
Dominic Meister
1982
079 300 33 59
[email protected]
Ausgangslage
In der vorangehenden Semesterar
beit wurden vorhandene Produkte,
Patente und mögliche Sensorsys
teme analysiert. Anschliessend
wurde ein Katalog von Liegemu
stern und Risikosituationen erstellt.
Das Ziel der Diplomarbeit ist es mit
Hilfe eines auserwählten Sensorsys
tems Daten von Bewegungen des
Patienten im Bett aufzuzeichnen,
auszuwerten und ein geeignetes
Mustererkennungssystem zu reali
sieren.
Nr.
Vorgehen
Für die Analyse der Patientenbewe
gungen stehen zwei verschiedene
Beschleunigungs- und Drehraten
sensorensysteme zur Verfügung.
Diese Sensoren werden in der Di
plomarbeit “Sensorik für die Be
wegungsanalyse” (S.183) gegen
übergestellt, analysiert und die
Herstellerangaben verifiziert.
Die Sensoren werden für die Labor
tests um den Brustkorb und die
Beine geschnallt. Diese registrie
ren die Daten der Bewegungen und
senden sie via Bluetooth zum PC.
Ausgangsposition
Endposition
1
Barbara Rubi
1984
079 317 30 78
[email protected]
Drehbuchsituation Nr.1; Patient sitzt auf
Datenverarbeitung
Die gewonnen Daten werden mit
Hilfe von Matlab und Labview aus
gewertet. Anhand von mathema
tischen Funktionen können Weg,
Geschwindigkeit und Beschleuni
gung der Sensoren ersichtlich ge
macht werden.
Die Datenaufnahmen werden nach
einem erstellten Drehbuch ausge
führt. Dabei werden Ausgangsla
ge und Endposition definiert. Die
Bewegungen kann man an den
Graphen eindeutig nachvollziehen.
Dank der örtlichen Fallbeschleuni
gung von 1 g ändern die konstan
ten Beschleunigungswerte der drei
Achsen, z.B. wenn der Patient auf
sitzt. Die Rotationen des Körpers im
Bett werden durch den integrierten
Drehratensensor aufgezeichnet.
Anhand von diesen Auswertungen
wird ein Datenmuster erstellt, womit
die Software die Lage des Patien
ten erkennt. Dies erfolgt in einem
Labview-Programm, welches die
Echtzeitdaten ausliest und jede
gefährliche Situation dem Benutzer
meldet.
Durch dieses Patientenüberwa
chungssystem werden gefährliche
Bewegungen frühzeitig erkannt
und ungewollte Stürze aus dem
Spitalbett in Zukunft vermindert.
Beschleunigungsdatenauswertung der Situation Nr. 1
182
BI
Sensorik für die Bewegungsanalyse
Mikrotechnik
Microtechnique
Experte: Dipl. Ing. A. Reinmann, GAUSSTEC Ingenieurbüro GmbH
Beschleunigungssensoren erfreuen sich gegenwärtig in vielen Bereichen der Technik an grosser
Beliebtheit. Dies ist nicht erstaunlich – ein Blick auf deren breiten Einsatzbereich genügt. Dieser
reicht von Spielkonsolen über die Fahrzeugnavigation zu Bewegungsmeldern bis hin zu biomechanischen Bewegungsanalysen. Genauso breit wie ihr Einsatzgebiet ist auch die Produktpalette. Die
Bandbreite reicht von winzigen low-cost MEMS-Sensoren bis zu sechsachsigen Inertialmesseinheiten.
Klinische Ganganalyse
Bei der klinischen Ganganalyse
werden Stehen und Gehen mittels
Trägheitsnavigation untersucht. Das
Sensorsystem Sway Star erfasst
die Drehbewegungen um die Querund Längsachse mit hochpräzisen
faseroptischen Drehratensensoren
aus der Aviatik und kann so den
drohenden Fall einer älteren Per
son erkennen oder mit akustischem
Feedback
Schlaganfall-Patienten
mit Gleichgewichtsstörungen helfen.
Die verwendeten Sensoren bringen
jedoch in klinischen Anwendungen
massive Nachteile mit sich. Ins
besondere für die therapeutische
Nutzung wäre ein kleineres und
leichteres System mit geringem
Leistungsverbrauch komfortabler.
Das Hauptproblem liegt aber ein
deutig im immens hohen Preis für
faseroptische Kreisel.
Low-cost Sensoren
In der Semesterarbeit wurde die
Eignung von low-cost Beschleuni
gungssensoren für die Ganganaly
se untersucht. Als Testobjekt diente
der hochpräzise und sehr stabile
zweiachsige ADXL203 von Analog
Devices.
Die
winzigen
mikro-elektromechanischen (MEMS) low-g-Sen
soren bringen neben dem Preis
weitere Vorteile mit sich: Sie sind
klein, leicht und haben einen gerin
gen Leistungsverbrauch. Sie beste
hen aus einer durch Federn beweg
lichen aufgehängten Masse und
einer mit dem IC-Gehäuse verbun
denen, festen Struktur. Diese bei
den Teile bilden einen Kondensator,
dessen Kapazität sich proportional
zum beschleunigungsabhängigen
Plattenabstand verändert.
Inertiale Messeinheiten
Die Kombination eines triaxialen
Accelerometers mit einem triaxi
alen Drehratensensor bildet eine
inertiale Messeinheit mit sechs
Freiheitsgraden. Dieses System er
möglicht die Aufnahme aller für die
Navigation notwendigen statischen
und dynamischen Trägheitsmes
sungen.
Für die Diplomarbeit “Datenakquisi
tion für Patienten Bewegungsmoni
tor” (S. 182) wurden zwei sechsach
sige Sensorsysteme mit dem Sway
Star verglichen: Der ADIS 16350
von Analog Devices und der 3DMGX2 von Micro Strain, welcher zu
sätzlich ein triaxiales Magnetometer
beinhaltet und berechnete Orientie
rungen (Roll, Pitch, Yaw) liefert.
Beide Systeme basieren auf der
MEMS-Technologie. Die Drehra
tensensoren machen sich den Co
riolis-Effekt zunutze. Ein mikrome
chanischer Resonator wird in eine
bestimmte Richtung angeregt. So
bald eine Drehrate anliegt, erfolgt
aufgrund der Coriolis-Kraft eine
zweite zur Drehrate proportionale
Bewegung.
Der fehlende Drift und die relativ
hohe Stabilität machen diese bei
den Systeme für die aktuelle An
wendung zu einer echten Alternative
zum Faserkreisel.
Barbara Rubi
1984
079 317 30 78
[email protected]
Dominic Meister
1982
079 300 33 59
[email protected]
Ganganalyse mit akustischem Feedback.
Mehrfachsensorik für Tests
183
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Intelligente Hörgeräte
Medizinaltechnik / Prof. Dr. Jürgen Burger, Dipl. Ing. David Teutsch
Experte: Michael Ernst, Bernafon AG
Carolus Slovinec beschreibt Intelligenz als die “Fähigkeit Zusammenhänge zu erkennen” – d.h. also
Dinge, die geschehen, auf Grund ihrer Besonderheiten zu analysieren und zu verarbeiten. Beim
Menschen sind dafür die Sinne als Analyseinstrument, die Nerven als Leitung und das Gehirn zur
Verarbeitung der Informationen zuständig. Ein Gerät erhält diese “künstliche Intelligenz” durch das
Beifügen von Sensoren und Prozessoren, die anstelle eines Gehirns die Informationen verarbeiten.
Marius Rüfenacht
1979
[email protected]
Hören ist vermutlich der Wichtigste
unserer fünf Sinne, um mit unserer
Umwelt in Kontakt zu treten. Die
Klänge unserer Umwelt und die
Kommunikation mit anderen er
möglichen eine engere Verbindung,
als es über das Sehen allein mög
lich ist. Jeder kann unter verminder
ter Hörfähigkeit leiden, die durch
verschiedenste Faktoren entste
hen können: Sei dies altershalber
durch Schwerhörigkeit, Hörschä
den durch Unfälle, zu laute Musik
oder der Arbeitsumgebung. Heute
haben ca. 10 % der Weltpopulation
Hörprobleme – eine Hörhilfe besit
zen aber nur ca. 2.8 % !
Hörgeräte sind mit modernsten
Computertechnologien ausgestat
tet und verfügen über Funktionen,
die ein natürliches Hörerlebnis
nachempfinden. In den letzten Jah
ren wurden sie in ihrer Leistungsfä
higkeit und im Aussehen deutlich
verbessert, so dass sie mehr und
mehr getragen werden. Dennoch
ist es noch nicht möglich, das kom
plexe menschliche Gehör exakt
zu imitieren und zu ersetzten. Das
Gehör besteht aus dem Aussen
ohr (richtungsabhängige Filterung
des Schalls), aus dem Mittelohr
(Schallleitung) und dem Innenohr
(Verarbeitung des Schalls). Die Ge
hörschnecke (lat. Cochlea) ist wohl
etwas vom Komplexesten im
menschlichen Körper – eine Art
Fourriertransformator –, die den
schwierigsten Teil der technischen
Nachempfindung des mensch
184
lichen Gehörs darstellt ! Die Funk
tionen dieser Cochlea sind es, die
ein intelligentes Hörgerät versucht
nachzuempfinden, um ein mög
lichst “natürliches Klangerlebnis” zu
erzeugen.
und hört nur einen undefinierbaren
“Wortsalat”, weil durch den Innen
ohrdefekt die wichtigen Geräusche
von den Störgeräuschen nicht un
terschieden werden können. Die
se Problematik ist eine technische
Herausforderung auf dem Gebiet
der “Intelligenten Hörgeräte”, die in
Zukunft solche Probleme autonom
beheben werden. Es gibt heute
schon Geräte, die sich optimal an
Umgebungen anpassen und mit ei
ner selbstlernenden Elektronik aus
gestattet sind, die sich an die Vorlie
ben des Trägers anpassen, sich die
verschiedenen
Lautstärkeeinstel
lungen merken oder unangenehme,
plötzlich auftretende Störgeräusche
vollautomatisch abschwächen. Auf
Menschliches Gehör
gabe meiner Diplomarbeit war die
Auseinandersetzung mit einem Teil
Leidet ein Mensch an Schalllei aspekt eines Intelligenten Hörge
tungsschwerhörigkeit (Defekt des rätes, den ich zusammen mit einem
Aussen- und Mittelohrs) so können Industriepartner angeschaut habe.
mit einem konventionellen Hörge
rät, das den Schall verstärkt an das
Innenohr weiterleitet, sehr gute Er
gebnisse erzielt werden. Leidet eine
Person aber an einer häufigeren
Schallempfindungsschwerhörig
keit, die meist auf Schäden im In
nenohr zurückzuführen sind, so tre
ten neben der Abschwächung des
Signals auch eine Verzerrung der
wahrgenommenen
Schallanteile Intelligentes Hörgerät
auf. Dies ist die Ursache für den so
genannten “Cocktail-Party-Effekt”,
unter dem man die verschlechterte
Sprachverständlichkeit unter Stör
geräuschen versteht – Man spricht
an einer Party mit einer Person
BI
Resorbierbare Implantate in der CMF Chirurgie
Mikrotechnik
Microtechnique
Medizinaltechnik / Prof. Dr. Jürgen Burger; Dipl. Ing. Nicolas Bouduban
Experte: Jens Richter, Synthes GmbH
CMF steht für Cranio-Maxillofacial und bezeichnet die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Zur
CMF-Chirurgie gehören die operative Behandlung des Kiefers, des Gesichts und des Schädels, die
Rekonstruktion von Knochen nach Tumorresektionen sowie die Korrektur von Deformitäten. Wegen
der Narbenbildung wird in der CMF-Chirurgie darauf geachtet, dass möglichst minimal-invasive Zugänge genutzt werden. Deshalb werden auch immer häufiger resorbierbare Implantate eingesetzt,
da hierdurch ein Zweiteingriff zur Entfernung der Implantate vermieden werden kann.
Bei Operationen am Gesicht ist ein Schwerpunkt die
ästhetische Rehabilitation der Patienten. Deshalb wer
den möglichst minimal-invasive Zugänge genutzt.
Die Implantate aus resorbierbaren Polymeren
bieten daher eine attraktive Alternative
zu herkömmlichen Metallimplantaten.
Das Material besteht aus natür
lich im Körper vorkommenden
Bausteinen und ist biologisch
abbaubar. Die Resorption
erfolgt in zwei Schritten:
Die Polymerketten werden
durch Hydrolyse aufge
brochen und zerfallen in
Monomere, die weiter zu
CO2 und H2O abgebaut
und ausgeschieden wer
den. Die Degradationszeit
dieser Polymere beträgt
zwischen einigen Mona
ten und mehreren Jahren.
Durch die Kombination von
verschiedenen Polymeren
kann die Degradationszeit
variiert und der Anwendung
(Belastungszeitraum) angepasst
werden.
Resorbierbare Implantate haben den Vorteil, dass sie
sich im Körper nach der Erfüllung ihrer Funktion auflö
sen. Somit ist keine zweite Operation zur Entfernung
der Implantate notwendig. Den Patienten bleiben da
durch weitere Operationen erspart, die Morbidität ist
geringer und es werden sekundäre Kosten vermieden.
Da die Implantate aus röntgenstrahlendurchlässigen
Polymeren bestehen, gibt es auch keine Probleme
mit Röntgenaufnahmen oder anderen bildgebenden
Diagnoseverfahren. Für den Chirurgen haben sie den
weiteren Vorteil, dass sie seine Arbeit vereinfachen.
Das Anpassen der resorbierbaren Implantate an den
Knochen geht viel einfacher und schneller als bei den
Metallimplantaten.
Die resorbierbaren Implantate haben nicht nur Vorteile.
Polymerimplantate sind weniger stabil als herkömm
liche Metallimplantate. Deshalb können sie nur dort
eingesetzt werden, wo sie keine grosse Krafteinwir
kung erfahren. Der Chirurg muss deshalb auch beim
Einsetzten der Schrauben sehr vorsichtig sein. Es gibt
viele Kleinigkeiten auf die geachtet werden muss. Da
mit Schraube und Schraubenkopf nicht beschädigt,
das heisst funktionsuntauglich werden, muss beim
Bohren und Gewindeschneiden sehr genau gearbeitet
werden und das Festziehen der Schrauben erfordert
Feingefühl.
Sophie Rüfli
1985
079 746 13 17
[email protected]
Die resorbierbaren Implantate gewinnen immer mehr
Resorbierbare Implantate werden zur an Bedeutung in der Medizintechnik. Daher werden
Rekonstruktion und Frakturversorgung die bestehenden Implantate stetig verbessert, neue
am kraniofazialen Skelett verwendet, Designs entwickelt und nach neuen Werkstoffen ge
nicht aber für die Osteosynthese an last forscht.
tragenden Teilen des Unterkiefers oder für
andere lasttragende Bereiche in der Trau
matologie.
Schädel mit verschiedenen resorbierbaren Implantaten
185
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Caractérisation automatique d’ébauches par AFM
Mécatronique (Nanotechnique) Prof. Dr. Peter Walther, Ing. EPFL Fabien Mauris (Doniar SA)
Expert: Werner Baumgartner
La caractérisation de surface par microscope à force atomique est aujourd’hui réalisable avec un
appareillage relativement simple. Lorsqu’une mesure doit être effectuée sur différents échantillons,
les manipulations de positionnement de l’AFM prennent beaucoup de temps.
L’objectif de ce projet est d’automatiser les mesures pour une série de pièces horlogères diamantées
identiques, en construisant un posage et une gare de chargement pour les pièces, et d’optimiser les
réglages afin de réduire au maximum le temps de mesure. Les objectifs à long terme sont le contrôle
en cours de production et la mise en place d’un catalogue de défauts.
Marc-Antoine Sans
1979
076 521 70 56
[email protected]
L’entreprise Doniar SA est spéciali
sée dans la finition soignée de piè
ces d’horlogerie. Certains problè
mes de qualité ont été révélés lors
du contrôle. Cependant il est diffi
cile de déterminer à quel moment
de la production ces imperfections
apparaissent. Pour résoudre ce
problème, la caractérisation de sur
face par AFM a été proposée. Lors
du travail de semestre, des mesu
res ont été effectuées aux différen
tes étapes de production de même
que sur des pièces défectueuses
pour obtenir des images de surfa
ce ainsi que des valeurs de rugosi
té. Comme les résultats semblaient
prometteurs, il a été décidé d’auto
matiser le système pour réduire au
maximum les temps de mesures, le
nombre et la complexité des mani
pulations. A long terme, ce système
devrait permettre de réaliser le suivi
des pièces, la mise en place d’un
catalogue de défauts et l’améliora
tion de la stabilité du procédé du
traitement galvanique.
Dans le but de limiter l’encombre
ment, un système rotatif a été choisi
comme gare de chargement. Pour
pouvoir déposer aisément les piè
ces (vingt par série) et éviter une
perte de temps, le plateau de po
sage est amovible, ce qui permet
d’utiliser un plateau par série. La
construction a aussi été réalisée
dans le but de caractériser le plus
de pièces possible. Les posages
sont démontables et peuvent donc
être changés pour des pièces dif
186
férentes. L’AFM et la table rotative
sont commandés par un program
me en VisualBasic. Ce langage a
été choisi, car il est fréquemment
utilisé dans l’industrie. Le program
me permet, donc de réaliser les
mesures grâce à l’AFM, d’approvi
sionner ce dernier grâce au plateau
rotatif et enfin de traiter les résultats
obtenus (évolution des valeurs de
rugosité par série, évolution entre
les séries…)
Nanosurf easyScan 2 AFM
Dessin 3D du projet
BI
Precise Inkjet Printing
Mikrotechnik
Microtechnique
Optik / Dipl. Phys. Christoph Meier / Robotik / Dipl. Ing. ETH Yves Mussard
Experte / Dipl. Ing. FH Peter Gehr
Offizielle Dokumente wie Pässe, Identitätskarten, Zertifikate und Geld werden mit Hilfe von Sicherheitsmerkmalen geschützt, damit sie von Fälschern nicht kopiert werden können. Um den Betrügern
einen Schritt voraus zu bleiben, sind Sicherheitsfirmen gezwungen immer wieder neue Merkmale
zu konzipieren. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine solche Grundidee auf seine Machbarkeit zu
prüfen. Dabei muss eruiert werden, wie präzise und mit welcher Qualität mit einem OEM Druckmodul an ein bestehendes Objekt ein passergenauer Schatten gedruckt werden kann. Bevor der Druck
erfolgt, muss das Objekt zuerst auf einer beugungsaktiven Oberfläche gefunden werden.
Der perfekte Druck
Um einen qualitativ hochwertigen
Inkjet Druck zu erreichen, müssen
viele verschieden Parameter auf
einander abgestimmt werden. Als
Grundlage dient eine präzise Me
chanik, die das zu bedruckende
Papier parallel zum Druckmodul
ausrichtet. Mit Hilfe eines sauberen
Encodersignals kann die Drucker
steuerung die genaue Druckposi
tion ermitteln.
Die Wahl der Druckhöhe und Druck
geschwindigkeit ist massgebend für
die Präzision der Drucklinie. Wenn
die Geschwindigkeit zu hoch oder
der Abstand zu gross gewählt wird,
so steigt die Streuung der Tropfen,
was zu einer breiteren Linie führt.
entstehen lokale Gebiete, wo sich
die einzelnen Tropfen zu einem Ge
füge verbinden. In anderen Regio
nen fehlen diese abgewanderten
Tropfen. Es entsteht eine zufällige,
unregelmässige Musterung. Die
Qualität ist schlecht.
chen Objekten benützt werden. Der
Operator kann nun ein Blatt in belie
biger Ausrichtung unter die Kamera
legen. Anschliessend beginnt der
Scanvorgang. Nachdem das Bild
erfasst wurde, wird zuerst das Ob
jekt gesucht, dann der Schatten an
das Objekt gelegt, das Druckbild
generiert und schliesslich gedruckt.
Matthias Sarbach
1982
078 629 96 43
Kommunikation und Steuerung
Die Steuerung des ganzen Pro
zesses erfolgt über ein LabVIEW
Programm, welches eine Vielzahl
von Geräten und Programme über
verschiedene Schnittstellen an
sprechen kann.
[email protected]
Musterung bei 25-facher Vergrösserung
Diesen Effekt kann man unterdrü
cken, indem man entweder die
Oberfläche anpasst oder eine bes
ser geeignete Tinte verwendet.
Prozessablauf
Zu Beginn des Vorganges kann der
Operator ein Element auswählen,
an welches er einen Schatten dru
cken möchte. Dazu steht ihm ein ex
ternes Eingabegerät zur Verfügung
Tropfenstreuung bei 175-facher Vergrösse(Joystick), mit dem er die Kamera
rung (o.l. tief langsam, o.r tief schnell, u.l.
steuern kann. Hat er das Objekt
hoch langsam, u.r. hoch schnell)
gewählt, muss er in einem externen
Die Qualität des Drucks ist durch Grafikprogramm das Template und
die Interaktion zwischen der Sub dessen Schatten bearbeiten. Diese
stratoberfläche und der Tinte ge beiden Bilder werden anschlies
geben. Ist die Kohäsion der Tinten send in das Programm geladen.
tropfen grösser als die Adhäsion Die erhaltenen Daten können dann
zwischen Oberfläche und Tinte, so für beliebig grosse Lose von glei
Kommunikation
Das Visionsystem läuft über Fire
Wire, das Printmodul über TCP/IP,
die DAQ Karte wie auch der Joystick
über USB und die Kommunikation
zwischen Roboter und LabVIEW
benötigt die serielle Schnittstelle.
Durch die Reduzierung auf ein ein
ziges Programm wird dem Benut
zer ein mächtiges Tool zur Verfü
gung gestellt, mit dem eine leichte
Bedienung garantiert ist.
187
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Kostenoptimierung einer 5W Brennstoffzelle
Mechatronik: Prof. Dr. Peter Walther
Experte: Michael Bickel
Die Brennstoffzelle ist eine Technologie der Energiewandlung, die vielversprechende Vorteile wie
hohen Wirkungsgrad, lange Laufzeit und umweltfreundliche Stromproduktion aufweist. Brennstoffzellen im kleinen Leistungsbereich wird ein grosses Marktpotential vorausgesagt. Doch sie können
mit Batterien und Akkus erst dann konkurrieren, wenn sie günstig herstellbar sind. Denn der hohe
Preis der Brennstoffzelle ist zurzeit noch nachteilig.
Simon Schaffer
1981
076 567 55 16
[email protected]
Ausgangslage
Es wurde bereits ein 5W Brennstoff
zellensystem im vergangenen Jahr
entwickelt. Doch dieses System ist
noch aufwendig und die Herstel
lung entsprechend teuer. Dabei ist
der grösste Kostenfaktor die Her
stellung der Bipolarplatten, die die
Aufgabe haben, die Betriebsgase
Wasserstoff (H2) und Luft möglichst
gleichmässig auf beiden Seiten der
ionenleitenden Membrane, der sog.
MEA (Membrane Electrode Assem
bly) zu verteilen.
die Platten in einem Halbschnitt
verfahren serienmässig herge
stellt werden können. Aus diesem
Grund wurde als Material nicht
mehr Graphit verwendet, sondern
korrosionsbeständiges Metall, da
in der Zelle ein sehr saures Milieu
existiert, welches das Metall leicht
angreift. Es wurden daher auch
Versuche mit verschiedenen Edel
stählen und Nickel gemacht.
tung zwischen den Bipolarplatten
kann eine Graphit- oder Teflonfolie
verwendet werden. Die Endplatten
können aus thermisch isolierendem
Material gefertigt werden, damit die
Wärme in der Zelle bleibt. Um die
elektrischen Verluste zwischen der
MEA und der Bipolarplatte zu ver
kleinern wurde eine speziell struk
turierte Nickelfolie eingefügt.
Ausblick
Neuer Aufbau des Stappels
Die 5W Brennstoffzelle gilt als Ni
Der Wasserstoff wird über einen ge schenprodukt für Anwendungen,
eigneten Kanal der MEA zugeführt. bei denen Energie in tragbarer Form
Hingegen wird auf der Luftseite die über längere Zeit benötigt wird. Die
Bipolarplatte
Um den Preis der Bipolarplatte zu Luft direkt über den ganzen Stappel Attraktivität wird zunehmen, wenn
senken, wurde sie so strukturiert, geblasen. Damit wird erreicht, dass der Preis der Brennstoffzelle ent
dass sie beidseitig für die Gaszu die Zelle mit genügend Sauerstoff sprechend gesenkt werden kann.
fuhr verwendet werden kann. Wei versorgt und gleichzeitig gleich
ter wurde darauf geachtet, dass mässig gekühlt wird. Als Abdich
Aufbau der Brennstoffzelle
188
Bipolarplatte
Detailansicht der MEA
BI
Konstruktion und Steuerung Kommissionierautomaten
Mikrotechnik
Microtechnique
Experte: Dipl. Ing. Andreas Reinmann / GAUSSTEC Ingenieurbüro GmbH
In der optischen Industrie werden häufig Teile aus Glas verwendet. Im untersuchten Fall handelt es
sich um Glaskugeln. Diese kommen in verschiedenen Durchmessern von 1.0 mm bis 5.0 mm vor. Pro
Serie existiert jedoch nur ein Durchmesser. Die Serien enthalten 1000 bis 4000 Stück und müssen
für die Bearbeitung in 5er oder 10er Lots kommissioniert werden. Bisher wurde die Kommissionierung von Hand durchgeführt, was mit einem grossen Zeitaufwand verbunden war. Für die Kommissionierung wird nun ein Automat gebaut. In der vorangehenden Semesterarbeit wurde bereits die
Prinzipstudie dazu entwickelt. In dieser Diplomarbeit werden die Konstruktion und die Steuerung
dazu realisiert.
Aufgabenstellung
Der Automat muss für alle Kugel
durchmesser geeignet sein. Er
muss auf alle Grössen umgerü
stet werden können. Beim Betrieb
soll jeweils eine Kugel pro Sekun
de vereinzelt werden. Die Kugeln
werden in kleine Kunststoffbecher
abgelegt. Der Automat soll mit Sen
soren überwacht werden und bei
Fehlfunktion einen Alarm auslösen.
Die Kugeln dürfen beim Vereinzeln
nicht verschmutzt und auf keinen
Fall mechanisch belastet werden.
Konstruktion
Die Konstruktion besteht aus dem
mechanischen Teil und dem Hard
ware-Teil der Steuerung. Für den
mechanischen Teil werden Pneu
matik-Zylinder und ein elektrischer
Antrieb verwendet. Als Basis dient
eine Grundplatte, auf der die Me
chanik, der Hardware-Teil der Steu
erung und die Versorgung aufge
baut sind.
Der Automat funktioniert folgender
massen: Die kleinen Kunststoffbe
cher werden gestapelt in ein Ma
gazin eingefüllt. Die 1000 bis 4000
Kugeln werden von Hand in einen
Sammelbehälter gegeben. Von dort
aus vereinzelt jeweils ein Stab eine
Kugel. Diese wird von einem Va
kuumsauger an einem Schwenkarm
übernommen. Der Arm schwenkt
um 90° und legt dort die Kugel in
einen Becher ab, welcher zuvor aus
dem Bechermagazin vereinzelt wur
de. Sind genügend Kugeln im Be
cher, wird der nächste Becher aus
dem Magazin vereinzelt und in den
vorhandenen gestapelt. Dieser wird
anschliessend wieder mit Kugeln
gefüllt. Dies wird solange wiederholt,
bis zehn gefüllte Becher gestapelt
sind. Danach wird der Becherstapel
in eine Ablageschale transportiert.
Das ganze System ist mit Plexi
glasscheiben geschützt, damit die
Arbeitssicherheit gewährleistet ist.
Wird eine dieser Scheiben entfernt,
schaltet der Automat sofort aus.
Steuerung
Für den Software-Teil der Steuerung
wird eine geeignete Industriesteue
rung evaluiert und verwendet. Diese
wird eine benutzerfreundliche Visu
alisierung für die Bedienung aufwei
sen und ein Abbild der Anlage mit
allen wesentlichen Informationen
bieten. Die Bedienung erfolgt zen
tral über ein Panel mit Touchscreen.
Die verschiedenen Kugeldurch
messer werden vorpro-
grammiert und können nach
Wunsch angewählt werden. Alle
Prozessparameter, Aktoren und
Sensoren werden mit dieser Steu
erung verwaltet.
Ausblick
Der Kommissionierautomat wird im
nächsten Jahr von einem zukünf
tigen Diplomanden aufgrund dieser
Vorlage gebaut und fertig gestellt
werden. Weiter wird noch ein Be
nutzerhandbuch erstellt und der
Kunde im Umgang mit dem Gerät
geschult werden.
Thomas Schläfli
1982
076 580 27 26
[email protected]
Kommissionierautomat
189
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Simulation et mesure d’un capteur à corde vibrante
Technique des capteurs / Prof. Heinrich Schwarzenbach, Dipl. Ing. Giuseppe Cappadona, DIGI SENS A.G.
Expert: Dipl. Ing. Daniel Kneubühl, DIGI SENS A.G.
Ce travail se fait en collaboration avec l’entreprise DIGI SENS A.G. située à Morat. Développant de
nouveaux produits innovateurs et voulant constamment améliorer la qualité de ses produits, cette
entreprise est aujourd’hui le leader mondial dans le système de pesée à corde vibrante. Ce travail de
diplôme doit permettre à l’entreprise d’atteindre ses objectifs de perfectionnement et de développement de nouveaux produits grâce aux résultats obtenus.
Fabien Schlup
1985
079 322 02 91
[email protected]
De nos jours, il est de plus en plus
question de capteurs de force me
surant un poids ou une déformation.
L’entreprise DIGI SENS A.G. utilise
la technique des capteurs à corde
vibrante pour transformer la force
exercée sur le capteur en un signal
fréquentiel.
Ce travail est la continuation du
travail de semestre dans lequel les
résultats, qui étaient basés sur des
analyses théoriques avec le logiciel
FEM NX-Nastran, ne permettaient
pas d’arriver à des résultats réels,
du fait de la linéarisation, surtout
dans l’encastrement de la corde et
sur l’effet d’une corde sous précon
trainte.
Ce travail de diplôme consiste à ap
profondir les recherches, à détailler
les résultats d’analyses statiques et
modales avec un logiciel FEM non
linéaire d’une part, et d’autre part
avec des mesures sur vibromètre.
Les résultats détaillés obtenus de
vront être, ensuite, analysés pour
pouvoir proposer des améliorations
au capteur.
Simulation FEM
Le logiciel FEM ANSYS étant com
plexe, il a tout d’abord été nécessai
re de prendre connaissances des
fonctionnalités de celui-ci et ensui
te de commencer à faire des essais
de simulations. La non-linéarisation
impose une attention plus particu
lière aux propriétés mécaniques
des matériaux. Avant de procéder
aux simulations, la connaissance
des caractéristiques du logiciel est
donc primordiale au bon déroule
ment de celles-ci. Il n’existe aucun
modèle mathématique précis quant
à la résolution. De ce fait, il faut être
constamment à la recherche de
nouvelles possibilités de simula
tions, pour ensuite faire des com
paraisons.
Mesure sur vibromètre
Le vibromètre est un appareil per
mettant de mesurer la vitesse à un
point précis avec l’effet Doppler.
Ensuite, les vitesses sont conver
ties en fréquences grâce à une FFT
(Fast Fourier Transformation). Cet
appareil permet de faire des me
sures réelles sans contact, et ainsi
de pouvoir les comparer avec les
analyses FEM. Ces mesures étant
fiables, il est donc possible d’effec
tuer des modifications avec le logi
ciel ANSYS jusqu’à l’obtention de
résultats semblables.
Capteur à corde vibrante
Fréquences propres du capteur
190
BI
Messstation für Q-Faktor von Schwingsaitensensoren
Sensortechnik / Prof. Dr. Andreas Stahel / DIGI SENS AG, Murten / Emanuel Masel; Guiseppe Cappadona
Experte: Daniel Kneubühl, DIGI SENS AG, Murten
Mikrotechnik
Microtechnique
Die von DIGI SENS AG entwickelten und produzierten Wägeelemente basieren auf Schwingsaitensensoren. Die Sensoren sind zahlreich in Wiegschüttungen, Aufbauwaagen, Überfahrwaagen und
weiteren Anwendungen zu finden. In diesen Elementen wird die zu messende Kraft reduziert und auf
eine schwingende Saite übertragen. Durch die Änderung der Spannkraft ändert sich die Schwingfrequenz der Saite. Ein relevantes Qualitätsmerkmal dieser Sensoren ist der Gütefaktor des elektromechanischen Resonanzsystems. Es wurde eine Messstation entwickelt, welche eine schnelle und
präzise Messung des Gütefaktors erlaubt.
Ausgangslage
Das Interesse den Gütefaktor und
den Amplitudengang der Schwing
saitensensoren zu ermitteln ist
gross. So können neue Schwingsai
tensensoren entwickelt werden, die
es erlauben, die Sensoren energie
arm zu betreiben. Der Gütefaktor
der Schwingsaitensensoren konnte
bis jetzt nur aufwändig mittels eines
Vibrometers optisch ermittelt wer
den. Ein Vibrometer ist kostspielig in
der Anschaffung und aufwändig im
Betrieb. Es wird deshalb eine Mess
station entwickelt, welche eine ein
fache und schnelle Messung des
Gütefaktors ermöglicht.
Problemanalyse
Vorgängig wurde die Sensorelek
tronik während der Semesterarbeit
sorgfältig analysiert, mittels Simula
tionsprogrammen (OrcadeCapture
und Circuitmaker) und Vergleichs
messungen mittels einem Oszillos
kop machten dies möglich. In der
Diplomarbeit wird eine optimale
Messelektronik entwickelt um Am
plitudengang und Qualitätsfaktor
zu ermitteln. Die neue Messelektro
nik ist ein vollwertiger Ersatz für das
bisher vorhandene Messsystem,
welches keine zuverlässige Mes
sung des Qualitätsfaktors erlaubte.
Mit einem LabView-Programm wird
das Signal von der Messelektronik
erfasst und weiter verarbeitet. So
mit ist eine klare Darstellung der
Charaktereigenschaften des Sen
sors möglich.
Die Messstation
Es wird eine Messstation entwickelt,
welche schnell und einfach zu be
dienen ist. Die somit erhaltenen In
formationen des Schwingsaitensen
sors sind klar ersichtlich und geben
der Firma DIGI SENS AG die Mög
lichkeit ihre Sensoren noch leichter
zu optimieren. Somit kann auch das
erhoffte Ziel, den Sensor energie
arm zu betreiben, in Angriff genom
men werden. Der Messstand ist
vollständig in die Infrastruktur von
DIGI SENS AG integriert. Das auf
wändige und teure Vibrometer wird
somit überflüssig.
Andrea Schüpbach
1981
079 688 59 53
[email protected]
Anwendung: Überfahrwaage
Schwingsaitensensor
191
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Nichtlineare Positionsregelung eines Tripods
Mechatronik / Prof. Dr. Harald Wild
Experte: Dipl. Ing./MBA Jean Bäbler
Durch die zunehmende Miniaturisierung wird das Bedürfnis an Geräten, welche Objekte im Mikrometerbereich handhaben können, immer grösser. Hierfür setzen sich mehr und mehr mittels Piezo
aktoren angetriebene Parallelroboter durch, welche aber erhöhte Anforderungen an die Regelung
stellen. Um eine genaue Positionierung zu erreichen muss eine hohe Regelgüte erzielt werden. Des
Weiteren sind diese Systeme hochgradig nichtlinear, was eine klassische Regelung deutlich erschwert. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Positionsregelung eines solchen Systems entwickelt und umgesetzt.
Matthias Stadler
1980
078 841 75 85
[email protected]
Ausgangslage
arbeit wurde die Mechanik eines
sogenannten
Mikromanipulators
entwickelt. Es handelt sich hierbei
um einen Parallelroboter mit drei
Achsen (Tripod) und einem Arbeits
bereich von ungefähr 100μm. Die
Translationsbewegungen werden
mit Hilfe von Piezoaktoren realisiert.
Ziel der Diplomarbeit war es nun,
dieses System in Betrieb zu neh
men und eine möglichst gute Posi
tionsregelung zu erreichen.
Tripod
192
Das Konzept
Um die Sollposition anfahren zu kön
nen, muss diese zuerst in Gelenk
koordinaten umgewandelt werden.
Hierzu wurde eine klassische Koor
dinatentransformation gemacht.
Dieser Koordinatentransformation
kann nun ein Regelkreis unterlagert
werden, welcher das dynamische
Verhalten des Systems optimieren
soll.
In herkömmlichen Systemen wer
den normalerweise sogenannte
PID-Regler oder ähnliche verwen
det. Diese sind relativ robust und
einfach zu konzipieren. Die Regelgü
te lässt aber teilweise zu wünschen
übrig. Im Rahmen dieser Arbeit
wurde deshalb, um die Regelgüte
zu maximieren, eine Zustandsre
gelung implementiert. Dieser noch
heute als eher theoretischer Ansatz
geltende Regler besitzt den Vorteil
eine sehr hohe Regelgüte aufzuwei
sen. Dies beruht auf der Tatsache,
dass nicht nur die Position in den
Regelkreis rückgeführt wird, son
dern jegliche Zustände wie Position,
Geschwindigkeit und Beschleuni
gung. Oftmals sind aber, wie in vor
liegendem Fall, nicht alle Zustände
messbar. Einzig die Position des
Systems kann bestimmt werden.
Um trotzdem eine Zustandsrege
lung zu ermöglichen kann man sich
mit einem sogenannten “Beobach
ter” abhelfen. Dieser besteht aus
einem vollständigen, theoretischen
Modell der zu regelnden Strecke
und erlaubt somit die Rückführung
aller Zustände.
Zustandsregelung
Es musste somit ein physikalisches
Modell der elektromechanischen
Kopplung der Piezoaktoren wie
auch der Kraftübertragung auf die
Mechanik gefunden werden. Des
Weiteren mussten die bestehenden
Nichtlinearitäten
miteinbezogen
werden.
Durch verschiedene Messungen
konnten schlussendlich die cha
rakteristischen Grössen (Dämp
fung, Federkraft, etc.) des Systems
bestimmt werden und dadurch ein
realitätsnahes Modell gefunden
werden.
Dämpfungsverhalten des Tripods
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Aufbau des Modells einer skoliotischen Wirbelsäule
Medizintechnik / Prof. Dr. Jürgen Burger
Experte: Dr. Martin Pfleiderer, dePuy
Das mechanische Verhalten von Wirbelsäulenimplantaten soll getestet werden. Zu diesem Zweck
wird ein ansteuerbares Modell einer skoliotischen Wirbelsäule konstruiert. Im Rahmen einer
Semesterarbeit wurde vorgängig ein hydraulischer Zylinderprototyp konstruiert. Dieser soll in einem
ersten Schritt aufgebaut, entlüftet und getestet werden. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen
wird in einem weiteren Schritt ein Wirbelprototyp – zwei ansteuerbare, übereinanderliegende
Wirbelkörper – konstruiert.
Patrik Stirnimann
1983
031 301 74 71
[email protected]
Unter Skoliose (griechisch: skolios =
krumm) versteht man eine seitliche
Verbiegung der Wirbelsäule, die mit
einer Rotation der Wirbelkörper ein
her geht. Die Krankheit zählt zu den
Wachstumsdeformitäten. Sie ent
steht und verschlechtert sich häufig
während der Jugend und taucht bei
Mädchen ungefähr viermal häufiger
auf als bei Jungen. In rund 80% der
Fälle ist die Ursache unbekannt. Die
restlichen 20% entstehen als Folge
von Wirbelfehlbildungen, Nervenund Muskelerkrankungen, Erkran
kungen des Bindegewebes und
des Knochenstoffwechsels, durch
Beinlängendifferenzen oder Unfäl
le. Behandelt wird die Krankheit in
weniger schlimmen Fällen mit Kor
setttherapien. In schlimmeren Fäl
len werden operativ direkt an der
Wirbelsäule stabförmige Implantate
angebracht.
Frau mit Skoliose
194
Um solche (und insbesondere neu
artigere Nitinol-) Implantate zuver
lässig zu testen, soll das ansteu
erbare Modell einer Wirbelsäule
entwickelt werden. Es soll schlus
sendlich in der Lage sein, Verschie
bungen und Kräfte jedes einzelnen
Wirbels zu simulieren und zu mes
sen.
Skoliose im Röntgenbild, postoperativ
Es wird ein erster Wirbelprototyp
konstruiert, der aus zwei flachen,
zylinderförmigen Wirbelkörpern be
steht, die über ein zentrales Kugel
gelenk miteinander verbunden sind.
Die Neigung zwischen den Wirbeln
Der erste Wirbelprototyp
wird über drei innenliegende, hy
draulische Zylinder bewerkstelligt.
Die zusätzliche Rotationsbewegung
wird über zwei aussenliegende seit
liche Zylinder ermöglicht, die dem
jeweils obenliegenden Wirbel auf
eine Nase drücken. So ist es mög
lich, Neigungsbewegungen von bis
zu 15° und Rotationsbewegungen
von bis zu 5° anzufahren.
Zum Testen von Dichtheit, Ver
schleiss, Steuerung, und der Mon
tagefreundlichkeit wird in einem
Zwischenschritt ein stark verein
fachter Zylinderprototyp entwi
ckelt. Er besteht bloss aus einem
Geber- und einem Nehmerzylinder.
Der beiden Zylinder entsprechen in
Form, Abmessungen und Material
dem Steuerungs- und Arbeitszylin
der des ersten Wirbelprototyps. Der
Zylinderprototyp wird getestet und
gegebenenfalls laufend modifiziert.
Die Resultate der Tests fliessen in
das anschliessende Redesign des
Wirbelprototyps ein.
In einem weiteren Schritt soll der
überarbeitete Wirbelprototyp her
gestellt und getestet werden. Das
fertige Modell entsteht danach
durch Aufschichten mehrerer sol
cher Wirbelprototypen.
Testaufbau des Zylinderprototyps
BI
Foliensensoren für Einsatztemperaturen über 125°C
Mikrotechnik
Microtechnique
Sensortechnik: Prof. Heinrich Schwarzenbach
Experte: Daniel Schnorr, Contelec AG
Die Firma Contelec AG ist spezialisiert auf die Entwicklung und Produktion hochwertiger Sensoren
zur Winkel- und Wegmessung. Auf dem Markt sind Folientastaturen bis zu einer Einsatztemperatur von 75°C, vereinzelt auch schon bis 125°C, erhältlich. Gewisse industrielle Prozesse und Anwendungen erfordern eine deutlich höhere Einsatztemperatur. Bei dem neu entwickelten Produkt
handelt es sich um ein High-End-Potentiometer, welches gegenüber herkömmlichen Folientastaturen höheren Temperaturen standhält. Durch die Verwendung einer speziellen Folie sind auch unter
Dauerbelastung Temperaturen bis 150°C möglich.
Ausgangslage
Bei einzelnen Anwendungen sind
Folientastaturen für Temperaturen
über 125°C erforderlich.
Zum Einsatz kommen solche Sen
soren zum Beispiel in der Heckklap
pe eines Cabriolets, um den Winkel
des einzuklappenden Daches zu
erfassen. Bei längerer Sonnenein
strahlung kann sich der Sensor über
80°C erhitzen. Dies führt zu einer
Deformation der Folie, welche sie
dauerhaft zerstört. Im Rahmen der
Semester- und Diplomarbeit soll ein
neuer Foliensensor entwickelt wer
den, welcher die erhöhten Anforde
rungen erfüllt. Optimalen geome
trischen Masse (Breite, Dicke) der
Distanzfolie (Spacer) werden durch
Simulation und Verifizierungsmes
sungen ermittelt. Hauptziel der Ar
beit ist es, einen markttauglichen
Sensor zu entwickeln, welcher den
erhöhten Temperaturen standhält.
Entwickelte Lösung
Foliensensoren bestehen aus
mehreren Schichten, welche
durch einen Spacer vonein
ander isoliert sind. Auf der
einen Seite wird mittels Sieb
druckverfahren eine Wider
standsschicht aufgetragen. Auf
der anderen Seite der Kollektor
schicht befindet sich eine äusserst
gut leitende Beschichtung. Mittels
eines beweglichen Druckkörpers
wird die obere mit der unteren Fo
lie in Kontakt gebracht und dadurch
auf dem Widerstandselement mit
einem festgelegten Gesamtwider
standswert ein Spannungspoten
tial abgegriffen. Nach dem Prinzip
der Spannungsteilerschaltung kann
das Potentiometer als Sollwertgeber
und als Positionsmelder verwendet
werden.
Das neu gewählte Material zeichnet
sich durch seine ausserordentlichen
Hochtemperatureigenschaften so
wie einer guten Verschleissbestän
digkeit aus.
André Stöckli 1980
079 755 61 51
[email protected]
Foliensensor rotativ
Technische Merkmale
Die Kontaktelemente dieses
Foliensensors sind zwi
schen hochwertigen Folien
eingebettet. Der Sensor ist
durch seinen Aufbau sehr
funktionssicher und auf
grund seiner guten che
mischen Resistenz auch
in rauer Umgebung ideal
einsetzbar. Gekrimpte An
schlüsse gewährleisten das
einfache Einbinden in die
vorgesehene Applikation.
- Temperaturbereich von
-45° bis 150°C
- Nahezu unbeschränkte Auflösung
- Extrem flach (ca. 0.5 mm)
- Selbstklebende
Rückseite
- Hohe Lebensdauer
- Geringe Abnützung der
Widerstandsschicht
Prinzip des Foliensensors
Foliensensor linear
195
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Kühlung von Hochleistungsdiodenlasern
Optik / Prof. Heinrich Schwarzenbach; Fabrice Monti di Sopra, LASAG AG
Experte: Bruno Frei, LASAG AG
In modernen industriellen Lasersystemen für die Materialbearbeitung werden Hochleistungsdiodenlaser vermehrt eingesetzt. Einerseits zur direkten Bearbeitung der Werkstücke oder andererseits
als Ersatz für die kurzlebigen Blitzlampen, die als Pumpquelle eines Gas- oder Festkörperlasers
dienen. Die Kühlung dieser Diodenlaser mit mittleren Ausgangsleistungen bis 100W und Effizienzen
von ca. 50% stellen eine große Herausforderung dar; auf einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern entstehen 100W Wärmeenergie, die effizient über aktive oder passive Kühlsysteme abgeführt
werden müssen.
Tim von Niederhäusern
1983
079 751 85 36
[email protected]
Problematik
Die lange Lebensdauer, der klei
ne Platzbedarf und die um eine
Grössenordnung höhere Effizienz
machen Laserdioden (Typ III-IV)
zu einer äusserst interessanten
Alternative zu den grossen und
ineffizienten, dafür um ein Vielfaches
günstigeren Blitzlampen.
Bei der Umstellung auf Diodenla
ser sind deren kleine Dimensionen
sowohl Segen als auch Fluch, denn
auf einer Fläche von nur 15mm2
entsteht eine Heizleistung von bis
zu 100W.
Bei einer Temperaturerwärmung
von nur 10°C halbiert sich die Le
bensdauer der Laserdioden und
bereits geringe Änderungen der
Temperatur bewirken eine Verschie
bung der Wellenlänge mit einer Rate
von 0.3nm/°C, was zum Ausfall des
Systems führen könnte. Es ist da
her ungemein wichtig, dass die an
fallende Wärmeenergie möglichst
effizient abgeführt wird.
Umsetzung
Bei der Entwicklung des Kühlsys
tems wird in drei Schritten vorge
gangen. Während dem Sommer
semester 2007 wurden erste FEM
(Finite Elemente Methode) Simu
lationen des gesamten Diodenpa
ckages erstellt und ausgewertet.
Während der Diplomarbeit werden
in einer zweiten Phase bestehende
Kühlsysteme vermessen und mit
Ziel
Das Ziel der Diplomarbeit ist es, ein FEM simuliert. Diese Phase hat zum
Kühlsystem zu entwickeln, das bei Ziel, eine akkurate Simulation von
geringem Platzbedarf einen sta verschiedenen Kühlsystemen zu er
bilen Betrieb der Laserdioden bei stellen. In einer dritten Phase sollen
einer konstant tiefen Temperatur die Erkenntnisse aus den ersten bei
den Phasen dazu genutzt werden
ermöglicht.
ein möglichst optimales Kühlsystem
zu designen.
Prototyp eines Kühlsystems für Diodenlaser
Passives Kühlsystem für Diodenlaser (LASAG)
FEM-Analyse eines bestehenden passiven
Kühlsystems
196
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Modularer Tracker für die navigierte Felsenbeinchirurgie
Medizintechnik / Prof. Dr. Jürgen Burger; Prof. Dr. Tim Lüth; MiMed Technische Universität München
Experte: Dipl.-Inform. Mario Strauss
In den letzten Jahren werden zunehmend Navigations- und Assistenzsysteme in der Chirurgie verwendet. Die Hauptaufgabe der Navigationssysteme ist die Darstellung der Position von chirurgischen
Instrumenten relativ zu radiologischen Daten wie z.B. CT, MRT, Röntgen- oder Ultraschallbildern.
Neuere Assistenzsysteme verwenden das durch Lüth entwickelte Prinzip “Navigated Control”, um
die Leistung eines chirurgischen Instruments in Abhängigkeit der Position des Instruments relativ
zu einer präoperativen Planung zu begrenzen.
Thomas Wenger
1983
079 733 55 57
[email protected]
Problemstellung
Am Lehrstuhl MiMed der Tech
nischen Universität München wer
den Assistenzsysteme u. a. für die
HNO-Chirurgie entwickelt. Neben
reinen Navigationssystemen wer
den auch solche mit Leistungs
steuerung der manuell geführten
aktiven Instrumente entwickelt und
wissenschaftlich analysiert. Die zur
Navigation benötigten Lokalisatoren
werden am Kopf des Patienten be
festigt. Hierfür werden Kopfbänder
und
Knochenschraubenadapter
verwendet. Die klinische Einsetz
barkeit und Ergonomie des Designs
ist dabei von enormer Wichtigkeit.
Die bisherigen klinisch verwende
ten Trackerbefestigungen für die
Schädelmontage sind zu gross und
unflexibel. Der Tracker kann nicht
optimal auf die Navigationskamera
ausgerichtet werden. Zudem wird
der Situs teilweise verdeckt. Weiter
ist die Montage der Befestigung am
Patientenschädel für den Chirurgen
zu umständlich.
Aufgabenstellung
Ziel dieser Diplomarbeit war es, die
am Lehrstuhl MiMed entwickelten
HNO-Patiententracker um eine
modulare Trackerbefestigung für
die Schädelknochenmontage zu
erweitern. Die Trackerbefestigung
soll sich durch die folgenden Eigen
schaften auszeichnen:
Prototyp
Während dieser Diplomarbeit konn
te eine modulare Trackerbefestigung
realisiert werden, welche durch ihre
wenigen Teile und ihre drei Freiheits
grade den hohen Anforderungen
des Chirurgen gerecht werden
konnte.
Nach einigen Montage- und De
montagetests u.a. auch an Tier
- Modulares Konzept der Befesti knochen, wurde die realisierte
Trackerbefestigung zahlreichen Rei
gung
- Kleinstmögliche Abmasse der nigungsprozessen unterzogen.
Trackerbefestigung
- Einfache Montage der Trackerbe Klinischer Einsatz
festigungskomponenten, der Be Der realisierte Prototyp wurde noch
festigung am Patienten und am während der Diplomarbeit an der
Tracker
HNO-Klinik des Universitätsklini
- Kompatibilität mit dem existie kums Leipzig eingesetzt. Zuvor wur
renden MiMed HNO-Patienten den die nötigen Reinigungs- und
tracker
Sterilisationsprozesse durch die Kli
- Sterilisierbarkeit aller Komponen nik durchgeführt. Die modulare Tra
ten der Trackerbefestigung und
ckerbefestigung wurde erfolgreich
- Integration in den vorhandenen bei einer vollnavigierten Tumorent
MiMed HNO-Instrumentensatz
fernung im Bereich des Felsenbeins
durch OA Dr. Gero Strauss (Leiten
der OA und stellv. Klinikdirektor) ein
gesetzt.
Ausrichtungsproblem der bisherigen Trackerbefestigung mit einem DOF, bei einer
navigierten Operation am Felsenbein. Die
Prototyp der realisierten Trackerbefestigung mit drei DOF,
Fräse muss atypisch (unergonomisch) gehal-
ermöglicht optimale Ausrichtung auf die Kamera.
ten werden, um die gleiche Ausrichtung wie
der Patiententracker zu haben.
198
BI
Programmierbares Spektrometer für lokale Messungen
Mikrotechnik
Microtechnique
Optik / Dr. Toralf Scharf
Experte: Michael Doppler, Leica Microsystems (Schweiz) AG
In der Gerichtsmedizin und der Forensik werden kleinste Mengen verschiedenster Materialien untersucht. Dabei werden unterschiedliche Eigenschaften eines Präparates unter dem Mikroskop studiert. Wichtige Eigenschaften sind die Absorptions- und Reflektionsspektren. Da aber die untersuchten Proben nur in minimalen Mengen zur Verfügung stehen, braucht man ein universelles Gerät
zur Messung dieser Eigenschaften. Das entwickelte System erlaubt es, nur an bestimmten Stellen
im Gesichtsfeld zu messen, ohne dabei die Probe zu verschieben.
Aufbau
Wenn man im Labor spektrale Mes
sungen macht, benötigt man relativ
viel Licht um die Probe genügend
zu durchleuchten, und man kann
nur einen ganz bestimmten Bereich
des Gesichtsfeldes auswählen, da
er durch das mechanische System
gegeben ist. So muss man die Pro
be unter dem Mikroskop verschie
ben, wenn man an verschiedenen
Orten Messungen durchführen will.
Um diese Einschränkung zu um
gehen, hat das neue System eine
elektronische Blende, welche es
erlaubt, die zu messenden Stellen
einfach mit der Maus am Computer
auszuwählen. Als Blende dient ein
LCD (liquid cristal display) mit ei
ner Auflösung von 800 x 600 Bild
punkten (Pixel). Die Messungen
des Spektrums werden mit dem
Fourier Transform Spektrometer
(FTS) der Firma ARCoptix durchge
führt. Dieses erlaubt es, selbst bei
kleinsten Lichtmengen zu messen.
Das Mikroskoplicht wird mit einem
Strahlteiler auf das Spektrometer
und eine Kamera verteilt. Mit der
Kamera wird ein kontinuierliches
Bild aufgenommen, in welchem
man die Messbereiche auswäh
len kann. Mit optischen Elementen
wurde das Kamerabild so einge
stellt, dass nach dem Fokussieren
der Messprobe durch das Mikro
skop keine Nachjustierung mehr
nötig ist.
Aufbau
Systemübersicht
temübersicht). Einen wesentlichen
Teil nimmt die Bildverarbeitung
mit der Kamera und die Ansteue
rung der Blende ein. Dazu kommt
die Auswertung des Spektrums
und gleichzeitige Berechnung der
Transmission des Lichtes durch die
Probe.
Ergebnis
Am Ende kann der Benutzer am
Computer aus dem Livebild seiner
Probe einen oder mehrere Bereiche,
die es zu messen gilt, auswäh
len. Mit den gewählten Bereichen
wird eine Maske erstellt und auf die
Blende gelegt, welche nur noch an
Software
diesen Stellen lichtdurchlässig ist.
Hier besteht die Schwierigkeit, alle So wird auch nur noch an diesen
Komponenten mit LabVIEW (Ka- Stellen das Spektrum der Probe
mera, Blende und Spektrometer) gemessen.
gleichzeitig anzusteuern (siehe Sys
Daniel Widmer
1982
079 582 42 15
[email protected]
199
BI
Mikrotechnik
Microtechnique
Glukosemessung mit Ramanspektroskopie
Betreuer: Prof. Christoph Meier
Experte: Gerben Boer
Die Bestimmung der Glukosekonzentration im Blut ist mit Raman Spektroskopie im nahen Infrarotbereich prinzipiell möglich. Die Anforderungen an das Spektrometer sind allerdings sehr hoch, da
das Ramansignal extrem schwach ist. Ziel der Arbeit ist es für die spezielle Anwendung der Glukosebestimmung zwei verschiedene Spektrometertypen zu vergleichen und zu charakterisieren.
Daniel Zwicky
1983
079 397 72 17
200
Diabetes ist zu einer Massenkrank
heit geworden. Weltweit sind über
170 Millionen Menschen betroffen.
Für einen Diabetes-Patienten ist
es wichtig, den momentanen Blut
zuckerspiegel zu kennen um die
richtige Therapie anzuwenden. Es
gibt Testgeräte verschiedener Her
steller, mit denen der Blutzucker zu
Hause oder unterwegs einfach kon
trolliert werden kann. Dafür muss
man sich allerdings stechen um
eine kleine Blutprobe zu nehmen.
Da dies täglich geschieht, wäre es
für die Patienten eine grosse Hilfe,
wenn der Glukoseanteil schmerz
frei “von aussen” gemessen werden
könnte, ohne dass dabei eine Blut
probe entnommen werden müsste.
Mit der Raman-Spektroskopie ist
es grundsätzlich möglich mit Licht
den Zuckerspiegel schmerzfrei zu
messen.
Unter Raman-Spektroskopie ver
steht man die spektroskopische
Untersuchung der inelastischen
Streuung von Licht an Molekülen
oder Festkörpern. Bei der RamanSpektroskopie wird mit einem in
tensiven Laser auf die zu untersu
chende Materie eingestrahlt. Das
gestreute Licht wird danach spek
tral analysiert. Dabei werden Wel
lenlängen beobachtet, die gegen
die des eingestrahlten Laserlichts
spektral verschoben sind (Ra
manshift). Diese Verschiebungen in
der Wellenlänge entsprechen den
für das Material charakteristischen
Energieniveaus. Aus dem erhal
tenen Spektrum lassen sich damit
Rückschlüsse über die untersuchte
Substanz ziehen.
Diese Methode erlaubt es heute
bereits, quantitative Informationen
vom Glukoseanteil im Blut zu er
halten. Die technischen Mittel da
für sind allerdings sehr aufwendig
und teuer und nicht für den Alltag
geeignet.
Mit dieser Arbeit soll gezeigt wer
den, ob man nicht auch mit einem
herkömmlichen Spektrometer Infor
mationen über den Glukoseanteil in
einer Lösung und später in vivo er
halten kann. Ein besonderer Anreiz
dafür ist das neue Spektrometer
der Firma ARCoptix, das system
bedingt eine viel grössere Lichtaus
beute als marktübliche Gitterspek
trometer besitzt.
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