620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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IEC 62061:2021-03
(2021)
This second edition cancels and replaces the first edition, published in 2005, Amendment 1:2012 and Amendment 2:2015. This edition constitutes a technical revision.
This edition includes the following significant technical changes with respect to the previous edition:
– structure has been changed and contents have been updated to reflect the design process of the safety function,
– standard extended to non-electrical technologies,
– definitions updated to be aligned with IEC 61508-4,
– functional safety plan introduced and configuration management updated (Clause 4),
– requirements on parametrization expanded (Clause 6),
– reference to requirements on security added (Subclause 6.8),
– requirements on periodic testing added (Subclause 6.9),
– various improvements and clarification on architectures and reliability calculations (Clause 6 and Clause 7),
– shift from "SILCL" to "maximum SIL" of a subsystem (Clause 7),
– use cases for software described including requirements (Clause 8),
– requirements on independence for software verification (Clause 8) and validation activities (Clause 9) added,
– new informative annex with examples (Annex G),
– new informative annexes on typical MTTFD values, diagnostics and calculation methods for the architectures (Annex C, Annex D and Annex H).
As a result of automation, demand for increased production and reduced operator physical effort, Safety-related Control Systems (referred to as SCS) of machines play an increasing role in the achievement of overall machine safety. Furthermore, the SCS themselves increasingly employ complex electronic technology.
IEC 62061 specifies requirements for the design and implementation of safety-related control systems of machinery. This document is machine sector specific within the framework of IEC 61508.
Im Jahre 2010 bot die Hochschule Offenburg ein Medizintechnikstudium mit dem Schwerpunkt ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ als Bachelor- und später auch Masterstudiengang an. Ziel des auf diesen Schwerpunkt ausgelegten didaktischen Lehrkonzeptes ist die Vermittlung sofort anwendungsbereiten theoretischen Wissens und praktischen Könnens, welches die Absolventinnen und Absolventen in ihrer künftigen Berufsausübung in der Industrie oder als technische Partner der behandelnden Ärztinnen und Ärzte in hochspezialisierten klinischen Einrichtungen benötigen.
Aufgrund fehlender kommerzieller Angebote ist zur Umsetzung dieses Lehrkonzeptes die ingenieurtechnische Realisierung geeigneter Lehrmittel zwingend erforderlich. Dies betrifft die hard- und softwareseitige Erstellung visueller Demonstrationsmöglichkeiten für pathologische und implantatinduzierte Herzrhythmen, sowie die synthetische Bereitstellung originalgetreuer elektrokardiographischer Ableitsignale aus der klinischen Routine. Des Weiteren den Aufbau von in-vitro Trainingssystemen zu Therapien mit elektronischen kardiologischen Implantaten sowie zur Hochfrequenz-Katheterablation.
Insbesondere die Wahlfächer ’Programmierung von Herzschrittmachern’ und ‚Programmierung von Defibrillatoren’, deren Besuch den Teilnehmenden einen besonders raschen Berufseinstieg ermöglichen sollte, wurden in didaktischer Hinsicht in engem Bezug zum 4-Komponenten-Instruktionsdesign-Modell der Lehre gestaltet.
Durch den kontinuierlichen Einsatz der Instrumente der formativen Evaluation gelangen sowohl deutliche Verbesserungen am Gesamtkonzept der Lehrveranstaltungen als auch an den dort eingesetzten, selbst realisierten Lösungen des benannten speziellen Lehr- und Trainingsequipments.
Eine summative Evaluation des Lehrkonzeptes ist aufgrund seines Alleinstellungsmerkmals schwierig. Aus diesem Grund erschien die quantitative Prüfung des Einflusses eines Besuchs des praktisch orientierten Wahlfachs ’Programmierung von Herzschrittmachern’ auf die Note der kombinierten Abschlussklausur in den Fächern ’Elektrokardiographie’ und ’Elektrostimulation’ sinnvoll. In diese Evaluation eingeschlossen wurde eine Kohorte von 221 Studierenden, 76 Frauen und 145 Männer, von denen 93 am Wahlfach nicht teilnahmen und 128 die es besucht hatten.
Über 7 zusammengefasste Studienjahre zeigte sich, dass die praktische Ausbildung im Wahlfach ’Programmierung von Herzschrittmachern’ das Leistungsniveau der Studierenden der Medizintechnik in der kombinierten Abschlussprüfung ’Elektrokardiographie und Elektrostimulation’ deutlich beeinflusste.
Das im Rahmen dieser Arbeit mitgestaltete Lehrkonzept, die realisierten Lehrmaterialien und Lehrumgebungen wurden im Bachelor- und Masterstudiengang der Medizintechnik an der Hochschule Offenburg in den Praktika, Seminaren und Vorlesungen des Schwerpunktes ’Kardiologie, Elektrophysiologie und elektronische kardiologische Implantate’ vielfältig genutzt. Sie ermöglichten die Gestaltung interaktiver praktischer Weiterbildungsveranstaltungen für ärztliches und mittleres medizinisches Personal und für auf diesen Gebieten tätige medizintechnische Firmen.
The paper describes the implementation of practical laboratory settings in a virtual environment. With the entry of VR glasses into the mass market, there is a chance to establish educational and training applications for displaying some teaching materials and practical works. Therefore our project focuses on the realization of virtual experiments and environments, which gives users a deep insight into selected subfields of Optics and Photonics. Our goal is not to substitute the hand on experiments rather to extend them. By means of VR glasses, the user is offered the possibility to view the experiment from several angles and to make changes through interactive control functions. During the VR application, additional context-related information is displayed. By using object recognition, the specific graphics and texts for the respective object are loaded and supplemented at the appropriate place. Thus, complex facts are supported in an informative way. The prototype is developed using the Unity Engine and can thus be exported to different platforms and end devices. Another major advantage of virtual simulations to the real situation is the high degree of controllability as well as the easy repeatability. With slight modifications, entire experiments can be reused. Our research aims to acquire new knowledge in the field of e-learning in association with VR technology. Here we try to answer a core question of the compatibility of the individual media components.
It is important to minimize the unscheduled downtime of machines caused by outages of machine components in highly automated production lines. Considering machine tools such as, grinding machines, the bearing inside of spindles is one of the most critical components. In the last decade, research has increasingly focused on fault detection of bearings. In addition, the rise of machine learning concepts has also intensified interest in this area. However, up to date, there is no single one-fits-all solution for predictive maintenance of bearings. Most research so far has only looked at individual bearing types at a time.
This paper gives an overview of the most important approaches for bearing-fault analysis in grinding machines. There are two main parts of the analysis presented in this paper. The first part presents the classification of bearing faults, which includes the detection of unhealthy conditions, the position of the error (e.g. at the inner or at the outer ring of the bearing) and the severity, which detects the size of the fault. The second part presents the prediction of remaining useful life, which is important for estimating the productive use of a component before a potential failure, optimizing the replacement costs and minimizing downtime.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Rissschließeffekten für Risslängen im Übergangsbereich von mikrostrukturell kurzen und mechanisch kurzen Rissen für zwei Probengeometrien. Als wichtige Bewertungsgrößen eines Ermüdungsrisses dienen die Rissöffnungsspannung und die zyklische Rissspitzenöffnung. Im ersten Teil der Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des mikrostrukturellen Einflusses in der Rissspitzenumgebung auf die Rissschließeffekte bei Risswachstum. Im hierfür verwendeten Finite-Elemente-Modell wird um die Rissspitze eines Oberflächenrisses in einer quasi unendlich ausgedehnten Platte eine zufällig angeordnete Kornstruktur erzeugt. Zur Beschreibung des mikrostrukturellen Materialverhaltens wird ein Einkristallplastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung eingesetzt. Das Werkstoffverhalten der umliegenden Platte wird mit einem in Abaqus/Standard vorhandenen homogenen von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung beschrieben. Insgesamt werden fünf unterschiedliche Mikrostrukturen simuliert und mit dem rein homogenen Werkstoff verglichen. Die zyklische Belastung erfolgt dehnungskontrolliert ohne Mitteldehnung im Modus I für zwei makroskopische Dehnungsamplituden im Bereich der Fließdehnung und deutlich oberhalb davon. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissschließen, hervorgerufen durch unterschiedliche Kornorientierungen, Form und Größe der Körner und durch Korngrenzen. Bei niedriger Belastung zeigen die Mikrostrukturen mehr Rissschließeffekte verglichen zum homogenen Modell. Mit steigender Belastung nimmt bei allen Simulationen das Rissschließen ab. Der relevanteste Rissschließmechanismus ist das plastizitätsinduzierte Rissschließen, welches bei höherer Belastung durch Aufrauen der Rissflanken zusätzlich rauhigkeitsinduziertes Rissschließen verursacht.
Mit einem zweiten Finite-Elemente-Modell wird das Rissschließen und die Entwicklung der zyklischen Rissspitzenöffnung für den viertelskreisförmigen Riss in der dreidimensionalen Corner-Crack-Probe unter spannungskontrollierten isothermen und anisothermen TMF-Beanspruchungen untersucht. Hierfür findet ein temperaturabhängiges Abaqus/Standard von Mises Plastizitätsmodell mit kinematischer Verfestigung und Kriechansatz Anwendung. Alle Simulationen zeigen eine deutliche Beeinflussung der Bewertungsgrößen an der freien Probenoberfläche und im Probeninneren. Das Rissschließen nimmt mit steigender Belastung und mit zunehmend positiven Mittelspannungen ab. Zudem werden bei niedrigeren makroskopischen Belastungen geringere zyklische Rissspitzenöffnungen an der Probenoberfläche als in der Probenmitte beobachtet, was in direktem Zusammenhang mit dem Rissschließen steht. Die thermomechanischen Simulationen zeigen mehr Rissschließen für eine Belastung in Phase, verglichen zu einer gegenphasigen Beanspruchung.
The nonlinear behavior of inverters is mainly influenced by the interlocking and switching times of the semiconductors. In the following work, a method is presented that enables the possibility of an online identification of the switching times of the semiconductors. This information allows a compensation of the non-linear behavior, a reduction of the locking time and can be used for diagnostic purposes. First, a theoretical derivation of the method is made by considering different cases when switching of the inverter and deriving identification possibilities. The method is then extended so that the entire module is taken into account. Furthermore, a possible theoretical implementation is shown. After the methodology has been investigated with possible limitations, boundary conditions and with respect to real hardware, an implementation in the FPGA is performed. Finally, the results are presented, discussed
and further improvements are presented in an outlook.
Statik Verständnisaufgaben
(2021)
Dieses Buch ist ein Lehrbuch, allerdings kein klassisches. Es gibt keine seitenlangen Erklärungen, stattdessen wird die Theorie in Form von Aufgaben eingeführt. Wichtige Formeln und Zusammenhänge wie die Schwerpunktsformeln, die Beziehung zwischen Biegemoment und Querkraft oder die Euler-Eytelwein-Formel können anhand von halbfertigen Skizzen und anderen Lösungs\-hinweisen selbst hergeleitet werden. Zum besseren Verständnis tragen auch die vielen Kontrollfragen zu grundlegenden Prinzipien und Fachbegriffen bei. Beispielsweise soll anhand einer an einem Seil hängenden Kiste der Unterschied zwischen dem Wechselwirkungsprinzip und einer Gleichgewichtsbedingung erläutert werden, oder man soll angeben, wie die abgebildeten Lager heißen: Loslager, Festlager oder doch eine feste Einspannung? Dieses Buch ist auch ein Übungsbuch, eines mit vielen Hilfestellungen. Aufgaben werden abgewandelt oder sollen auf unterschiedlichen Wegen gelöst werden, um ein Gefühl für die optimale Herangehensweise entwickeln zu können. Über allem steht das große Ziel, Studierende von Ingenieurstudiengängen bestmöglich auf die Statik-Prüfung vorzubereiten.
Die Verständnisaufgaben werden ergänzt durch zwei Formelsammlungen, mit denen sich eine Statik-Klausur lösen lässt. Die Gleichungen und Regeln der Lern-Formelsammlung sind von so elementarer Bedeutung, dass sie jeder Ingenieurstudent auswendig können sollte. Formeln und Lösungsstrategien, die aufgrund ihres etwas anspruchsvolleren Inhalts nicht jeder im Kopf haben muss, finden sich in der Klausur-Formelsammlung.
The Project "Schluckspecht" of the University of Offenburg consists of participating in the European marathon called "Shell Eco-Marathon"(SEM) which consists of designing and building from the beginning a vehicle with the greatest possible energy efficiency. The University of Offenburg has participated in this project since 1998.
The team that forms the Schluckspecht project is made up of around 30 students from the faculties of mechanical engineering, process engineering, electrical engineering, medical technology and computer science, as well as the degree in Audiovisual Communication. The team was founded in 1998 and since then students have been developing and building high efficiency vehicles to participate in the European marathon Shell Eco.
In this project, students can put into practice all the theoretical knowledge obtained during their studies. Also can be learned how to work interdisciplinarity as a team, a skill that for now, many companies or require or seek.
The following topics are discussed in the Schluckspecht project, which are also ideal for the work of students:
-Conception construction and production of high efficiency vehicles.
-Computational design and manufacture of lightweight components and sets.
-Development of lightweight components and sets from renewable raw materials.
-Construction and development of special test benches, for example: motor test bench.
-Implementation and optimization of control strategies for autonomous driving
-Mechanical and electrical integration of sensors for autonomous driving
-Ergonomic studies and optimization of the driver's cabin.
The objective of the project is to develop and manufacture research vehicles that make individual mobility as efficient as possible from an energy point of view. To achieve this, current and future issues of the industry are discussed. In this project, both the theoretical and practical part of the light construction of vehicles and the reduction of friction, the variety of propulsion concepts (electric thrusters, fuel cells, diesel/petrol engines, Stirling engines) and autonomous driving are investigated. The services of the University of Offenburg together with some external partners are grouped together to make this wonderful project work.
Das Black Forest Formula Team hat es sich nach der Neugründung im Jahre 2019 zum Ziel gemacht, mit einem eigens konstruierten Elektro-Rennwagen beim Formula Student Germany (folgend FSG genannt) Wettbewerb teilzunehmen.
Zu Beginn der Bachelorarbeit wurde bereits ein Fahrzeugrahmen konstruiert und in der Schweißwerkstatt der Hochschule Offenburg fertig geschweißt. Da bei der Konstruktion der Hauptfokus auf das Fertigstellen eines Rahmens gesetzt wurde, verfolgt diese Bachelorarbeit das Ziel, den Rahmen mittels der Finite Elemente Methode zu analysieren und erste Verbesserungsvorschläge für das Nachfolgerfahrzeug zu erarbeiten. Um sich seinen Möglichkeiten bewusst zu werden, wurde zunächst das Reglement ausgiebig studiert. Nach ausgiebiger Recherche wurde das CAD-Modell des Rahmens für die Simulation vorbereitet, folglich durch verschiedene Lasteinwirkungen simuliert und dessen Auswirkungen analysiert. Um die Simulationsergebnisse zu validieren, wurden die in der Simulation vorkommenden Lasteinwirkungen in der Realität nachgestellt und miteinander verglichen.
Für zukünftig folgende Fahrzeugrahmen werden Verbesserungs- bzw. Optimierungsmethoden erarbeitet, um vor allem das Fahrzeuggewicht zu zu reduzieren und die Steifigkeit möglichst hoch zu halten.