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antriebstechnik 10/2017

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SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Hochleistungsfähig Messsystem bietet höchste Präzision bei der Bewegungssteuerung Das für anspruchsvollste Anwendungen auf dem Gebiet der Bewegungssteuerung konzipierte High-End-Messsystem Vionic kombiniert Filteroptiken von Renishaw mit einer individuell angepassten Interpolation und einem Überwachungs-Asic, das die dynamische Signalverarbeitung fördert und die Signalstabilität verbessert. Somit sind keine zusätzlichen externen Interface- Einheiten erforderlich. Die Baureihe Vionic wurde mit dem Ziel entwickelt, ein hochleistungsfähiges System mit kleinstmöglicher Gesamtsystemgröße anzubieten, das gleichzeitig gute Leistung in Bezug auf zyklische Fehler, Jitter, Geschwindigkeit, Auflösung und Genauigkeit liefert. Es stehen zwei Vionic Abtastkopfvarianten zur Auswahl. Der Vionic Standardabtastkopf besitzt einen zyklischen Fehler von < ± 30 nm, eine Reihe verfügbarer Auflösungen von 5 µm bis 20 nm und Geschwindigkeiten über 12 m/s. Alternativ wird für anspruchsvollste Leistungsanforderungen der Vionic Plus angeboten, der den kleinsten zyklischen Fehler in seiner Klasse von < ± 10 nm, geringen Jitter von < 1,6 nm RMS und Auflösungen von 100 bis nur 2,5 nm bietet. Messsysteme mit geringem zyklischem Fehler sind zur Minimierung von Gleichlaufschwankungen unabdingbar, was bei Anwendungen mit gleichbleibender Geschwindigkeit wie Laserscannen wichtig ist. Zielanwendungen für Vionic sind solche, die höchste Präzision bei der Bewegungssteuerung erfordern. Hierzu zählen insbesondere die Mikrofertigung, die Mikropositionierung und die Herstellung von Präzisionsoptiken. Dieser Artikel erläutert, welche entscheidende Rolle solchen hochleistungsfähigen Messsystemen zufällt. Mikrofertigung Mikrofertigung ist eine Disziplin, die sich mit der Herstellung kleiner Bauteile mit Albert Rundel ist Produktmanager bei der Renishaw GmbH in Pliezhausen Abmessungen von ein paar Millimetern oder weniger befasst. Die Größen der Mikrostrukturen sind so gering, dass sie von herkömmlichen Werkzeugmaschinen nicht erreicht werden können. In der Mikrofertigung verwendete Verfahren werden von maskenbasierten lithografischen Verfahren abgeleitet, wie sie in der Halbleiterindustrie Anwendung finden. Änderungen dieser Standardverfahren haben zu verschiedensten neuen Ansätzen geführt. Die Lasermikrobearbeitung und insbesondere die Verwendung von (gepulsten) Excimerlasern zur Herstellung von 3-D-Mikrostrukturen, haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die meisten Excimerlasersysteme verwenden ein Verfahren, das als Maskenprojektion bekannt ist, und bieten eine hohe Merkmalauflösung, genaue Tiefenkontrolle, gute Vergleichspräzision und die Möglichkeit, große Werkstückbereiche abzudecken. Bei einer Maskenprojektion wird das Tiefenprofil mikrostruktureller Merkmale durch die Dauer, Leistung und Strahlform des Laserpulses kontrolliert. Die Strahlposition auf einem Werkstück wird direkt von einem X-Y-Präzisionsbewegungstisch gesteuert. Ein Vorteil dieser Systeme ist ihre Flexibilität bei einer Reihe von Aufgaben im Bereich der Mikrotechnik. Beispielsweise ist Synchronised Overlay Scanning (SOS) eine Arbeitsweise, bei der die Maske und das Werkstück während des Laserbearbeitungsprozesses synchron bewegt werden. SOS findet in der Druck-, Halbleiter- und Flachbildschirm- Industrie Anwendung. Da die Maskenprojektion einen Verkleinerungsfaktor vorsieht, muss die Maske beim synchronisierten Scannen um denselben Faktor schneller und in entgegengesetzter Richtung verfah­ ren. Dies wird durch hochpräzise Bewegungssteuerung per Rückmeldung vom Positionsmessgerät erreicht. Das Messsystem wird normalerweise zur Bestimmung der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Werkstücks in Bezug auf die Maske verwendet, damit das Steuerungssystem die gewünschte Anzahl Laserpulse über den gesamten Belichtungs bereich beibehalten kann. Dies setzt angesichts der Folgen von Fehlerpropagation auf Zeitableitungen ein Messsystem mit hoher Genauigkeit voraus. Mit der zunehmenden Miniaturisierung und Komplexität von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und anderen Mikrogeräten wird die Nachfrage nach Messsystemen mit besserer Genauigkeit und höherer Leistung steigen. Mikropositionierung Ein Mikropositioniertisch ist eine flache Positioniervorrichtung zur Lageregelung im Submikrometerbereich. Führende Hersteller legen bei der Konstruktion im Allgemeinen zwei Ansätze zugrunde: Zum einen die Verwendung von Drehmotoren und mechanischen Verbindungen, um die rotatorische Bewegung in eine lineare Bewegung in der X-, Y- und Z-Richtung umzuwandeln, zum anderen die Verwendung von Linearmotoren zur Vermeidung von Getriebe und Vereinfachung des kinematischen Aufbaus. Die bevorzugte Anordnung von Positionsmessgeräten ist diejenige, bei der die Maßverkörperung an der Nutzlastplattform anstatt dem Motor angebracht ist. Dies ermöglicht eine präzise Bewegungssteuerung durch das Fehlen von Verbindungen zwischen dem Messsystem und dem gemessenen Objekt. 62 antriebstechnik 10/2017

Fehler (mm) SENSORIK UND MESSTECHNIK Parallele kinematische Konstruktionen, wie auch Hexapoden, arbeiten häufig mit rotatorischen Servomotoren, um Kurbeln oder Leitspindeln für die Betätigung des Tisches zu steuern. In einem Beispielsystem verlangsamen Übersetzungen den Servoeingang in Bezug auf den Ausgang und senken die erforderliche Drehmotorauflösung sowie das anliegende Drehmoment um einen erheblichen Faktor. Inverse kinematische Gleichungen erlauben die Bestimmung der Motorposition anhand der Daten des Messsystems in der linearen X-Y-Achse allein über die Implementierung eines virtuellen Codierverfahrens. Die Motoren werden dann über Stellglied-Beugungswinkel gesteuert, die anhand der gemessenen Verschiebung des Lineartisches berechnet werden. Ungenauigkeiten im Messsystemausgang wirken sich stark auf die Präzision der angewiesenen Bewegung aus, wodurch die Tischleistung insgesamt beeinträchtigt wird. Hochleistungsfähige Messsystemlösungen sind in diesem Fall angemessen und notwendig. Mikropositioniertische finden u. a. bei der Positionssteuerung für Halbleiter-Fotolithografie und Gensequenzierungsverfahren Anwendung. Fertigung von Präzisionsoptiken Das hochpräzise CNC-Polieren der Linsen ist der letzte Verfahrensschritt in einem Linsenfertigungsprozess. Zum Polieren von sphärischen oder asphärischen Flächen mit CNC-Maschinen werden Formwerkzeuge eingesetzt, die der finalen Linsenform angepasst sind. Die Werkzeugöffnung (Polierfläche) ist in der Regel groß – entsprechend der zweifachen Linsenöffnung – aber auch Subapertur-Polieren ist möglich. 01 80 60 40 20 0 –20 –40 –60 Zyklischer Fehler: Vionic und Vionic Plus –80 0 20 40 60 80 VIONiC Interpolierter Fehler – 10 Encoder-Zyklen VIONiCplus Die Materialabtraggeschwindigkeit beim optischen Polieren hängt vom Werkzeugdruck und der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück ab. Während des Prozesses wird ein Poliermittel aufgetragen, während das Polierwerkzeug über die Linsenfläche entlang eines vorbestimmten, computergesteuerten Pfades verfahren wird. Subapertur-Poliersysteme sind hochpräzise Maschinen, mit denen sich Formen realisieren lassen, deren Produktion mit herkömmlichen Verfahren zu kostspielig wäre. Beim Subapertur-Polieren wird das Werkzeug zuerst für eine bestimmte Zeit mit einem repräsentativen Bauteil in Kontakt gebracht, um die Polierrate zu bestimmen. Dies dient als Grundlage für die deterministische Oberflächenkorrektur der Linse. Der nächste Schritt ist 100 120 140 160 180 200 Lesekopfposition (µm) 02 Aufbau des High-End- Messsystems Vionic die Feststellung des Vorwärtsabtragproblems durch Simulation der Werkzeugbahn beim Überqueren der Optik. Das inverse Problem wird dann gelöst, um die für die gewünschte Fläche erforderlichen Prozessparameter zu erstellen. Die Lösung bestimmt die exakte Verweilzeit des Werkzeugs in jeder Position, den Werkzeugdruck und die entsprechende Werkzeuggeschwindigkeit. CNC-Maschinen zum Polieren von Linsen bestehen aus einer Vielzahl von Achsen einschließlich X-, Y- und Z-Achse. Beispielsweise umfasst eine Poliermaschine normalerweise eine Basis mit bi-direktionalen X- und Y-Achsen­ Lineartischen zur Kontrolle der Werkstückposition in der X-Y-Ebene. Außerdem ist die Polierwerkzeugspindel normalerweise an einer Drehachse montiert, die an einem Vertikalschlitten am Maschinengestell befestigt ist. Das Werkstück wird ebenfalls an einer separaten Spindel montiert, die orthogonal zur Werkzeugspindel verläuft. Profilungenauigkeiten von < 0,5 µm bei einer fertigen Präzisionslinse sind üblich. Kompakte Messsysteme mit hoher Präzision und Genauigkeit sind für eine hochverstärkte Positions- und Geschwindigkeitsregelung bei den meisten vorgenannten Achsen erforderlich. Die Werkzeuginteraktion mit dem Werkstück führt unweigerlich zu hochfrequenten Störungen. Eine Erweiterung der Bandbreite des Servoregelkreises ist zur Beseitigung von Fehlern erforderlich, die Oberflächenrauheit hervorrufen. Ungenauigkeiten beim Polieren von Linsen führen häufig zum Verlust eines Werkstücks und sind kostspielig. Hochentwickelte Messsystemlösungen sind sowohl im Hinblick auf Kosten als auch die Leistung in dieser Branche gerechtfertigt. www.renishaw.de antriebstechnik 10/2017 63

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