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antriebstechnik 7/2018

antriebstechnik 7/2018

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Nachjustieren mit dem Piezoeffekt Aktive Unterlegscheiben von Physik Instrumente für Präzisionsmaschinen Ändert sich innerhalb von Präzisionsmaschinen zum Beispiel für Laserbearbeitung oder Feinwerktechnik ein Soll- oder Ist-Maß zwischen zwei Komponenten, ist es oft erforderlich, dieses nachzujustieren. Häufig davon betroffen sind unter anderem optische oder messtechnische Einrichtungen sowie astronomische Geräte. Physik Instrumente hat mit piezobasierten Unterlegscheiben hierfür nun eine Alternative im Programm, die das Justieren vereinfacht und beschleunigt. Dr. Mathias Bach ist Leiter im Produktbereich Piezosysteme bei Physik Instrumente (PI) und Ellen-Christine Reiff, M.A., ist Redakteurin im Redaktionsbüro Stutensee Wenn in Präzisionsmaschinen Komponenten nachträglich justiert werden müssen, sind oft klassische, auf genaue Abstände geschliffene Unterlegscheiben das Mittel der Wahl. Diese haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass sie mechanisch eingebaut werden müssen, oft an schwer zugänglichen Stellen. Der Griff zum Schraubenschlüssel ist hier obligatorisch. Das ist aufwändig und zeitintensiv. Außerdem ist diese Art der Justierung nicht be liebig fein möglich und das einmal festgelegte Maß lässt sich nachträglich nur schwer ändern. Mit den piezobasierten Unterlegscheiben vom Typ Pirest hat Physik Instrumente hierfür nun eine praxisgerechte Alternative im Programm, die das Justieren vereinfacht und beschleunigt. Aufgrund der hohen Auflösung der Aktoren von wenigen Nanometern schließt das Anwendungen nicht nur im klassischen Ma schinenbau ein, sondern z. B. auch die Justage von optischen Komponenten in der Astronomie, Materialforschung in Synchrotrons, in Vakuumumgebungen oder in der Halbleiterfertigung. Set and forget Die piezobasierten Unterlegscheiben werden bereits bei der Konstruktion einer Maschine eingebaut; dabei sind sie – genauso wie andere Piezo-Aktoren des gleichen Herstellers – in nahezu beliebige Formen und Größen erhältlich, z. B. als Platten, Ringe, Zylinder oder auch in anwendungsspezifischen Formen. Sie werden ebenso wie die in industriellen Einsätzen aufgrund ihrer Langlebigkeit bewährten Picma-Aktoren in der patentierten Multilayer-Technologie hergestellt. Hier ist die eigentliche Piezokeramik – ein monolithischer Block, dessen aktive Schichten aus dünnen keramischen Folien bestehen – von einer vollständig keramischen Isolierschicht umgeben. Diese schützt vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom. In Industrie, Life-Science und Mikroskopie ebenso wie in Medizintechnik und Forschung beweisen die Multilayer-Aktoren immer wieder ihre Qualitäten; es sind keine Ausfälle im Feld zu beobachten. Der monolithische Piezokeramikblock eines Picma-Aktors erreicht selbst unter extremen Umgebungsbedingungen, z. B. in der Raumfahrt, eine hohe Zuverlässigkeit und erhöht die Lebensdauer um mehrere Größenordnungen. In einem Punkt unterscheiden sich die neuen Pirest-Aktoren jedoch von den Piezoaktoren, die für das Nachjustieren nicht geeignet sind. Bei klassischen Piezoaktoren muss i. d. R. die elektrische Spannung (Offset-Spannung) am Aktor aufrechterhalten werden, solange man die Auslenkung wünscht. Das hat für das Justieren 34 antriebstechnik 7/2018

SENSORIK UND MESSTECHNIK 01 Active Shims mit Nanometerauflösung und Langzeitstabilität: Justage mit piezobasierten Unterlegscheiben gleich zwei Nachteile: Bei der Ausstattung der Maschine müsste hierfür eine zusätzliche stabile Spannungsversorgung vorgesehen werden und die Lebensdauer der Aktoren würde leiden. Deshalb arbeitet die Pirest-Technologie in dem Fall anders: Sie basiert zwar ebenfalls auf Piezoaktoren, jedoch halten diese durch eine besondere Ansteuerung ihre Auslenkung nach der Justierung stabil und nanometergenau auch ohne Offset Spannung. 02 Die piezobasierten Unterlegscheiben werden bereits bei der Konstruktion einer Maschine eingebaut Active Shims mit Nanometerauflösung Der statische Abstand lässt sich durch kurzzeitiges Anlegen einer Versorgungsspannung am Pirest-Aktor einstellen. Dafür ist im Active Shim ein Spannungsanschluss vorgesehen, der lediglich beim jeweiligen Justageprozess an eine Spannungsquelle angeschlossen werden muss. PI bietet für diesen Prozess eine einfach zu verwendende Spannungsversorgung mit der passenden Ansteuerung an. Die dafür notwendigen Kabel können bereits beim Design der Maschine berücksichtigt werden und sind damit permanent im System verlegt. Nach dem Justieren wird dann die gewünschte Position ohne Spannung langzeitstabil gehalten, die Spannungsversorgung kann entfernt werden. Die Stabilität der Auslenkung hängt lediglich von der Änderung der Umgebungstemperatur ab. Langzeittests in einer auf 1 K temperaturstabilen Umgebung haben für einen Aktor mit 10 µm Nominalhub Driften von weniger als ± 100 nm gezeigt, unabhängig von der Auslenkung. Bei Standardprodukten liegt die maximale Auslenkung je nach Größe des Aktors zwischen 5 und 35 µm; durch geschickte Kombinationen der Active Shims ist die Ausrichtung in bis zu sechs Achsen möglich. Als Option können die Aktoren zudem mit einem Temperatursensor ausgestattet werden. Besonders die Justage an unzugänglichen Stellen vereinfacht sich durch die Active Shims, zumal die piezobasierten Unterlegscheiben selbst tonnenschwere Lasten halten können. Bei Bedarf lassen sich die Active Shims zudem mit klassischen Piezoaktoren kombinieren, z. B. für eine dynamische Schwingungskompensa tion. Typische Anwendungen für solche hybriden Systeme sind bspw. das Nach stellen der Brennebene während eines optischen Mess-/Scanvorgangs sowie die Steuerung eines Laserstrahls in der Messtechnik oder Materialbearbeitung. Fotos: Physik Instrumente www.pi.de Wir fertigen Stirnräder mit Innen- und Außenverzahnung, Zyklo-Palloid-Spiralkegelräder sowie Hirth-Stirnverzahnungen als eine der wenigen in einem Haus. Individuell nach Kundenwunsch! Einmalig. Wir produzieren alle gängigen Verzahnungsarten – in Premiumqualität. Vielseitig. Hagmann Zahnradfabrik GmbH Tel.: +49 (0) 71 64 / 94 30-0 Fax: -31 www.hagmann.de info@hagmann.de

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