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1. MARINELLO U A 2007 MARINELLO F BARIANI P PASQUINI A DE CHIFFRE L BOSSARD M UND PICOTTO G B In crease of maximum detectable slope with optical profilers through controlled tilting and image processing In Meas Sci Technol 18 2 2007 S 384 389 MARTIN U WICKRAMASINGHE 1994 MARTIN Y UND WICKRAMASINGHE H K Method for imaging sidewalls by atomic force micros copy In Appl Phys Lett 64 19 1994 S 2498 2500 Seite 102 von 106 Literaturverzeichnis MASUZAWA U A 1993 MASUZAWA T HAMASAKI Y UND FUJINO T Vibroscanning method for nondestructive meas urement of small holes In Annals of the CIRP 42 1 1993 S 589 592 MELI U KUNG 2007 MELI F KUNG A AFM investigation on surface damage caused by mechanical probing with small ruby spheres In MST 18 2007 S 496 502 MESSZENTRUM QFM 2012 MESSZENTRUM QFM Ausstattung Messraum www messzentrum de ausstattung messraum aufgerufen am 02 12 2012 MURALIKRISHNAN U A 2005 MURALIKRISHNAN B STONE J A UND STOUP J R Fiber deflection probe for small hole metrol ogy In Precision Engineering 30 2005 S 154 164 NEUSCHAEFER RUBE U WISSMANN 2007 NEUSCHAEFER RUBE U WISSMANN M Taktil optischer 3D Mikrotaster Anordnungen und Messmethoden In PTB Mitteilungen 117 4 2007 S 390 396 OH U ESCUTI 2007 OH C UND ESCUTI M J Numerical analysis of polarization gratings using the finite difference time domain method
2. Nach Erfassung des analogen Sensorsignals erfolgt die weitere Signalverarbeitung im DSP W hrend den Arbeiten wurde bei einer Modernisierung die DSP Einheit ausgetauscht was zu einem ver nderten Vorgehen bei der Sensorkonfiguration und den verf gbaren Befehls s tzen f hrte Ein grundlegender Unterschied ergab sich in der F higkeit anstatt nur 1D Sensoren auch 3D Sensoren zu verwenden und damit verbunden eine Abstandsregelung in drei Dimensionen durchzuf hren Soweit nicht anders vermerkt wird im Folgenden die Sensorintegration mit der 3D f higen DSP Einheit beschrieben Die Signalverarbeitung ist vom Aufbau f r einen taktilen Sensor ausgelegt der bis zu sechs auslenkungsproportionale Ausgangssignale sowie Positionssignale liefert ber ein Polynom dfritter Ordnung werden die digitalisierten Eingangswerte in eine Auslenkung f r die X Y und Z Achse umgerechnet Die Auslenkungen werden ber die Federkonstanten des Tastsystems in eine korrespondie rende Antastkraft umgerechnet die f r die Arbeitspunktregelung und Maximalwert berwa chung genutzt wird Wenn anstelle eines taktilen 3D Sensors ein 1D Sensor oder ein nicht taktiles System installiert werden soll muss der Anwender eine Adaption an das beschriebe ne Schema durchf hren und quivalente Parameter berechnen F r den elektrischen Sensor wird analog der Simulation eine Antastung in Z Richtung d angenommen womit die Poly nomialkoeffizienten f r X und Y Auslenkung alle null s
3. Linear Vorhersagend Lagrange Vorhersagend Aitker Nevile TE Analysierend Average Slope m 0 0 5 1 100 0 Quadratsumme der Abweichungen 100 m Maximale Abweichung 00mm 0 6 mm 1 2 mm 1 8 mm Normiert auf klassische Messung Rotationswinkel Ideal Begrenzt PETE LEE Le Bild 29 Links Simulierte Messung mit Sensorrotation auf einem Sinusprofil mit linear vorhersagender Strategie Rechts Statistischer Vergleich verschiedener Strategien Seite 38 von 106 Simulation des Rotationsprinzips 4 4 2 Nebeneffekte und Sonderfalle Neben den statistischen Ergebnissen auf den Testoberflachen wurden wahrend der Simula tion zu berucksichtigende Nebeneffekte identifiziert sowie Sonderfalle betrachtet Flankenkollision Bei der gezeigten sinusoidalen Oberfl che wurde der maximale Rotationswinkel begrenzt um Flankenkollisionen zu vermeiden Falls dies nicht geschieht bzw Kollisionen ungeplant auftreten k nnen durch die Strategien suboptimale Winkel berechnet werden oder eine Os zillation auftreten Das Sinusprofil wurde erneut simuliert diesmal mit nun einem zu hohen Rotationswinkel von 45 und einer wissensbasierten trivialen Strategie d h die Neigung wird nur auf Basis des Idealprofils berechnet und tats chliche Abweichungen werden nicht be r cksichtigt Bild 30 zeigt hierzu grafische Ergebnisse direkt aus der Simulationsumgebung mit farblich codierter Abweichung gr n lt 1 um gelb lt 5 um rot
4. BUTEFISCH U BUTTGENBACH 1999 BUTEFISCH S UND BUTTGENBACH S Silicon Three Axial Tactile Force Sensor Taktiler Drei komponenten Kraftsensor In Technisches Messen 66 5 1999 S 185 190 B TTGENBACH U A 2006 BUTTGENBACH S BRAND U B TEFISCH S HERBST CH KRAH T PHATARALAOHA A UND TUTSCH R Taktile Sensoren fur die Mikromesstechnik In VD Berichte 1950 2006 S 109 118 BYRNE U A 2003 BYRNE G DORNFELD D UND DENKENA B Advancing cutting technology In Annals of the CIRP 52 2 2003 S 483 507 CLAVERLEY U LEACH 2010 CLAVERLEY J D UND LEACH R K A vibrating micro scale CMM probe for measuring high as pect ratio structures In Microsyst Technol 16 2010 S 1507 1512 CUI U A 2012 Cul J Li L UND TAN J Opto tactile probe based on spherical coupling for inner dimension metrology In Meas Sci Technol 23 2012 ID 085105 DAI U A 2009 DAI G BUTEFISCH S POHLENZ F UND DANZEBRINK H U A high precision micro nano CMM using piezoresistive tactile probes In Meas Sci Technol 20 8 2009 ID 084001 DANZEBRINK U A 2006 DANZEBRINK H U KOENDERS L WILKENING G YACOOT A UND KUNZMANN H Advances in Scanning Force Microscopy for Dimensional Metrology In Annals of the CIRP 55 2 2006 S 841 878 DE CHIFFRE U HANSEN 1995 DE CHIFFRE L UND HANSEN H N Metrological Limitations of Optical Probing Techniques for Dimensional Measurements In Annals of the CI
5. HULTZSCH E UND WINHOLD H Funktionstoleranz und MeBunsicherheit In Wis senschafltiche Zeitschrift der Technischen Universitat Dresden 17 1968 S 465 471 BINNIG U ROHRER 1983 BINNIG G UND ROHRER H Scanning tunneling microscopy In Surface Science 126 1983 S 236 244 BHUSHAN 2003 BHUSHAN Handbook of Nanotechnology Springer Verlag Berlin 2003 BISSACCO U A 2008 BISSACCO G HANSEN H N UND SLUNKSY J Modelling the cutting edge radius size effect for force prediction in micro milling In Annals of the CIRP 57 1 2008 S 113 116 BLUNT U A 2008 BLUNT L JIANG X UND SCOTT P Structured Surfaces a New Paradigm in Surface Metrolo gy In 12th International Colloquium on Surfaces 28 29 1 2008 S 403 410 Bos u a 2009 Bos E J C SCHELLEKENS P H J UND DIETZEL A H Aspects of tactile probing on a micro scale In Proceedings of the euspen International Conference San Sebastian 2009 Seite 96 von 106 Literaturverzeichnis Bos 2010 Bos E J C Aspects of tactile probing on the micro scale In Precision Engineering 35 2 2011 S 228 240 BRONSTEIN 2008 BRONSTEIN I N Taschenbuch der Mathematik Verlag Harri Deutsch Frankfurt 2008 BUKHARAEV 1998 BUKHARAEV A A BERDUNOV N V OVCHINNIKOV D V UND SALIKHOV K M three dimensional probe and surface reconstruction for atomic force microscopy using a deconvolution algorithm In Scanning Microscopy 12 1 1998 S 225 234
6. In Physical Review A 76 4 2007 art Id 043815 OPA129 TEXAS INSTRUMENTS Ultra Low Bias Current DiFet Operational Amplifier http www ti com product opa129 aufgerufen am 25 11 2012 OPA132 TEXAS INSTRUMENTS OPA132 High Speed FET Input Operational Amplifiers http www ti com product opa132 aufgerufen am 25 11 2012 PEGGS U A 1999 PEGGS G N LEWIS A J OLDFIELD S Design for a compact high accuracy CMM In Annals of the CIRP 48 1 1999 S 417 420 PETZ U A 2012 PETZ M TUTSCH R CHRISTOPH R ANDRAES M UND Hopp B Tactile optical probes for three dimensional microparts In Measurement 45 2012 S 2288 2298 PRANTL U A 2011 PRANTL M DANZL R UND HELMLI F 3D Messung von Mikroschneidwerkzeugen In VDI Berichte 2133 2011 S 83 92 PTB 2006 PHYSIKALISCH TECHNISCHE BUNDESANSTALT PTB news Kleine Welt Mikro Pr fk rper http www ptb de cms publikationen zeitschriften ptb news news06 2 kleine welt mikro pruefkoerper html aufgerufen 24 11 2012 PTB 2012 PHYSIKALISCH TECHNISCHE BUNDESANSTALT Tastschnittverfahren http www ptb de cms fachabteilungen abt5 fb 51 ag 515 tastschnittverfahrenO html aufgeru fen am 21 08 2012 Literaturverzeichnis Seite 103 von 106 RENISHAW 2011 RENISHAW Brosch re Leistungsstarke 5 Achsen Messung www renishaw de aufgerufen 7 11 2012 RIEL U Bos 2011 VAN RIEL M C J M BOS UND E J C 3D vibrating probe for measuring microfeatures
7. f gung die neben einer grafischen Steueroberfl che die Erstellung von Bewegungsroutinen mit verschiedenen Achsen durch die hauseigene Skriptsprache Aerobasic erlaubt Genau so wie das Smaract System ist jedoch auch eine C Bibliothek verf gbar die nach bereits beschriebenem Schema in Matlab eingebunden werden soll Eine weitere mitgelieferte An wendung von Aerotech ist das Digital Scope welches die Aufzeichnung von Achsparame tern wie Antriebsstrom und Winkelpositionsabweichung erm glicht Hiermit konnte im Rah men der Inbetriebnahme vom Hersteller die Positionsregelung der Achse auf ihre Einbaulage und die installierte Last abgestimmt werden Seite 66 von 106 Aufbau des Pr fstandes 6 2 1 Erstellte Programmroutinen F r die Ansteuerung der Drehtische wurden mehrere Funktionsabl ufe in C abgebildet und in eine Matlab Funktion umgesetzt Die wichtigsten Befehle ergaben sich wie folgt Homing Bestimmung der Achsposition im Achskoordinatensystem und anschlie ende Adressierung der Winkelposition 0 Die Aerotech Achse f hrt hierbei in den negativen Win kelbereich bis der Endlagenschalter bei 90 erreicht ist und f hrt dann 0 an Die Smaract Achse erkennt die Nullposition ohne sichtbare Bewegung wenn sie zuletzt in Nulllage deak tiviert wurde Falls sie in einer anderen Winkelstellung deaktiviert wurde wird eine Referenz fahrt in positiver Winkelrichtung durchfahren bis die Nullmarke erreicht ist Da die Smaract Ac
8. r die Umwandlung des Stromes in eine pro portionale Spannung bei Umwandlungsfaktoren von 10V nA wird blicherweise eine strom gesteuerte Spannungsquelle genutzt KEITHLEY 2004 Auch die Anwendungshinweise der Chiphersteller empfehlen diese Schaltung Bild 46 Der Eingang der Schaltung wird am Werkst ck kontaktiert und ber die H he des Feedbackwiderstandes R die Ausgangsspan nung bestimmt Es wurden mit einem austauschbaren Steckplatz Widerst nde von 100 MQ 500 MQ und 1 GQ in SMD Dickschichttechnologie realisiert Die Toleranz des 100 MQ Wi derstands der in den sp teren Messungen genutzt wurde liegt bei 5 die der anderen bei 30 Widerst nde mit geringeren Toleranzen basieren auf anderen Herstellungsverfahren wie Metallfilmtechnik und haben bei diesen Widerstandwerten Abmessungen im zweistelli gen Millimeterbereich in THT ZANDMANN U A 2001 Zu Gunsten kurzer Leitungsl ngen me chanischer Integrierbarkeit und leichter Austauschbarkeit mit dem Wechselsystem wurde die SMD Technik vorgezogen Der zweite Eingang des Operationsverst rkers der nichtinvertie Planung der prototypischen Realisierung Seite 59 von 106 rende ist mit Massepotential der Schaltung verbunden Im Falle des OPA129 ist im R ck kopplungszweig zus tzlich ein Spannungsteiler welcher den Gesamtverstarkungsfaktor nochmals um das zehnfache erh ht Dieser Teiler wurde im Layout austauschbar gestaltet 1000MQ Current _ Input _ Output Vor I R 1 18KQ0
9. rker Typ OPA132 von TI ist in Soannungsfolgerschaltung konfiguriert um R ckwir kungen auf den OPA129 zu vermeiden OPA132 In der zweiten Version wurde hier ein LF411 von National Semiconductor genutzt welcher im Gesamtaufbau zur Schwingung neigte und letztendlich berbr ckt wurde Der OPA132 wurde deshalb hinsichtlich Schwingneigung und auch geringem Rauschen ausgew hlt Nach Markierung vier folgt er neut ein OPA132 der das Signal invertiert In der fertigen Schaltung wurden die zwei OPA132 als eine Einchipl sung mit zwei integrierten OpAmps realisiert um Platz und n tige Seite 60 von 106 Planung der prototypischen Realisierung Versorgungsanschlusse zu sparen Zudem k nnen Uber Jumper beide einzeln aus dem Sig nalzweig herausgetrennt werden Zur Spannungsversorgung ben tigen die installierten Ope rationsverst rker eine bipolare 11 V Versorgung Die Spannung wird direkt am Operations verst rker mittels 10 uF Elko Kondensatoren f r niederfrequente und 100 nF Keramikkon densator f r hochfrequente St rungen auf der Versorgungsspannung gest tzt Die resultie rende Platine zeigt Bild 48 die Markierungen sind mit denen aus Bild 47 identisch Abgriff nach OPA132 SMA Ausgangssignal 2x OPA132 OPA129 Abgriff nach Br cke Eingangs OPA132 SMA schirm auf GND en Eingang es Sensorstrom SMA Steckbr cke Leiterbahnbr cke Abgriff nach ber Massegraben OPA129 SMA V V und Spannungsteiler Feedba
10. 1998 Norm DIN EN ISO 13565 1 1998 Geometrische Produktspezifikationen GPS Oberfl chen beschaffenheit Tastschnittverfahren Oberfl chen mit plateauartigen funktionsrelevanten Ei genschaften Teil 1 Filterung und allgemeine Me bedingungen DIN EN ISO 25178 601 2011 Norm DIN EN ISO 25178 601 2011 Geometrische Produktspezifikation GPS Oberfl chen beschaffenheit Fl chenhaft Teil 601 Merkmale von ber hrend messenden Ger ten mit Taster DIN ISO 230 1 1997 Norm DIN ISO 230 1 1997 Werkzeugmaschinen Pr fregeln f r Werkzeugmaschinen Teil 1 Geometrische Genauigkeit von Maschinen die ohne Last oder unter Schlichtbe dingungen arbeiten DIN ISO 5725 1 1994 Norm DIN ISO 5725 1 1994 Genauigkeit Richtigkeit und Pr zision von Me verfahren und Me ergebnissen Teil 1 Allgemeine Grundlagen und Begriffe EDWARDS U A 1993 EDWARDS C A PRESBY H M UND DRAGONE C Ideal Microlenses for Laser to Fiber Coupling In Journal of Lightwave Technology 11 2 1993 S 252 257 FANG U A 2010 FANG F Z XU Z W Hu X T WANG C T LUO X G UND Fu Y Q Nano photomask fabrica tion using focused ion beam direct writing In CIRP Annals 59 2 2012 S 543 546 FEYNMANN 1959 FEYNMANN R P Plenty of Room at the Bottom Vortrag am California Institute of Technology 1959 http www its caltech edu feynman plenty html aufgerufen 11 11 2012 Seite 98 von 106 Literaturverzeichnis FOUCHER U A 2011
11. 2KQ Vo 10V nA Bild 46 Schaltplan des Verst rkers nach Datenblatt OPA129 Der Kern der Verst rkerschaltung wurde um weitere Komponenten erg nzt und deren Effekt mittels Simulation optimiert Bild 47 Als Simulationsumgebung wurde TINA TI 7 von Texas Instruments bzw urspr nglich von DesignSoft Inc eingesetzt Im Eingangszweig vor dem OPA129 Markierung Nr 1 wurde ein Tiefpass erster Ordnung eingeplant um hochfrequen te Eingangsst rungen zu reduzieren Er wurde auf 2 KHz dimensioniert da keine h herfre quente Ver nderung im Sensorsignal durch mechanische Bewegung erwartet wird Eine austauschbare Konstruktion erlaubt die Realisierung verschiedener Frequenzg nge V V 1 at al R5 10k Vv i R2 442k R6 10k rs 5 Vin C 1 ou R8 100k C OPA132 4 OPA129 OPA132 ci 3 V V V Bild 47 Erweiterung der Verst rkerschaltung um zus tzliche Funktionskomponenten Markierung Nr 2 zeigt den R ckkoppelzweig mit dem Feedbackwiderstand Dieser ist wech selbar ausgef hrt um unterschiedliche Verstarkungen auszuw hlen Im Vergleich zur zwei ten Version konnte die Leitungsl nge im Feedbackkreis durch SMD Bauteile deutlich redu ziert werden Nach dem Verst rker bei Markierung 3 liegt das Signal als Spannung vor und ist weniger st ranf llig Schaltungsbedingt ist das Signal invertiert und wird mit den folgen den Baugruppen in den positiven Bereich gebracht TIETZE U SCHENK 2002 Der Operati onsverst
12. Ausrei er in X Richtung festgestellt Bild 62 Dieser trat auch bei allen direkt vorausgegan genen Messungen der Kugel auf und kann u U auf Verschmutzung zur ckgef hrt werden eine Sichtpr fung ergab jedoch keine offensichtlichen Ursachen Bei Eliminierung des Aus rei ers resultiert eine Formabweichung von 1 14 um Dieser Wert wurde unter Verwendung der matlab least squares geometric element software des NPL LSGE 2012 ermittelt auf Basis der Tastermittelpunktsdaten vom Videocheck UA Auf Basis der Verteilung der Resi duen kann keine eindeutige Ursache der Formabweichung identifiziert werden Zinm h Bild 62 Residuen der Antastpunkte auf dem Kugelartefakt ohne Tastkugelradiuskorrektur Abwei chungen 1000 fach berh ht dargestellt Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Seite 79 von 106 8 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Mit erfolgreicher Inbetriebnahme der Einzelkomponenten des Prototypen und der gemein samen Ablaufsteuerung wurde die Funktion als Ganzes validiert Mittels unterschiedlicher kalibrierter Pr fk rper erfolgten Vergleichsmessungen zwischen einer klassischen Messung ohne Sensorrotation und einer Messung mit dem Rotationsprinzip Deren Vergleich ergibt Aufschluss ber den effektiven Nutzen des Verfahrens und dessen optimalen Einsatz Sensorkonfiguration F r die Messungen wurde sofern nicht anders angegeben die folgende Sensorkonfiguration genutzt Als Sensorspitze kam ein Mik
13. FOUCHER J FAURIE P DOURTHE L IRMER B UND PENZKOFER C Hybrid Metrology amp 3D AFM Enhancement for CD Metrology Dedicated to 28 nm Node and Below Requirements In AIP Conf Proc 1395 2011 S 290 297 GAO U A 2008 GAO F LEACH R K PETZING J UND COUPLAND J M Surface measurement errors using commercial scanning white light interferometers In Meas Sci Technol 19 2008 ID 015303 GEIGER U KOTTE 2008 GEIGER W KOTTE W Handbuch Qualitat Grundlagen und Elemente des Qualitatsmanage ments Systeme Perspektiven Springer Verlag Heidelberg 2008 GOCH 2003 GOCH G Gear metrology In Annals of the CIRP 52 2 2003 S 659 695 GUNTHERODT U WIESENDANGER 1992 GUNTHERODT H J UND WIESENDANGER R Scanning Tunneling Microscopy I Springer Series in Surface Sciences 20 Springer Verlag Heidelberg 1992 GUIJUN U A 1998 GUIJUN J SCHWENKE H UND TRAPET E Opto tactile sensor for measuring small structures on coordinate measuring machines In ASPE Proceedings 18 1998 S 25 28 GUM 2008 JOINT COMMITTEE FOR GUIDES IN METROLOGY Evaluation of measurement data Guide to the expression of uncertainty in measurement 2008 HANSEN U A 2006 HANSEN H N CARNEIRO K HAITJEMA H UND DE CHIFFRE L Dimensional micro and nano metrology In Annals of the CIRP 55 2 2006 S 721 743 HABLER GROHNE U A 2011 HABLER GROHNE W HUSER D JOHNSEN K P FRASE C G UND BOSSE H Curr
14. Ketten Unter Ber cksichtigung des Zielkriteriums wurden mehrere kinematische Ketten miteinander verglichen aufgelistet in Tabelle 2 Bezeichnung Aa Segment einer Drehachse Parallelkinematik Verknupfte Linearachsen Gestapelte Drehachsen Gestapelte Drehachsen Tabelle 2 Untersuchte kinematische Ketten Regulares Pendel Eine Variante bestand in der Nutzung einer einzelnen Rotationsachse deren Hauptachse parallel zur X Y Ebene der NMM 1 montiert wird Bild 35 links zeigt dies in einem CAD Entwurf und Bild 35 rechts zeigt das Zusammenspiel der Achssysteme Drehachse und NMM 1 Die Einstellung des Winkels erfolgt hier Uber die Drehachse Der exzentrisch instal lierte Sensor beschreibt bei diesem Aufbau eine Kreisbahn im CAD als Kreissegment dar gestellt Um den Arbeitspunkt des Sensors in einem festen Punkt des Werkst cks zu halten muss die Kreisbahn durch eine Ausgleichsbewegung kompensiert werden was durch die Positionsgenauigkeit der NMM 1 m glich ist Die Positionsabweichung am Sensor wird bei diesem Aufbau durch die translatorischen Abweichungen der Drehachse und ihre Winkelab weichungen bestimmt die durch die exzentrische Montage an Betrag gewinnen Nachteilig an diesem Aufbau ist die Einschr nkung des nutzbaren Arbeitsraumes der NMM 1 durch die Ausgleichsbewegung Bei einem radialen Abstand des Arbeitspunktes zum Drehzentrum von 62 mm ergibt sich ein nutzbarer Winkelbereich von 10 unter Reduktion des lateralen Ar beitsbe
15. Mittelpunkt Kreisbogen und Gera den Der Ursprung des spitzeneigenen Koordinatensystems liegt im Mittelpunkt Im Gegensatz zum Modell der Spitze wird die Oberfl che nicht ber kontinuierliche geomet rische Funktionen abgebildet sondern in diskreter Form aufgebaut Dies wird einer beliebi gen Komplexit t zu untersuchender Oberfl chen gerecht und ist notwendig f r eine effiziente Darstellung in einer Computerumgebung Eine kontinuierliche Oberfl che wird hierbei in eine begrenzte Anzahl von St tzpunkten reduziert Die resultierenden St tzpunkte P x z f x geben an der Werkst ckposition x eines zweidimensionalen Profilschnitts dessen H he z f x der Oberfl chenfunktion wieder Dies spiegelt zudem den Betrieb eines Tastschnitt ger ts in der Praxis wieder da dieses ebenfalls abh ngig von der eingestellten Aufl sung die Oberfl chenh he punktweise erfasst Zur Diskretisierung in diese Darstellung ist es not wendig dass das Eingangsprofil surjektiv ist jedem Oberfl chenpunkt x nur ein H henwert z f x zugeordnet ist jedoch ein H henwert an mehreren Oberflachenpunkten resultieren kann In einem Vereinfachungsschritt werden deshalb Hinterschneidungen entfernt und idea le Senkrechte abgeflacht Da Hinterschneidungen im Rahmen der Untersuchungen mittels simuliertem Tastschnittger t nicht im Fokus stehen kann mit dieser Einschr nkung gearbei tet werden Die Reduktion der unendlichen Steigung auf eine endliche kann durch eine
16. NMM 1 Als technische Basis des Vorhabens soll eine Nanopositioniereinrichtung zum Einsatz kom men Diese f hrt die laterale Scanbewegung zwischen Werkst ck und Sensor aus und passt die H henposition an In diesem Vorhaben soll als Positioniereinheit auf das Nanopositio nierger t NMM 1 der Firma SIOS Me technik GmbH zur ckgegriffen werden Dieses f llt in die Klasse der Nanokoordinatenmessger te und erlaubt einen Mess und Positionierbereich von 25 mm x 25 mm x 5 mm bei einer Aufl sung der laserinterferometrischen Achsmesssys teme von 0 1 nm mit einer Unsicherheit von 3 nm J GER u a 2009 Das Ger t wird seit 1995 an der Technischen Universit t IImenau am Institut f r Proze me und Sensortechnik in Zusammenarbeit mit der Firma SIOS Me technik GmbH entwickelt HAUSOTTE 2002 Das Ger t ist in kontinuierlicher Weiterentwicklung und die Neuerungen wurden bei wiederholter Modernisierung in das am Lehrstuhl QFM existierende Exemplar bertragen Das Ger t l sst sich in seine Hauptkomponenten Positioniereinheit und Elektronikeinheit untergliedern Die Elektronikeinheit beinhaltet neben dem Digitalen Signalprozessor DSP der alle Echtzeitberechnungen inklusive Positionsregelung ausf hrt alle Komponenten die W rme abgeben Dies umfasst frequenzstabilisierte He Ne Laserquellen f r drei Bewe gungsachsen die die R ckf hrbarkeit der mit dem Ger t erhaltenen Messergebnisse sicher stellen Eine weitere Komponente stellen die Leistu
17. Seite 90 von 106 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Ausrichtung Werkstuckkoordinatensystem zu Geratekoordinatensystem Durch die Verwendung von nur einer Kugel zur Definition des Ursprungs des Werkstuckko ordinatensystems werden nur die drei translatorischen Freiheitsgrade erfasst nicht jedoch eine Verdrehung Diese ist durch die Verschraubung des Werkst cktr gers mit der Spiegel ecke der NMM 1 wahrend einer Messung gesperrt jedoch kann bei einer Neumontage des Werkstucktragers eine bestimmte Position im Werkstuckkoordinatensystem nicht wiederholt getroffen werden Bei den gezeigten Messungen hatte dies keinen Einfluss Positionsunsicherheit der NMM 1 Neben der Rotationskinematik ist auch die Unsicherheitskomponente f r die Positions messung in der NMM 1 zu betrachten Dieses komplexe Thema wurde in HAUSOTTE 2002 und HAUSOTTE 2011 behandelt F r die Position der Spiegelecke wurde f r die ltere Versi on der NMM 1 eine Unsicherheit von 13 24 nm in der xy Ebene und 14 32 nm in der z Achse k 2 angegeben HAUSOTTE 2002 Neuere Arbeiten f r ein aktualisiertes Ger t geben ei nen Wert im Bereich von 3 nm an J GER U A 2009 Die Messung einer Stufenh he von 2 mm mit einem Fokussensor erfolgte hier mit einer Unsicherheit von 2 7 nm k 2 Mit der Kenntnis des Einflusses des Tastsystems kann den neuesten Arbeiten nach eine Berech nung f r eine spezifische Messung erfolgen HAUSOTTE 2011 F r den genutzten Revisi onss
18. UKRAINTSEV U A 2012 Ukraintsev V A Orji N G Vorburger T V Dixson R G Fu J und Silver R M On CD AFM bias related to probe bending In Proc of SPIE Vol 8324 1 2012 id 83240V Literaturverzeichnis Seite 105 von 106 VAN BRUSSEL U A 2000 VAN BRUSSEL H PEIRS J REYNAERTS D DELCHAMBRE A REINHART G ROTH N WECK UND M ZUSSMAN E Assembly of Microsystems In Annals of the CIRP 49 2 2000 S 451 472 VERMEULEN U A 1998 VERMEULEN M M P A ROSIELLE P C J N UND SCHELLEKENS P H J Design of a high precision 3D coordinate measuring machine In Annals of the CIRP 47 1 1998 S 447 450 VDI VDE 2617 BLATT 4 2006 Richtlinie VDI VDE 2617 Blatt 4 2006 Genauigkeit von Koordinatenmessgeraten Kenngr Ben und deren Pr fung Leitfaden zur Anwendung von DIN EN ISO 10360 3 f r Koordina tenmessger te mit zus tzlichen Drehachsen VDI VDE 2617 BLATT 5 2010 Richtlinie VDI VDE 2617 Blatt 5 2012 Genauigkeit von Koordinatenmessgeraten Kenngr Ben und deren Pr fung berwachung durch Pr fk rper VDI VDE 2617 BLATT 12 1 2011 Richtlinie VDI VDE 2617 Blatt 12 1 2011 Genauigkeit von Koordinatenmessgeraten Kenn gr en und deren Pr fung Annahme und Best tigungspr fungen fur Koordinatenmessger te zum taktilen Messen von Mikrogeometrien VIM 2012 VIM Internationales Worterbuch der Metrologie Grundlegende und allgemeine Begriffe und zugeordnete Benennungen VIM Deutsch engl
19. auf 5 Volt fixierte Version des LP2951 darstellt Um eine positive und eine negative Versorgungsspannung zu realisieren wurden zwei LP2951ACM ausgangsseitig mit dem Ausgang des einen am Massepotential des anderen gekoppelt Eingangsseitig werden die LP2951ACM von zwei galvanisch getrennten Quellspannungen versorgt Diese wurden ber Netzteile bzw Batteriepacks realisiert Planung der prototypischen Realisierung Seite 61 von 106 Masse und Schirmungskonzept Zur m glichst effektiven Reduktion elektromagnetischer St rungen wurde ein durchgangiges Masse und Schirmungskonzept eingesetzt Leider ist nur eine durchg ngige Verwendung von Schirmgeh usen und geschirmten Kabeln nicht ausreichend da dies nicht gegen indu zierte Ausgleichsstr me in der Masseleitung hilft Dies kann vermieden werden wenn die Schirmung an nur einem Punkt mit dem Massepotential verbunden wird dem Massestern punkt Falls mehrere Baugruppen die Schirmung mit Masse verbinden und durch externe Felder Spannungen im Kabelschirm induziert werden wird ber die mehrfache Anschluss punkte der Stromkreis geschlossen und Ausgleichsstr me flie en ber die Masseleitung der Schaltung Um dies zu vermeiden wurde ein durchg ngiges Schirmungs und Massekon zept eingehalten Der Sternpunkt findet sich in der Spannungsreglerbaugruppe direkt an der Zusammenf hrung der Spannungsreglerausg nge Die einzelnen Baugruppen wurden in Stahlblechgeh usen f r Hochfrequenzbaugruppen u
20. ee 200 SG a oe en ees u Xin nm Bild 36 Volumen der Wiederholprazision des Sensorarbeitspunkts bei regularem Pendel Rot Vekto rielle berlagerung zuf lliger Abweichungskomponenten Schwarz Verbindung zu Kinematik Regulares Pendel mit Festkorpergelenk Eine andere betrachtete Variante bestand in der Verkn pfung des Aufbaus Regul res Pen del mit einer externen F hrungsstruktur Hierbei wird die Drehachse wie gehabt fest ober halb des bewegten Werkst cktr gers installiert und die Querbewegung bei Rotation von den Achsen der NMM 1 ausgeglichen Der Sensor wird jedoch nicht direkt auf der Drehachse befestigt sondern an einem Festk rpergelenk das von der Drehachse bewegt wird Fest k rpergelenke wie das Butterfly Pivot Typ HAFHA BF 108 aus Titan vom Schweizer Zentrum f r Elektronik und Mikrotechnologie CSEM erlauben eine rotatorische F hrung mit einer geringen und stark systematischen F hrungsabweichung von kleiner 1 um radial HEN EIN U A 2003 Nach einer Marktrecherche konnte kein besseres Produkt gefunden werden Die Detailplanung brachte jedoch auch Nachteile zu Tage Durch einen Betrieb im elasti schen Bereich wird der nutzbare Winkel auf 7 5 eingeschr nkt was den vollen Einsatz des Rotationsprinzips verhindert ein Betrieb dar ber hinaus f hrt ber die Zeit zu einem Er m dungsbruch Kritischer ist jedoch die Kopplung mit einer geeigneten Rotationsachse da seitens des Festk rpergelenks bei
21. einem Winkel von 7 5 ein Drehmoment von 0 13 Nm notwendig ist Dieser Wert resultiert aus einer Drehsteifigkeit des Gelenks von 1 Nm rad gegeben im Datenblatt Ein Drehtisch mit ausreichend Drehmoment w re zum Betrieb not wendig der zudem eine hohe angulare Aufl sung bietet Durch die exzentrische Installation Planung der prototypischen Realisierung Seite 47 von 106 des Sensors h ngt die Wiederholpr zision stark von der Winkelwiederholpr zision in Dreh richtung ab welche wiederum nur vom Drehtisch bestimmt wird Mikrodrehtische auf Pie zobasis mit hochaufl senden Winkelencodern hatten im Marktvergleich nur ein maximales Drehmoment von 0 02 Nm Es blieben damit nur teurere direktgetriebene Systeme mit Bau gr en von mindestens 100 mm die gen gend Aufl sung und Leistung boten Das ben tigte Drehmoment f hrt bei nicht selosthemmenden Antrieben zus tzlich zu einem W rmeeintrag in das System Unter Annahme der Korrektion bekannter systematischer Abweichungsantei le l sst sich eine Wiederholgrenze von 3 2 um annehmen Diese resultiert zu geringem Anteil aus der unidirektionalen angularen Wiederholgrenze der Drehachse und zu hohem Anteil vom Festk rpergelenk mit 104 urad bei Wechselbetrieb in Verbindung mit der notwen digen exzentrischen Montage des Sensors SPANOUDAKIS U HENEIN 2004 Eine Senkung der verbleibenden systematischen Anteile ist denkbar Inverses Pendel Eine weitere kinematische Variante besteht in der Realisie
22. gt 5 um und schwarz das zu erfassende Profil Bild 30 Flankenkollision bei wissensbasierten Strategien Am ersten Maximum des Profils ist die Abweichung minimal und die Spitze folgt der Oberfla che konstant in einem rechten Winkel Mit Erreichen der Stellbegrenzung von 45 steigt die Abweichung leicht an bis sich pl tzlich ein Flankenkontakt am n chsten Maximum ereignet Die resultierende Abweichung steigt an bis durch die umkehrende Oberfl chenneigung aus gel st die Spitze wieder dreht und im Minimum wieder eine definierte Kontaktsituation herrscht In diesem Szenario w re ein Kompromiss durch Ermittlung des lokal maximal zu lassigen Antastwinkels ohne Kollision und Inkaufnahme einer leichten Auswanderung des Kontaktpunktes notwendig Dieses Verhalten wurde jedoch nicht nur bei wissensbasierten und analysierenden Strategien betrachtet sondern auch bei vorhersagenden Hier tritt dieser Effekt auf falls der Vorhersagepuffer zu gro gew hlt wurde und die letzten Punkte mit ab weichender H he nicht genug Gewicht in der Interpolation erlangen Andererseits wurde bei einem Interpolationspuffer von zu geringer Breite ein instabiler oszil lierender Systemzustand beobachtet dargestellt in Bild 31 links Mit Auftreten der ersten Flankenkollision ist ein pl tzlicher H henanstieg verbunden der wiederum in der Strategie eine Rotation nach links ausl st Hierdurch wandert der Kontaktpunkt auf der Flanke und die Abweichung wird verringe
23. h rung sowie die Bereiche der Messobjekte in welchen die Sensornachf hrung besonders nutzbringend ist Der erfassbare Winkelbereich des simulierten Profilometers steigt je nach Kinematik deutlich an und die Messabweichung durch den Oberfl chenwinkel wird verhin dert der Sensor ist w hrend der Messung in seinem optimalen Arbeitswinkel Schon eine m gliche Drehung von 10 senkt die Messabweichung um 50 Die simulativ nachgewiese ne Effektivit t der Messabweichungsreduktion und der Steigerung des erfassbaren Winkel bereichs schlie en die Voruntersuchungen zum Rotationsprinzip ab und machen den Weg frei f r eine praktische Umsetzung Planung der prototypischen Realisierung Seite 41 von 106 5 Planung der prototypischen Realisierung Mit erfolgreichem Abschluss der Simulationen des Rotationsprinzips gilt es die erprobte Theorie in die Praxis umzusetzen Zur Durchf hrung dieses Vorhabens sind mehrere Kom ponenten notwendig die sich in die folgenden Felder unterteilen lassen Nanopositioniergerat Basis des Prototyps Durchf hrung der Scanbewegung Rotationskinematik Durchf hrung der Sensorrotation Sensor Erfassung der Oberfl che bewegt durch Rotationskinematik Pr fk rper Kalibrierte Struktur zur Validierung des Rotationsprinzips Diese Komponenten sind zu planen auszuw hlen und miteinander zu integrieren auf me chanischer Ebene elektrischer Ebene und informationstechnischer Ebene 5 1 Nanokoordinatenmessger t
24. lineare Miniaturisierung aller beteiligten Komponenten ist jedoch nicht m glich da die zul ssige Antastkraft berproportional f llt Vor Darstellung m glicher Sensorentw rfe sollen die Einschr nkungen im Mikrometerbereich erl utert werden Das Hauptproblem folgt mit Reduktion des Tastkugeldurchmessers aus der Verkleinerung der Kontaktfl che Bei gleichbleibender Antastkraft f hrt dies zur berh hung der Materialspannung Nach Untersuchungen von Meli und K ng MELI U KUNG 2007 muss eine Skalierung der Antastkraft nach 3 erfolgen um die Materialgrenzwerte einzuhalten nee r 3 So zieht beispielsweise eine Halbierung des Kugeldurchmessers demnach eine Viertelung der zul ssigen Antastkraft nach sich Fur die zuverl ssige Nutzung einer gesenkten Antast kraft werden neuartige Kraft und Auslenkungssensoren ben tigt die im Gegensatz zu Milli newton bei bestehenden Systemen mit Mikronewton arbeiten k nnen Stand der Technik Seite 5 von 106 Die n chste Einschr nkung ergibt sich aus dynamischen Kr ften zus tzlich zur betrachteten statischen Antastkraft Beim Antastvorgang wird beim ersten Oberflachenkontakt die kineti sche Energie aller bewegter Sensorkomponenten abgebaut bzw auf das Werkst ck ber tragen Ma geblich tr gt hier neben dem Schaft die Tastkugel bei Meli und K ng berschla gen zudem den Zusammenhang von zul ssiger Masse und Radius nach 4 5 m 106 r 4 Beispielweise erfordert bei einer Gesc
25. moderner Messaufgaben lassen sich die Anforderungen an die Mess technik ableiten die mit wachsender Geschwindigkeit kontinuierlich weiter steigen Zusam menfassend treten Bauteile im Makrobereich mit Strukturen oder Merkmalstoleranzen im Mikrometerbereich auf sowie zum anderen Bauteile mit Gesamtabmessungen im Mikrome terbereich Die Strukturen weisen hohe Aspektverh ltnisse auf und erlauben durch die Struk turgr en nur eine begrenzte Zug nglichkeit fur taktile Verfahren Nach Berndt s Goldener Regel der Messtechnik werden bei den vorliegenden Gr en Aufl sungen im einstelligen Nanometerbereich ben tigt BERNDT U A 1968 Diese kombinierten Anforderungen schr n ken die anwendbaren Verfahren ein Weitere Einschr nkungen ergeben sich je nach Bautei len zus tzlich aus den verwendeten Materialien wie weichen Kunststoffen oder transparen ten Werkstoffen 2 3 Defizite der heutigen Messtechnik Ein Vergleich der dargestellten Anwendungsbeispiele heutiger Mikromesstechnik mit den heutigen Sensoren weist eine Diskrepanz zwischen Anforderungen und M glichkeiten auf Optische Systeme spielen ihre St rke bei der Aufzeichnung vieler Messpunkte in kurzer Zeit aus Zudem ist durch die Kontaktlosigkeit eine Oberfl chenbesch digung ausgeschlossen Nachteilig ist die Abh ngigkeit von optischen Eigenschaften des Werkst cks wie der Brech zahl des Werkstoffs sowie von Reflexion und Transmission Von besonderer Problematik bei Mikrobauteile
26. nahme galt es ungeschirmte Fl chen zu redu zieren und die Ausbreitung der St rfelder zu verhindern Um den Verst rkereingang m g lichst gut zu sch tzen wurde unter dem Werkst ck die Lochrasterplatte auf der Spiegelecke auf Erde gelegt dem Bezugspotential der Sensorelektronik Der urspr ngliche potentialfreie Zustand der Platte bietet gegen ber einem definierten Zustand eine deutlich geringere Ab schirmung Au erdem wurden oberhalb des Werkst cks das Geh use der Smaract Achse und der Aerotech Achse sowie die kreisrunde Adapterplatte auf Masse gelegt Zus tzlich wurde die isolierte Tr gerplatte des Werkst cks verkleinert so dass sich alle ungeschirmten Metallfl chen des Verst rkereingangs innerhalb der Rasterplattenfl che befinden Aufbau des Prufstandes Seite 71 von 106 Einspeisung des Sensorsignals in die NMM 1 Auf elektrischer Seite galt es noch das Sensorsignal in das KMG einzuspeisen Der DSP der NMM 1 stellt hierf r mehrere Analogeingange zu Verf gung die einen Spannungsbereich von 10 V digitalisieren k nnen Es kommt ein Analog Digital Umsetzer mit 16 Bit und einer Abtastfrequenz von 6 25 kHz zum Einsatz was einer Aufl sung von 0 3 mV entspricht Aus dem Sensorverst rker wurde das Ausgangssignal ber eine 9 polige DSUB Buchse an den DSP angeschlossen und zus tzlich ein zweiter Ausgang auf ein Oszilloskop gelegt um dem Bediener eine schnelle Zustandskontrolle zu erm glichen 6 3 2 Softwareseitige Integration
27. nennen sind hier Van der Waals Krafte hydrostatische Krafte elektrostatische Krafte oder auch Gravitation Bei Anna herung der Tastkugel an die Oberfl che f hren sie zu einer starken Anziehung und die Tast kugel wird bei einem Snap in auf das Werkst ck hinzu beschleunigt Beim R ckzug bleibt die Tastkugel im ersten Moment kleben unterst tzt durch Mikroverhakungen und hydrostatische Kr fte Erst bei mit steigender R ckzugskraft l st sich die Kugel spontan von der Oberfl che unter einem Snap out Da der Snap in im Abstand von Nanometern erfolgt jedoch der Snap out Mikrometer erreichen kann ist der Antastvorgang mit einer deutlichen Hysterese verbun den Diesem kann durch steifere Tastersch fte entgegengewirkt werden Bei einem scan nenden Betrieb wirken sich diese Kr fte abh ngig von der Materialpaarung in einem Stick Slip Effekt aus einer ruckartigen Abfolge von Haften und Gleiten Um diesen Einschr nkungen zu begegnen wurden weltweit mehrere Ans tze verfolgt mikro taktile Systeme zu realisieren Das Hauptziel ist jeweils mit geringeren Antastkr ften arbeiten zu k nnen und die bewegte Masse zu reduzieren Es sollen unterschiedliche Varianten auf gezeigt werden ausgehend von aktueller Normung In der Richtlinie VDI VDE 2617 Blatt 12 1 Genauigkeit von Koordinatenmessger ten Kenngr en und deren Pr fung Annah me und Best tigungspr fungen f r Koordinatenmessger te zum taktilen Messen von Mikro geometrien sin
28. oder gerichtete Reflexion zu nennen Verfahren wie z B die Fokusvariation ben ti gen raue Oberfl chen mit diffuser Reflexion interferometrische Systeme hingegen glatte spiegelnde Oberfl chen Zus tzlich k nnen optische Wechselwirkungen eine Punkterfas sung beeintr chtigen oder komplett verhindern Insbesondere soll hier die St rung an Kanten genannt werden auch als Batwings bezeichnet nach ihrer Form SEEWIG 2009 LIPSON U A 1997 Ein Teil des Lichts aus dem Sensor wird von der Oberseite der Kante und ein Teil von der Unterseite reflektiert Beide Anteile berlagern sich und f hren an der Kante zu einer starken Abweichung der gemessenen H he Nicht nur die Kante selbst sondern auch die N he der Kante ist von diesem Effekt betroffen Er ist insbesondere bei interferometrischen Verfahren zu beobachten jedoch nicht auf diese beschr nkt GAO U A 2008 HOFFMANN 2009 MANSKE U A 2008 im Folgenden sollen f r die Mikromesstechnik relevante optische Verfahren und deren Ei genschaften kurz aufgelistet werden Eine bersicht und Bewertung findet sich unter ande ren bei HANSEN U A 2006 SCHREVE 2010 SEEWIG 2009 LONARDO U A 1996 WECKENMANN 2012 Fokusverfahren Das Fokusverfahren basiert auf der Projektion eines Lichtpunkts auf die Oberfl che Uber die Auswertung dessen Reflexion zuruck in den Strahlengang kann bestimmt werden ob der Oberflachenpunkt im Fokus liegt oder nicht Bei einem Autofokussystem wird de
29. optische Linsen und Mikrolinsen funktionale Oberfl chen und mit dem LIGA Verfahren hergestellte Bauteile Als Demonstrationsobjekt des Verfahrens wurde ein taktiles bzw quasitaktiles eindimensio nales Messprinzip aufgrund dessen Relevanz in der Mikromesstechnik und der guten Be herrschung der Abweichungsmechanismen ausgew hlt Das Verhalten wurde in einer eigens entwickelten Simulationsumgebung abgebildet um die Abweichung bei rotiertem Sensor und beliebigen Oberfl chen zu berechnen Es wurden Strategien und Algorithmen basierend auf Vorwissen Analyse oder Extrapolation des Profilverlaufs entwickelt um einem spezifischen Oberfl chenpunkt einen zugeh rigen Rotationswinkel zuzuordnen In Versuchspl nen erfolgte die Simulation des Verfahrens auf Testoberfl chen basierend auf realen Werkst cken und geometrischen Grundelementen Die Ergebnisse der Simulatio nen zeigen die je nach Profilverlauf und Tastelement erheblichen zu erwartenden Ver besserungen der Abbildungstreue durch die Sensornachf hrung sowie die Bereiche der Messobjekte in welchen die Sensornachf hrung besonders nutzbringend ist Nach theoretischem Funktionsnachweis des Verfahrens erfolgte die Planung eines Prototyps zur Durchf hrung der Sensorrotation in der Praxis Die Basis bildete ein Nanopositionier und Nanomessger t vom Typ SIOS NMM 1 mit einer Achsaufl sung von 0 1 nm Mehrere kine matische Ketten zur Realisierung einer Rotation des Sensors um seinen A
30. r die Aerotech Achse ermittelt Um nun nach diesem Schema effizient den Rotationswinkel 9 der Smaract Achse und a der Aerotech Achse f r einen Sensorrotationswinkel zu berechnen wurde eine Lookup Tabelle genutzt Diese kann ber die beschriebene Systematik erstellt werden indem der Aufbau des Prufstandes Seite 69 von 106 Eingangswinkel in z B 0 001 Inkrementen durchgestuft 6 berechnet und daraus a fur eine gew hlte Zielrotation um Z bestimmt wird Eine Suche ber die Lookup Tabelle nach dem jeweils ben tigten liefert die zugeh rigen Rotationswinkel der beiden Drehachsen Da bei der gestapelten Rotationskinematik eine begrenzte Anzahl an Winkelschritten zu keinen Nachteilen f hrt kann zu Gunsten der Rechenkomplexit t dieser Ansatz ohne Bedenken genutzt werden Die resultierende Umsetzung der Achsdrehwinkel f r einen Zielwinkel in kartesischen Koordinaten l sst sich in Bild 55 darstellen Drehwinkel in Grad Neigung zur XY Ebene in Grad Untere Achse Smaract Obere Achse Aerotech Bild 55 Resultierender Rotationswinkel der Drehachsen f r eine Rotation um Y Mit der Lookup Tabelle wurde eine Matlabfunktion erstellt die bei einer festen Rotationsrich tung um Y einen Zielwinkel 6 ben tigt und damit die Drehachsen Uber bereits beschriebene Routinen einzeln ansteuert 6 3 Integration elektrischer Sensor Es folgte die mechanische Integration des elektrischen Sensors in die Rotationskinematik und die Eins
31. steigt das Signal exponentiell an bis die Sensorelektronik in die S ttigung geht Ein elektrischer Kontakt im klassischen Sinn zwischen Sonde und Werkst ck stellt sich erst mit weiterer Ann herung ein und tritt erst nach Erreichen des Maximums der Auswerteelektronik ein Das System wurde in den Arbeiten von Hoffmann messtechnisch und bez glich des Funktionsprinzips untersucht HOFFMANN 2009 Stand der Technik Seite 17 von 106 DetailA Sensorsignal in Berihrungslose elektrische Interaktion Bewegte Distanz in nm 30 Bild 13 Links und Mitte Antastung mit sph rischen Sonden Rechts Charakteristische Kennlinie In Verbindung mit einem Nanokoordinatenmessgerat kann der Sensor als 3D Antastsystem verwendet werden Beispielsweise wurde durch Nutzung einer Nanopositioniermaschine Typ SIOS NMM 1 ein effektiver Arbeitsbereich des Sensors von 25 mm x 25 mm x 5 mm bei ei ner Aufl sung der laserinterferometrischen Wegmesssysteme von 0 1 nm erm glicht Der Sensor auf Basis des Tunneleffekts kann durch Wahl der Spitzenform sowohl wie ein mikro taktiles System genutzt werden mit einer Kugelspitze als auch ahnlich einem Profilometer mit einer scharfen konischen Spitze Gegenuber taktilen Systemen besteht keine Beschrankung hinsichtlich Form Gewicht oder Gr e da als kontaktfreies System keine Probleme durch zu hohe mechanische Spannungen entstehen HOFFMANN 2009 Eine Einschr nkung im Ver gleich zu mikrot
32. um 0 4 K Mit Kenntnis der Geo metrie der Rotationskinematik dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der installierten Bauteile und der Annahme dass diese von der Temperaturerh hung betroffen waren konn te eine Bewegung des Sensors von 1 1 um auf das Werkst ck zu berechnet werden Eine eventuelle Aufheizung durch die Achsantriebe der Rotationskinematik ist hier nicht ber ck sichtigt Die gr te Ausdehnung erfolgt mit zusammen 1 um in den Achsen selbst insbeson dere in der Aerotech Achse aus Aluminium und der darauf installierten Adapterscheibe aus Aluminium Die restlichen Komponenten kommen durch Verwendung von Materialien mit geringen Ausdehnungskoeffizienten oder ihre geringe Abmessung wie die Isolierschicht aus Kunststoff zwischen Werkst ck und Spiegelecke auf nur 0 1 um Die 1 1 um w rden im Ein klang mit den Werten der Kurzzeitkalibrierung in Bild 68 stehen verglichen mit dem stati schen Kalibrierfeld Nur die bereinstimmung beider Messungen am Kugelpol kann diese Annahme nicht durchg ngig best tigen Die Kalibrierung von Kugelartefakt und Tastkugel erfolgte bei einer Temperatur von 20 0 Celsius beide haben damit im eingebauten Zustand einen Unterschied von 1 9K erfahren Gegen ber dem kalibrierten Wert ergibt sich f r das Kugelartefakt eine Vergr erung von 80 nm und f r die Tastkugel 3 nm Generell kann durch Betrieb in einem Messraum ausreichende Temperierungszeit und die Verwendung der Kurzzeitkalibrierung dieser E
33. von der Ablauf steuerung aufgerufen und bei der Sensorpositionierung addiert Das Verfahren kann durch Verbindung des Kalibrierartefakts mit dem Werkst ck und Verwendung der vorhandenen Sensorik in situ im Prototyp durchgef hrt werden 7 1 3 Einmessen mit dem elektrischen Sensor Die Erfassung des Kalibrierartefakts mit dem elektrischen Sensor erfolgt nahezu identisch wie eine taktile Erfassung Bei diesem kontaktlosen Prinzip wird aber zus tzlich der Arbeits abstand ber cksichtigt Dieser Abstand variiert abh ngig von der Materialpaarung und den Sensoreinstellungen von wenigen Nanometer bis zu 200 nm Zwischen der Sonde und dem Seite 76 von 106 Korrektion systematischer Abweichungen der Rotationskinematik Werkst ck bildet sich die Wirkzone aus in der der Stromfluss stattfindet dessen Betrag vom Abstand abh ngt Die Wirkzone kann sich in jeder Raumrichtung um die Sonde ausbilden je nach Antastrichtung Bild 59 zeigt in einem Schema kombiniert an mehreren Positionen und Abst nden die Erfassung einer Kugel Der Stromfluss bildet sich immer in Normalenrichtung aus Wenn zur Koordinatenaufzeichnung ein konstantes Sensorsignal genutzt wird ergibt sich der erfasste Kugelradius L bis L aus dem Sondenradius r dem Artefaktradius R und dem Arbeitsabstand I bis l3 Durch Kalibrierung mittels des Kugelartefakts l sst sich damit der Antastpunkt bei gleichbleibendem Sensorsignal und der Antastrichtung berechnen Unter Verwendung der polynomiell
34. with na nometer uncertainty In 56th international scientific colloquium 12 16 9 2011 Ilmenau Ruy L 2001 RUulJL T A M Ultra Precision Coordinate Measuring Machine Design Calibration and Error Compensation PhD thesis Ponsen amp Looijen Wageningen 2001 ISBN 90 6464287 7 RUBERT U FRENZEL 2004 RUBERT P UND FRENZEL C The use of standard specimens to check stylus tip size in surface measuring instruments In 717th International Colloquium on Surfaces 2 2 3 2 2004 S 129 138 SCHEIDING U A 2009 SCHEIDING S GEBHARDT A EBERHARDT R UND TUNNERMANN A Micro Lens Array Milling on Large Wafers In Optik amp Photonik 4 2009 S 41 45 SCHRADER U A 2010 SCHRADER C HERBST C TUTSCH R BUTTGENBACH S UND KRAH T Micro coordinate measuring machine for Parallel measurement of microstructures In Key Engineering Materi als 437 2010 S 136 140 SCHRADER U A 2011 SCHRADER C KRAH T TUTSCH R UND BUTTGENBACH S Parallelisierte taktile Messtechnik f r Mikrostrukturen In Neue Strategien der Mess und Pr ftechnik f r die Produktion von Mik rosystemen und Nanostrukturen Abschlussbericht DFG Schwerpunktprogramm StraMNano 2011 Shaker Verlag Aachen S 19 35 SCHRADER U TUTSCH 2012 SCHRADER C UND TUTSCH R Calibration of a microprobe array In Meas Sci Technol 23 2012 doi 10 1088 0957 0233 23 5 054001 SCHREVE 2010 SCHREVE K Limitations of a Selection of Micrometrol
35. zum Sollprofil was quivalent zu einem niedriger erfassten Oberfl chenpunkt ist Selbst die klassische Messung zeigt bis zu 1 um Abweichung was auf eine Abweichung vom kalibrierten Radius der Kalibrierkugel oder Tastkugel hinweist Bei Positionen jenseits von 1 mm hingegen wenn die Stellbegrenzung greift verschwindet bei der Messung ohne Kurzzeitkalibrierung der Unterschied zur Sollkontur was auf einen lokal abh ngigen Radius das hei t eine Formabweichung von der Kugelform hindeuten w rde Bei Erreichen der Stellbegrenzung bleibt der Kontaktpunkt auf der Tastkugel nicht mehr konstant und wandert aus Dieser Effekt kann entstehen wenn die Tastkugel im Antastpunkt gr er ist als ihr mitt lerer Radius Eine sp tere Betrachtung der Tastkugelform Bild 69 kann diese Annahme bekr ftigen Die Messung mit Kurzzeitkalibrierung zeigt dieses Verhalten jedoch weniger stark ausgepr gt und l sst hingegen eine thermische Drift vermuten Die Tatsache dass sich alle drei Profile im Polbereich berlappen spricht wiederum f r eine Formabweichung bzw eine berlagerung beider Effekte Von Interesse ist zudem die Abweichung an der Stelle 0 mm die sich bei allen Messungen zeigt und die auch bei anderen Messreihen sichtbar ist Dies l sst eine lokale Abplattung der Kalibrierkugel am Pol vermuten welche sich bei der Kalibrierung in Bild 62 mit 186 nm er kennen l sst Aufgrund dieser Erkenntnis und der systematischen Abweichung empfiehlt sich die Nu
36. 0 a 0 02 0 04 X inmm Bild 39 Links Messaufbau zur Untersuchung der Wiederholprazision Rechts Koordinaten der Ru binkugel wahrend der Rotation um X Die Eingangsuntersuchung in Bild 39 rechts zeigt die erfassten Artefaktmittelounkte Uber einem Rotationsbereich von 9 bis 9 in 0 5 Schritten bei zwei Laufen in die positive Rich tung und einem in die negative Der nutzbare Winkelbereich wurde prinzipbedingt durch ei nen Pivotpunkt oberhalb der Kopfplatte reduziert Durch eine suboptimale Positionierung des Pivotpunkts in den Artefaktmittelpunkt ist eine Bahn in Form eines Kreissegments zu erwar ten wie auch in Bild 39 rechts sichtbar Die Differenz zur Kreisbahn ergibt sich durch Fuh rungsabweichungen Unter der Annahme dass dieses Verhalten ber die NMM 1 kompen siert werden kann wurde der Fokus auf die Prazision eines einzelnen Punktes gelegt Fur die gleichsinnige Richtungsadressierung einer Winkelposition ergab sich eine Spannweite im 3D Raum von unter 300 nm bis unter 100 nm was innerhalb des Unsicherheitsbereichs des Messgerats Videocheck liegt Die Spannweite im Raum bei gegensinniger Bewegung lag hingegen bei 2 0 bis 2 5 um durch das Auftreten von Hysterese Dies ist auch in Bild 39 rechts schon sichtbar Da laut Hersteller das System hysteresefrei arbeitet jedoch das Leih ger t eine hohe Anzahl von Betriebsstunden auf diversen Messeauftritten hatte ist eine ver schlei bedingte Ursache anzunehmen die f r Piezo
37. 00nnn0nnn0n nun nnnnnnnnnnnnnn nennen 44 5 2 2Messtechnische berpr fung einer Parallelkinematik sssscsssssseeees 49 5 2 3 Gestapelte Drehachsen uuunuuuunaanennanonnanunnununnununnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 51 5 3 Planung d s SENSO Esser 54 5 3 1 Baugruppen des quasitaktilen Sensors uuennauennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 55 5 3 2 Entwicklung der Sensorelektronik uuu000a20002an000nan00nnnnunnnnnunnnnnunnnnn 56 5 3 3 SBANAUNGSVELSOLQUNG seuuinetininace tana ueuaiieauarewtearscondstuneentenencenteanucunieteumns 60 5 9 4 LEIS UNGSEVAlUallON zussss n nenne 61 9 Inhaltsverzeichnis AUTDaU QeSs Prufstandes iz un una en 63 6 1 Mechanische Integration der Rotationskinematik uuu00u000an000n0n nun ann 63 6 2 Elektrische und informationstechnische Integration uennnesnnnennnnnnnnnnnnnnnnn nenn 65 6 2 1 Erstellte Programmroutinen zennuunaaunnanenanunnunnnanunnnunnunnnanunnnnnnunnnanunnnnnnnn 66 6 2 2 Ansteuerung eines kartesischen RotationswinkelS uuuuununanunnnnnnnnnnnenn 67 6 3 Integration elektrischer Sensor u2u 0u20000 an00nnnnunnnnnunnnnnunnnnnunnunnnnnnnunnnnnennnnn 69 6 3 1 Elektromechanische Integration uuuuuuunanunnannnnnunnnunnnnnnanunnnnnnnnnnnnnn nenn 69 6 3 2 Softwareseitige Integration uuu uuuu000000000ann0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnunnnnnnnnnnn 71 6 3 3 Scanning und Einzelpunktantastung uuunnnnanennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnenn nun 71 CA ABIAUISIEUCLUNG eisen 72 Kor
38. 2 Der erfasste Lichtfleck wird gr er wenn die Oberfl che nicht im Fo kus ist und der Gro teil des Lichts wird von der Blende vor dem Detektor blockiert Nur bei maximaler Fokussierung passiert die Reflexion des Lichtflecks die Blende Beim konfokalen Verfahren erfolgt damit eine scharfe Trennung von fokussierten Punkten und nicht fokussier Seite 14 von 106 Stand der Technik ten Punkten Uber vertikales und horizontales Verfahren oder Ablenken kann die Oberflache abgerastert werden Die laterale Aufl sung wird unterhalb des Rayleigh Kriteriums angege ben WECKENMANN 2012 und die vertikale im Bereich einiger Nanometer SEEWIG 2009 Wenn bei rauen Oberfl chen noch gen gend Licht reflektiert wird kann dieses Prinzip Ober flachenwinkel bis zu 75 erfassen HANSEN U A 2006 Technische Ausfuhrungsvarianten dieser Bauart sind neben dem beschriebenen Prinzip die Verwendung einer Laserquelle das Laserscanning und eine spektrale Auswertung der chromatische Sensor SEEWIG 2009 WECKENMANN 2012 Bei letzterem wird durch eine Linse mit hoher chromatischer Aberration der Fokuspunkt einer WeiBlichtquelle mit gemisch tem Spektrum in Strahlrichtung aufgeweitet abh ngig von der Wellenl nge Uber ein Spekt rometer als Detektor ist erkennbar welche Wellenlange am starksten reflektiert wird und dar ber wird die H heninformation bestimmt Der gleichzeitig erfassbare Hohenbereich liegt je nach System bei 100 um bis wenige Millimeter SEEWIG
39. 2009 Fokusvariation Ein weiteres Verfahren ist die flachig arbeitende Fokusvariation Es wird mit einem CCD Sensor ahnlich einem Mikroskop die Abbildung einer Oberflache betrachtet Das optische System hat eine bewusst geringe Tiefenscharfe Uber eine Aktorik wird der Sensor in Rich tung Werkstuck bewegt und an jeder Hohenposition ein Bild aufgenommen Durch Bildverar beitungsalgorithmen wird uber die Auswertung des Kontrasts aus dem resultierenden Bilder stapel zu jeder Position bestimmt welche Bereiche im Bild scharf sind und welche nicht Die Oberfl chenform ergibt sich aus der Aneinanderreihung der ermittelten Punkte pro Ebene F r die Aufl sung wird je nach Objektiv bis zu 10 nm vertikal und 0 4 um lateral angegeben SEEWIG 2009 Spiegelnde Oberfl chen eignen sich f r dieses Verfahren weniger da diese gegen ber diffus reflektierenden Fl chen zu wenig Struktur zur Kontrastbestimmung bieten 2 1 5 Rastersondenverfahren Zus tzlich zu taktilen und optischen Verfahren ist die Klasse der Rastersondenverfahren zu nennen Bei Rastersondenverfahren kommen Sonden mit Abmessungen im Mikro bis Na nometerbereich zum Einsatz Als Wechselwirkung zur H hendetektion werden verschiedene atomare oder quantenphysikalische Effekte herangezogen die erst im Mikrometerbereich nutzbar werden Durch punktweises Abrastern erm glichen diese Systeme 2 5D Messungen bei bis zu Subnanometer Aufl sung sowohl vertikal als auch lateral Zum Betrieb werde
40. 5 und 315 Nach DINEN ISO 10360 5 2011 sollten f r das Einmessen von Dreh Schwenk Messkopfsystemen hin sichtlich Form Ma und Ort der Pr fkugel 25 Einzelpunkte aufgenommen werden Aufgrund der geringen Antastabweichung des elektrischen Tastsystems im Vergleich zur Formabwei chung der Kalibrierkugel ist eine Bestimmung der Antastabweichung nicht sinnvoll siehe HOFFMANN 2009 Da nur der Ort bestimmt wird erfolgt in Anlehnung an VDI VDE 2617 BLATT 5 2010 eine Reduktion der Anzahl der aufgenommenen Punkte Die Richtlinie emp fiehlt bei der Bestimmung einer L ngenmessabweichung am Antastelement Kugel f nf Messpunkte Da der quator bei der Antastung von oben analog der Simulationslogik nicht erreichbar ist wurde die zus tzliche Ebene bei der Elevation 75 eingef gt Jeder Punkt wurde mit Einzelpunktantastung erfasst und jeweils f nf Werte aufgezeichnet In die resultie renden 45 Punkte wurde nach der Methode der kleinsten Quadrate eine Kugel als geometri sches Ausgleichselement eingepasst Bild 63 zeigt die erfassten Mittelpunkte des Artefakts aus zwei Bewegungsrichtungen Die kreisf rmige Trajektorie mit einer lateralen Ausdehnung von 500 um deutet auf eine Abweichung bei der Ausrichtung des Sensors in den Rotations punkt bzw eine Abweichung der Ausrichtung der Drehachsen hin Die der Kreisform berla gerte Abweichung zeigt hingegen die F hrungsabweichungen der Achsen Das Ziel ist beide systematischen Abweichungen durch Anwe
41. 6 Stand der Technik Bild 16 Links Sonnenrad und Planetenr der eines Planetengetriebes Rechts Montiertes Planeten getriebe aus Kunststoff Mittels MikrospritzgieBen sind weitere Komponenten m glich geworden Neben Geh usetei len von z B H rger ten ist insbesondere das Feld der Mikrofluidik zu nennen Pumpmecha nismen F hrungskan le der Breite weniger Mikrometer und D sen werden f r die Dosierung und Verteilung von chemischen Fl ssigkeiten und Medikamenten genutzt Neben der Pr fung der Gussformen der Bauteile sind auch die abgeformten Kunststoffe relevant die sich durch viele senkrechte Strukturen auszeichnen Hansen u a 2006 Die Herstellung bedarf einer aufw ndigen berwachung da fertigungsbedingt noch viel Ausschuss entsteht BLUNT U A 2008 Die berwachung erfolgt quantitativ mittels optischer Verfahren eingeschr nkt durch die steilen Kanten oder qualitativ mittels Rasterelektronenmikroskop Funktionale Oberfl chen Zunehmende Bedeutung erh lt zudem die Klasse der funktionalen Oberfl chen WECKEN MANN U A 2011 ANDERSSON U A 2007 LU U KHONSARI 2007 JIANG U WHITEHOUSE 2012 Einer Makrogestalt wird hierbei eine Mikrogestalt berlagert um die sp tere Funktion des Bauteils zu unterst tzen bzw bestimmte Effekte bei der sp teren Anwendung zu unter dr cken Beispielsweise werden Druckwalzen mit einem N pfchenraster oder einem Linien raster versehen das als Speicher des Druckmediums dient WE
42. CKENMANN U HARTMANN 2011 ber die geometrische Form und Anordnung der Speichertaschen kann das Speicher und bertragungsverhalten beim Druck beeinflusst werden Die linienf rmige Speicherstruk tur in Bild 17 links weist 25 bis 35 um tiefe und 110 um breite Haschuren auf bei einer Trennstegbreite von 20 um 30 um Die Pr fung kann beispielsweise mittels optischer Ver fahren wie der Fokusvariation erfolgen Bild 17 links Einschr nkend wirken hier jedoch wie der die steilen Flankenwinkel am Rande der Stege die abh ngig vom optischen Messger t zu nicht messbaren Punkten f hren oder eine erh hte Messabweichung aufweisen Eine weitere funktionale Oberfl che mit vergleichbaren Problematiken sind Ribletstrukturen wie in Bild 17 rechts Der Natur der Haifischflosse nachempfunden tr gt eine Mikrostruktu rierung mittels Rippchen bzw Dreiecksstrukturen zu einer Reduktion des Reibungswider stands in turbulenten Str mungen bei Technische Anwendungen finden sich im Turbinen bau sowie in der Kraftfahrzeugindustrie Erneut ergeben sich Strukturen im Mikrometerbe reich jedoch mit noch steileren Oberfl chenwinkeln was eine optische Messung erschwert Stand der Technik Seite 21 von 106 Tiefe in um 0 0 10 45 875 um 20 25 30 35 655 um Bild 17 Links Mikrostruktur Rasterwalze Messger t Alicona Infinite Focus Portable 20x Objektiv Rechts Ribletstruktur Ma stab 10 um IFAM 2011 Aus diesen Beispielen
43. Dr Ing Johannes Bernstein Dr Ing Philipp Kr mer und Dipl Ing Elmar Garcia Besonders danke ich Dr Ing J rg Hoffmann f r die Begeisterung der Nanomesstechnik die er bei mir zu meinen Studienzeiten entfacht hat Die Zuarbeiten der von mir betreuten Studien und Bachelorarbeiter leisteten einen Beitrag zum Gelingen dieser Arbeit Besonderer Dank obliegt in diesem Zusammenhang Romuald Jupiter Bakakeu Ngassam und Frederik Berger F r Ihr herausragendes Engagement m ch te ich ebenso den wissenschaftlichen Hilfskr ften Johanna Witte Fanuel Andemariam Meha ri und Sebastian B ttner danken Meiner Familie und Freunden danke ich f r Ihr Verst ndnis und die Unterst tzung im priva ten Bereich w hrend der gesamten Zeit Besonders gro er Dank gilt meinen Eltern die mir erm glichten diesen Weg zu beschreiten Erlangen Juni 2013 Carl Alexander Schuler Inhaltsverzeichnis 1 BINEND EEEE REE 1 2 SANG d r Technik ehe aa 3 2 1 Stand der Technik in der Mikromesstechnik uuusnnanesnnnnennnnnnnnnnnennnnnennnnnennnnnen 3 2 1 1 Taktile Sensoren allgemein ssssssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nnn 3 2 122 MiKrotaklllE SYSIEME dicesucecedadecenisetucesededetsvedetodsandesecsbadetessnoceiveebaretecsteon 4 2 1 3 Tastschnittger te Profilometer u uunsunnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 9 2 1 4 Optische Messverfahren auuunasuunanunnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnunnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 11 2 1 5
44. Erweiterung der Einsatzgrenzen von Sensoren fur die Mikro und Nanomesstechnik durch dynamische Sensornachfuhrung unter Anwendung nanometeraufgeloster elektrischer Nahfeldwechselwirkung Der Technischen Fakultat der Universitat Erlangen Nurnberg zur Erlangung des Grades DOKTOR INGENIEUR vorgelegt von Dipl Ing Carl Alexander Schuler Erlangen 2012 Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultat der Universitat Erlangen Nurnberg Tag der Einreichung 11 12 2012 Tag der Promotion 15 04 2013 Dekanin Prof Dr Ing habil Marion Merklein Berichterstatter Prof Dr Ing Prof h c Dr Ing E h Dr h c mult Albert Weckenmann Prof Dr Ing Rainer Tutsch Zusammenfassung Die Messaufgaben heutiger dimensioneller Mikro und Nanomesstechnik sind gepragt von zunehmend sinkenden Strukturgr en und Bauteilabmessungen bei zugleich zunehmender Dreidimensionalit t Dies umfasst stark gekr mmte Oberfl chen von Schneidkanten an Werkzeugen optische Linsen und Mikrolinsenarrays oder auch funktionale Oberfl chen Be stehende Sensorik ist im erfassbaren Oberfl chenwinkelbereich begrenzt was zu steigender Messabweichung und nicht erfassten Punkten f hrt Der bestehende Ansatz zur Steigerung des erfassbaren Winkels eine Datenfusion aus mehreren Messungen mit unterschiedlichen Sensorneigungen ist zeitaufw ndig und bringt zus tzliche Unsicherheitsbeitr ge Andere Verfahren wie die Dekonvolution sind in ihrer Effektiv
45. Insbesondere die LMP7721 Schaltung sticht hier positiv her aus und sollte nach Behebung des Offsetproblems n her untersucht werden Die praktischen Tests mit der NMM 1 zur Funktionspr fung der neuen Elektronik verliefen positiv Bild 49 zeigt auszugsweise einen bidirektionalen Linienscan auf einer geschliffenen Invarfl che Es wurde eine sph rische Sonde mit 500 um Durchmesser genutzt Die Mes sungen wurden mit lteren Daten der zweiten Version verglichen und auf Plausibilit t und Unterschiede gepr ft Untersuchungen zur Aufl sung best tigten die Werte von Hoffmann mit einer lateralen Aufl sung unter 200 nm abh ngig von der Spitzengr e und vertikal un ter 1 nm Zudem wurde ber kurze Zeitr ume eine bidirektionale Wiederholgenauigkeit eben falls unter 1 nm erreicht Die Vergleichsmessungen best tigen die bei Hoffmann auf Basis der lteren Elektronik ermittelten Leistungsdaten und die Funktion der neuen Elektronik Richtung Y Richtung Y Z Achse in m 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 12 Y Achse in m x 10 Bild 49 Linienscan auf geschliffenem Invarstab auch gezeigt in Hoffmann 2011 Aufbau des Prufstandes Seite 63 von 106 6 Aufbau des Prufstandes Nach Festlegung der Rotationskinematik und der Uberarbeitung des elektrischen Sensors galt es die Rotationskinematik aufzubauen und samt Sensor in die NMM 1 zu integrieren 6 1 Mechanische Integration der Rotationskinematik Die Verbindung der beiden Drehtische soll w
46. MANN J UND SCHULER A Sensors for ac curate geometric measurements in manufacturing In Proceedings Sensor 2009 2 2009 S 133 138 WECKENMANN U A 2009B WECKENMANN A JIANG X SOMMER K D NEUSCHAEFER RUBE U SEEWIG J SHAW L UND ESTLER T Multisensor data fusion in dimensional metrology In Annals of the CIRP 58 2 2009 S 701 721 WECKENMANN U A 2011 WECKENMANN A TAN O UND HARTMANN W Function Oriented Characterization For Surface Metrology In International Journal of Nanomanufacturing 7 5 6 2011 S 517 527 WECKENMANN U HARTMANN 2011 WECKENMANN A UND HARTMANN W Funktionsorientierte Bewertung mikrostrukturierter Ober flachen In Proceedings Metrologie in der Mikro und Nanotechnik VDI Berichte 2133 2011 S 207 216 WECKENMANN U SCHULER 2011 WECKENMANN A UND SCHULER A Application of modern high resolution tactile sensors for micro objects In Int J Precision Technology 2 2 3 2011 S 266 288 WECKENMANN 2012 WECKENMANN A Koordinatenmesstechnik Flexible Strategien f r funktions und fertigungs gerechtes Pr fen Carl Hanser Verlag M nchen Wien 2012 WECKENMANN U SCHULER 2012 WECKENMANN A UND SCHULER A Application of sensor tilting for enhanced measurement of microstructures In 72th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing 18 19 04 2012 Huddersfield England WECKENMANN U A 2012 WECKENMANN A SCHULER A UND NGASSAM R J B Enhanced measur
47. NOUDAKIS U HENEIN 2004 SPANOUDAKIS P UND HENEIN S Qualification of Flexure Pivot for Aerospace Mechanisms http csnej106 csem ch detailed pdf e_211_HAFHA_CSEM_2004_Presentation pdf CSEM Pr sentation aufgerufen am 02 12 2012 STOUT 1993 STOUT K J Three dimensional surface topography measurement interpretation and appl cation Penton Press London 1993 ISBN 1 8571 8004 6 SUSS 2011 SUSS MicroOptics Microlens arrays catalog 2011 version 2011 1 2 http www suss microoptics com downloads SMO_ catalog pdf aufgerufen 03 03 2012 TANIGUCHI 1983 TANIGUCHI N Current Status in and Future Trends of Ultraprecision Machining and Ultrafine Materials Processing In Annals ofthe CIRP 32 2 1983 S 573 582 TAYLOR HOBSON 2012 TAYLOR HOBSON Form Talysurf PGI Datenblatt http www taylor hobson com ultra precision pgi range html aufgerufen 02 12 2012 TIBREWALA U A 2009 TIBREWALA A HOFMANN N PHATARALAOHA A JAGER G UND BUTTGENBACH S Develop ment of 3D force sensors for nanopositioning and nanomeasuring machine In Sensors 9 5 2009 S 3228 3239 TIETZE U SCHENK 2002 TIETZE U UND SCHENK CH Halbleiterschaltungstechnik Springer Verlag Heidelberg 2002 TUTSCH U A 2010 TUTSCH R PETZ M ANDRAS M WIEDENHOFER T NEUSCHAEFER RUBE U UND WISSMANN M Three Dimensional Tactile Optical Probing for the Measurement of Microparts In Technisches Messen 77 2 2010 S 95 100
48. RP 44 1 1995 S 501 504 DIN 5401 2002 Norm DIN 5401 2002 W lzlager Kugeln fur Walzlager und allgemeinen Industriebedarf DIN 55350 13 1987 Norm DIN 55350 13 1987 Begriffe der Qualitatssicherung und Statistik Begriffe zur Genauig keit von Ermittlungsverfahren und Ermittlungsergebnissen Literaturverzeichnis Seite 97 von 106 DIN EN ISO 3274 1997 Norm DIN EN ISO 3274 1997 Geometrische Produktspezifikationen GPS Oberflachenbe schaffenheit Tastschnittverfahren Nenneigenschaften von Tastschnittger ten DIN EN ISO 4287 2012 Norm DIN EN ISO 4287 2012 Geometrische Produktspezifikation GPS Oberflachenbe schaffenheit Tastschnittverfahren Benennungen Definitionen und Kenngr en der Oberfla chenbeschaffenheit DIN EN ISO 10360 1 2003 Norm DIN EN ISO 10360 1 2003 Geometrische Produktspezifikation GPS Annahmepr fung und Best tigungspr fung f r Koordinatenmessger te KMG Teil 1 Begriffe DIN EN ISO 10360 3 2000 Norm DIN EN ISO 10360 3 2000 Geometrische Produktspezifikation GPS Annahmepr fung und Best tigungspr fung f r Koordinatenme ger te KMG Teil 3 KMG mit der Achse eines Drehtisches als vierte Achse DIN EN ISO 10360 5 2011 Norm DIN EN ISO 10360 5 2011 Geometrische Produktspezifikation GPS Annahmepr fung und Best tigungspr fung f r Koordinatenmessger te KMG Teil 5 Pr fung der An tastabweichungen von KMG mit ber hrendem Messkopfsystem DIN EN ISO 13565 1
49. Rastersondenverfahren azuu0a000000000a000nan00nannnn nun nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nun 14 2 1 6 Quasitaktiler 3D Nahfeldsensor u2 u200002an000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 16 20127 I OSIIOMMEISY SIC ING sa vesenustesioeveesibowuabethestadetientaiwbiawvaiwbiensesvsaosuaneiiesieaeya 17 22 WICSSAUTOADC I ssis ua 18 2 3 Defizite der heutigen Messtechnik s ssssssnnunnnnnnnnnnunnnnnnnnnnnnnnunnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nE 21 Wissenschaftlicher AnsSatz snsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 24 Simulation des RotatioNSprinZIps ccccccccssseccssseecesseeeeseeeseeseesenseesensessoaes 26 AT Mod l und Logik a5 eier 26 4 2 Erstellte Softwareumgebung uzuuu0220000an0000an00nnnnnnnnnnunnnnnunnnnnnnnnnnunnnnnunnnnnnnnnnn 29 4 3 Strategien UNG Algoriihen aan 31 4 4 Ergebnisse Teil 1 Simulative Bewertung des Rotationsverfahrens 34 AA TESISIUKU GN ee a 34 4 4 2 Nebeneffekte und Sonderf lle s sssssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 38 4 4 3 Bewertung des Rotationsprinzips auf Basis der Simulation 40 5 Planung der prototypischen Realisierung ccscccceeseeeseeeeeeeeeseeeeneeeeeeeeenees 41 5 1 Nanokoordinatenmessger t NMM 1 uzennunsnanenanunnannnanunnnnnnnnnnanunnnnnnunnnnnnnnnens 41 5 2 Planung der Rotationskinematik uzu0022000000000000nnnn0nnnnnnnnnnnnnnnnanunnanunnnnnnnnn 42 5 2 1 Untersuchte kinematische Ketten u uusuu0a000a0
50. Ruckstellkraft Durch Verwendung mehrerer Kraft sensoren kann neben dem Betrag der Kraft auch die Richtung im dreidimensionalen Raum erfasst werden Die Relativoewegung zwischen dem Tastelement und einem Werkst ck wird blicherweise von einem Koordinatenmessgerat KMG realisiert Der Mittelpunkt der Tast kugel ist hierbei im Bezug zum Ger tekoordinatensystem durch Einmessen bekannt Die Bewegung von erstem mechanischem Kontakt bis zu dem Punkt ab dem der konfigurierte Kraftwert erreicht wird wird als Vorlauf bezeichnet Nach Detektion des Kontakts wird die Bewegung abgebremst bis zum Stillstand diese Distanz wird als Uberlauf bezeichnet Das Tastsystem wird zur ckgezogen und die Oberfl che des Werkst cks wird in einzelnen Ober fl chenpunkten erfasst Im klassischen Fall erfolgt eine Einzelpunktantastung mit fester An tastkraft jedoch ist auch ein scannender Betrieb mit variierender Antastkraft m glich Die Verwendung von Tastsystemen wird in der Norm DIN EN ISO 10360 5 2011 behandelt Zu ber cksichtigen sind bei Tastsystemen die wirkenden Kr fte und mechanischen Span nungen durch die mechanische Antastwechselwirkung Sie f hren zu einer elastischen De formation des Tasterschafts des Antastelements und der Werkst ckoberfl che und lassen sich nach der Hertz schen Theorie beschreiben HERTZ 1881 Bei Annahme einer Tastkugel und einer ebenen Antastfl che f hrt die Antastkraft zu einer kreisf rmigen Kontaktzone unter elastisch
51. Sensor in den Arbeitspunkt bringen Nach Bild 50 wurde als Kompromiss die Distanz R S zu 43 6 mm und RS zu 29 3 mm gew hlt wobei der Sensorarbeitspunkt 5 mm ber dem Abbepunkt liegt Die Berechnungen in Kapitel 5 2 3 basieren auf diesen Werten Mit Festlegung dieses Ab standes wurde eine notwendige Vergr erung des metrologischen Rahmens der NMM 1 berechnet Es erfolgte eine Erh hung der Zerodurkopfplatte um 76 mm durch Distanzh lsen aus InVar Bild 51 Seite 64 von 106 Aufbau des Pr fstandes Bild 51 Vergr erter Metrologierahmen mit nicht belegtem Sensorwechselmodul Die Verbindungsteile der Drehachsen wurden ebenfalls soweit sinnvoll aus InVar gefertigt um L ngen nderungen durch thermische Effekte zu minimieren Hierzu geh rt an oberster Stelle der Moduleinschub in die NMM 1 Darunter ist die Aerotech Achse installiert die selbst aus Aluminium gefertigt ist und ber eine kreisrunde Adapterplatte die zweite Achse tr gt Um unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten auf dieser gro en Fl che zu vermeiden wurde die Adapterscheibe aus Aluminium gefertigt Es folgt ein Adapterblock der die zweite Drehachse unter einem Winkel von 45 befestigt und wieder aus InVar besteht Der Adapter block kann zur Ausrichtung ber Lochmuster in der Adapterplatte verschoben werden Es folgt die Smaract Achse aus Titan die die Tasterhalterung aus InVar tr gt Diese hat an ih rem Ende eine um 45 gewinkelte Klemmhalterung f r Taststifte von 1
52. T T Resultierendes Oberfl chenprofil 400 um Ohne Rotation ne 300 um Mit Rotation 200 um 100 um Abweichung zu Sollprofil Ohne Rotation m Mit Rotation Idealer Winkel 0 00mm 02mm 04mm 06mm 08mm 10mm 1 2 mm Bild 26 Simulierte Messung mit Sensorrotation auf einem Kreisprofil Mit Beginn der Messung ist beim klassischen Ansatz sowie bei der vorhersagenden Strate gie keine Rotation eingestellt und die Tastspitze ist senkrecht zum Basisprofil Mit fortschrei tender Messung erfolgt eine Flankenantastung am Beginn der Halbsph re und die Abwei chung an dieser abrupten H hen nderung steigt f r beide Varianten Die erfasste H hen n derung wird in den Berechnungspuffer der vorhersagenden Strategie geschrieben eine not wendige Winkel nderung berechnet und eine Rotation wird eingeleitet Durch eine begrenzte Rotationsgeschwindigkeit und begrenzten maximalen Winkel sichtbar am Unterschied zwi schen tats chlichem und idealem Winkel wird die Abweichung jedoch nicht komplett abge baut Der Anstieg erfolgt jedoch langsamer und das Maximum wird in diesem Fall von 60 um auf 30 um reduziert Mit fortschreitender Messung wird die Abweichung weiter reduziert und der Rotationswinkel erreicht seinen eingestellten Maximalwert Mit Verlassen der Stellbe grenzung wird nun die Abweichung im Gegensatz zum klassischen Verfahren komplett ver hindert Bei der Messung auf der zweiten Kreish lfte steigt die Abweich
53. achtung erfolgen Bild 68 zeigt auf der Kugelfl che im Detail die Unterschiede zwischen Sensorrotation klassischer Messung und simulierten Solldaten Letztere wurden auf Basis der Kalibrierdaten mit der gleichen Strategie und dem gleichen Tastelement berechnet Bei Abweichung der kalibrierten Radien von den tats chlichen lokal g ltigen Radien kann des halb eine systematische Abweichung im Nanometerbereich auftreten In Bild 68 wurde eine Seite 86 von 106 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp ungleiche Achsenskalierung gew hlt so dass bei allen real durchgef hrten Messungen Un terschiede zur simulierten Idealkontur sichtbar sind Bei den Scans mit Rotationsprinzip sind Unstetigkeiten zu erkennen die im Abstand von 100 um auftreten also nach Durchf hrung einer Rotation Diese Unstetigkeiten sind bei Verwendung der Kurzzeitkalibrierung weniger stark ausgepr gt bei Verwendung des festen Kalibrierfeldes treten hingegen Spr nge von 1 um bis zu 2 um auf Es zeigt sich der Vorteil einer Kurzzeitkalibrierung bei Langzeitver n derungen an Kinematik und Aufbau Die verbleibenden Spr nge von bis zu 500 nm bei Kurz zeitkalibrierung k nnen wie schon bei der Wendeschneidplatte prim r auf ein zu geringes Winkelaktualisierungsintervall zur ckgef hrt werden Ebenfalls auff llig ist eine Abweichung des erfassten Radius insbesondere sichtbar im Be reich des Kugelpols Dort zeigen alle real aufgenommenen Messdaten eine negative Abwei chung
54. aktilen 3D Systemen ist dass eine Antastung in 3D zwar m glich ist aber nur der Signalbetrag erfasst wird Die Kontaktrichtung muss indirekt ber die Trajektorie er mittelt werden 2 1 7 Positioniersysteme Zur Nutzung der beschriebenen Sensorik ist in der Regel noch ein Positioniersystem not wendig Dessen Komplexit t h ngt prim r von den verwendeten Sensoren ab Im Falle fl chig arbeitender optischer Systeme wie Wei lichtinterferometern oder Fokusvariation erfasst die in der Optik integrierte Aktorik einen Arbeitsbereich im Submillimeter bis Millimeterbe reich Der laterale Arbeitsbereich wird durch die Wahl des Objektivs bestimmt Um den Ar beitsbereich zu vergr ern sind zus tzliche bewegte Achsen mit anschlie endem Stitching berlappender Einzelmessungen notwendig F r optische Punktsensoren sowie klassische Tastschnittger te sind laterale Achsen zur Durchf hrung der Scanbewegung immer notwen dig Unter Ber cksichtigung eines begrenzten Arbeitsbereiches in Sensorrichtung muss bei dar ber hinausgehenden H henunterschieden ein Stitching stattfinden Moderne Ausf hrun gen von Tastschnittger ten beispielsweise speziell zur Messung von Optiken kombinieren laterale Achsen mit einer Drehachse als zylindrisches Koordinatensystem hnlich einem Formpr fger t TAYLOR HOBSON 2012 Insbesondere f r taktile bzw mikrotaktile Systeme werden als Positioniersysteme Koordinatenmessger te mit kartesischen Koordinatensyste men
55. approximierten Sensorkennlinie kann der Antastpunkt auch bei variierendem Signal berechnet werden Eine direkte Berechnung des Arbeitsabstandes ist hingegen nur begrenzt m glich da die Formabweichung der Sonde blicherweise gr er ist als der Arbeitsabstand Stattdessen wird ein effektiver Radius rer L R genutzt Signal Signal Weg Bild 59 Arbeitsabstand und effektiver Radius bei unterschiedlicher Signalstarke 7 1 4 Messablauf unter Verwendung des Korrekturfeldes Unter Einbezug des Korrekturfeldes kann der bereits in der Simulation gezeigte Ablauf wie folgt in die Ablaufsteuerung integriert werden Beginnend mit 0 Rotation erfolgt die Oberfla chenmessung in Einzelpunktantastung Erst wenn ausreichend Punkte aufgezeichnet wur den greifen die Algorithmen der gew hlten Strategie Die erfassten Oberfl chenpunkte wer den ber den Mittelpunkt des Tastelements und den aktuellen Korrekturvektor in das Werk st ckkoordinatensystem gebracht Ein weiterer Vektor vom Sensormittelpunkt in Rotations richtung und der L nge des effektiven Radius wird dazu genutzt Die transformierten Koordi naten werden in den Algorithmus der Strategie geladen welcher den neuen Winkel berech net Sofern die Winkel nderung eine Drehung rechtfertigt wird zuerst der Sensor von der Oberfl che getrennt und dann die Rotation durchgef hrt sowie die neue Mittelpunktskoordi nate des Sensors geladen Dieser Vorgang ist in Bild 60 a bis c dar
56. assbare syste matische Anteile nicht erfassbare systematische Anteile und zuf llige Anteile gruppieren VIM 2012 GEIGER U KOTTE 2008 Der Ansatz besteht neben einer Vermeidung von Ab weichungsursachen in der Erfassung und Kompensation erfassbarer systematischer Abwei chungsanteile Dazu z hlen seitens der Achsen die F hrungsabweichungen Diese verhalten sich gr tenteils systematisch z B durch statische Formabweichung der F hrungsbahnen teils jedoch auch zuf llig z B durch Formabweichungen der W lzk rper Zuf llige Abwei chungen k nnen nicht durch Erfassung und Korrektion reduziert werden Im weiteren Sinne systematisch k nnen auch Hysterese Effekte betrachtet werden deren Modellierung jedoch nicht trivial ist Eine Quelle vermeidbarer systematischer Einfl sse liegt in der Montage und Ausrichtung der Drehachsen zueinander der Fertigungsgenauigkeit der mechanischen Adapter und der Positionsabweichung des Sensorarbeitspunktes In Summe f hrt dies dazu dass sich die Rotationszentren der beiden Achsen durch Verkippung und Verschiebung nicht ideal schneiden und dass der Sensorarbeitspunkt neben dem idealen Schnittpunkt liegt Die berlagerung all dieser genannten systematischen Abweichungen f hrt zu einer reprodu zierbaren Bewegungstrajektorie des Sensorarbeitspunkts im Raum Sie soll in einem Kalib rierfeld erfasst werden und es soll ber die Achsbewegungen der NMM 1 eine Korrektion stattfinden Es verbleiben nach Korrektion n
57. ationswinkels Nach Verbindung der beiden einzelnen Achsen zu einer gestapelten Kette wird eine Funktion ben tigt um ber die Rotation der einzelnen Achsen einen bestimmten Winkel des Sensors im kartesischen Koordinatensystem der NMM 1 zu erreichen Wie in Kapitel 5 2 3 beschrie ben f hrt die Rotation der Smaract Achse zu Rotationskomponenten des Sensors um X und Y Die Aerotech Achse rotiert um die Z Achse und verschiebt dabei die Rotationskomponen ten um X und Y um beispielsweise bei einem Scan entlang der X Achse eine Rotation rein um Y zu erhalten Gesucht wird hierbei eine Funktion um zu einem Rotationswinkel in karte sischen Koordinaten die korrespondierenden Werte in den Zylinderkoordinaten der Drehach sen zu ermitteln Zur rechentechnischen Abbildung wird der im Folgenden vorgestellte inver se Ansatz genutzt Ausgangslage ist die Nullstellung beider Drehachsen mit Ausrichtung der auskragenden Sensorhalterung entlang der Y Achse der NMM 1 mit dem Vektor u als Drehachse der Sma ract Einheit und Vektor v als Drehachse des Aerotech Tischs Bild 53 Der Sensor wird als Vektor S auf den Arbeitspunkt entlang der Z Achse dargestellt Alle Vektoren k nnen mit ei ner Norm von eins angenommen werden da nur Winkel betrachtet werden Achse 1 Z N y Aerotech Achse 1 Aerotech l I I Z Achse 2 Sensor Yo Smaract a li Achse 2 b Smaract m Bild 53 Schematische Darstellung des Senso
58. atte kann ber das Lochmuster spielfrei auf der Spiegelecke der NMM 1 fixiert werden Vor dem Kugelartefakt ist zudem ein Werkst ck zu sehen eine halbe Wendeschneidplatte die in 8 3 1 n her beschrieben wird Die Kugel hat einen Nenndurchmesser von 4 mm und wurde am Messzentrum des Lehrstuhls QFM kalibriert Die Kalibrierung erfolgte mit einem Werth Videocheck 400 UA unter Verwendung eines mikrotaktilen Tastsystems Werth Fiber Probe 3D Dieses System hat laut Datenblatt eine Antastabweichung bei Einzelpunkterfassung von 0 25 um WERTH 2012 bzw liegt sie ohne Ber cksichtigung der Tastkugelformabweichung im Bereich von 300 nm PETZ U A 2012 Seite 78 von 106 Korrektion systematischer Abweichungen der Rotationskinematik Kalibrierkugel BER Pr fk rper Bild 61 Werkst cktr ger mit elektrisch leitend aufgebrachter Kalibrierkugel und Pr fk rper Die verwendete Tastkugel aus Glas hatte im vorliegenden Fall einen Durchmesser von 248 um Es wurden auf der oberen Kugelhemisph re 25 Punkte aufgenommen verteilt nach der Empfehlung in DIN EN ISO 10360 5 2011 Der Durchmesser ergibt sich damit zu 3 9994 mm mit einer Formabweichung von 2 96 um abweichend zur angegebenen Form abweichung M gliche Ursachen ergeben sich durch Verunreinigung von Artefakt oder An tastkugel einer tats chlichen Formabweichung oder einer Antastabweichung des Mikrotast systems Zur n heren Untersuchung wurde die Einzelpunktabweichung betrachtet und ein
59. auf quasitakti le Systeme und in N herung auf Rasterkraftverfahren direkt bertragbar Wie in Kapitel 2 1 3 beschrieben wird bei der Oberfl chenrekonstruktion aus den erfassten H henwerten eines Profilometers von einem Kontaktpunkt am Pol der Tastspitze ausgegangen der jedoch bei erh hten lokalen Oberfl chenwinkeln nicht vorliegt eine Abweichung nach Gleichung 5 resultiert Im Falle eines Kontaktes im Flankenbereich h ngt die laterale Auswanderung des Kontaktpunkts von der Geometrie der Werkst ckoberfl che ab und die Abweichung steigt stark an Ein weiterer zu ber cksichtigender Effekt besteht in der elastischen Deformation des Werkstucks durch die Anpresskraft des Cantilevers Die Kraft soll senkrecht zur Oberfla che eingeleitet werden was nur im Pol der Spitze der Fall ist Eine Auswanderung des Kon taktpunktes f hrt mit zunehmendem Winkel zu quer laufenden Kraftkomponenten Ausge hend von der Annahme dass bei einem idealen Kontaktwinkel dieser Betrag konstant bleibt wurde von dessen Einbezug in das genutzte Abweichungsmodell abgesehen Ebenfalls bei Profilometern zu ber cksichtigen ist die Korrektur des Bogens den die Spitze bei Auslen kung beschreibt In Verbindung mit dem geplanten Nanokoordinatenmessger t fungiert der Sensor als Nullindikator und nur das Werkst ck wird translatorisch bewegt Dadurch wird eine Bogenkorrektur durch geringe Auslenkung hinf llig Zur automatisierten Berechnung der auftretenden Abweichung ist
60. azision Rotationskinematik Einer der wesentlichen Beitr ge resultiert aus der abweichungsbehafteten wiederholten Posi tionierung der Rotationskinematik bzw genauer gesagt der Wiederholpr zision der Sensor positionierung im Raum ber die beschriebene Kalibrierstrategie l sst sich dessen Position einmalig bestimmen und im Kalibrierfeld ablegen Eine Abweichung bei der Messung tritt auf wenn bei der wiederholten Adressierung einer Position der Sensor von der gespeicherten Position abweicht sei es durch unbekannte systematische oder zuf llige Komponenten F r die Wiederholpr zision wurde in den Eingangsuntersuchungen nach Kompensation der Hys terese eine Mehrfachtaster Ortsabweichung P re von 137 6 nm X 99 4 nm Y und 86 3 nm Z ber den Arbeitsbereich bestimmt Winkelabh ngig wurden auch bessere Werte reali siert Die Spannweite der Werte wird hierzu in eine Standardunsicherheit berf hrt unter der Annahme einer Gleichverteilung Nach GUM Kapitel 4 3 7 wird bei ausschlie licher Kennt nis von Minimal und Maximalwerten eine Gleichverteilung angenommen eine Betrachtung der vorhandenen Daten widerlegt diese konservative Annahme nicht Die Standardunsicher heit resultiert demnach durch Division der Weite durch v12 Es ergibt sich nach GUM f r die Z Position des Sensors durch Multiplikation der Standardunsicherheit mit dem Erweiterungs faktor k 1 65 bei Gleichverteilung ein 95 Konfidenzintervall von 41 nm Wenn der Sen sor
61. bare Winkel eingeschr nkt Eckenwinkel 35 120 aa pi et E ee ll oe a 5 Schne kantenradius lg 20 um 100 um Bild 14 Links Wendeschneidplatte Rechts Mikrofr ser Hansen u a 2006 Stand der Technik Seite 19 von 106 Bild 15 Links Einzelne Mikrolinse Rechts Mikrolinsenarray Linsenabstand modellabhangig 75 um bis 300 um SUSS 2011 Optische Komponenten Ein anderes Beispiel aus dem Bereich neuartiger Produkte stellen Mikrolinsenarrays dar Sie werden meist im Prageverfahren hergestellt und bestehen aus hunderten oder tausenden von nebeneinander angeordneten optischen Linsen mit Durchmessern im Mikrometerbe reich Sie kommen als einzelne Elemente in der Nachrichtenubertragung bei Faserkopplern zum Einsatz in Endoskopen und bei CD DVD und Bluray Playern Im Nutzen werden sie unter anderem eingesetzt um in Digitalkameras das einfallende Licht auf die aktiven Sen sorpixel zu fokussieren EDWARDS U A 1993 V LKEL U A 2003 Lin u a 2007 Relevante Gr en eines Mikrolinsenarrays bzw dessen Pr gestempels sind Position Form und Rau heit der Linsen Die Erfassung kann hier wieder zum Teil taktil mittels Profilschnitt erfolgen oder auch teilweise optisch erneut begrenzt durch den Flankenwinkel bis 60 und in Sonder f llen 90 HUNG U A 2012 SCHEIDING U A 2009 Insbesondere mikrotaktile System kom men hierbei auch zum Einsatz BEAUCAMP U A 2007 SCHEIDING U A 2009 Erschwerend kom
62. barkeit berechnet Bei normalverteil ten Gr en ergibt sich r f r ein Vertrauensintervall von 95 zu r 2 8 o Es resultieren 87 6 nm in X 162 1 nm in Y und 206 6 nm in Z Unter der Ber cksichtigung dass die erfass te unidirektionale Wiederholgrenze innerhalb des Unsicherheitsbereichs des Messsystems Videocheck liegt und beim gew hlten Kugelabstand mit den Datenblattwerten ein Wert von 740 nm in X und Y sowie 400 nm in Z m glich w ren lassen sich die Datenblattangaben f r unidirektionalen Betrieb als plausibel einstufen Im Vergleich mit dem regul ren Pendel bietet diese Kinematik bei gleichem Winkelbereich die bessere Genauigkeit und eine bessere An steuerung bei mehr Freiheitsgraden 5 2 3 Gestapelte Drehachsen Eine letzte in Betracht gezogene kinematische Kette basiert auf Stapelung zweier Drehti sche Der Aufbau ist schematisch in Bild 40 links dargestellt und als ausgearbeitetes CAD Modell in Bild 40 rechts Die Montagefl che des oberen Tischs ist parallel zum Werkst ck tr ger der NMM 1 angeordnet so dass die Rotationsachse fluchtend mit der Z Achse ver l uft Uber ein gewinkeltes Adapterst ck ist die zweite Rotationsachse unter der ersten mit 45 angebracht Auf der zweiten Achse ist wiederum der Sensor installiert dessen Arbeits richtung zus tzlich 45 zur zweiten Achse ausgerichtet ist und damit wieder parallel zur Drehachse des oberen Drehtisches bzw senkrecht zum Werkst cktr ger steht Die Beson derheit diese
63. ben fur eine Hardwarerealisierung geben Auf Basis der Erkenntnisse der Simulation folgt die Planung einer kinematischen Kette zur Realisierung der Rotationsbewegung in der Praxis Die Positioniergenauigkeit der Kinematik ist essentiell f r die Maximierung des Nutzens durch das Neigungsverfahren Bedingung ist dass die Reduktion der Messabweichung durch die Rotation gr er ist als eine auftretende Auswanderung des Sensorarbeitspunktes vom zu messenden Oberfl chenpunkt Nach Auswahl und Konstruktion der kinematischen Kette ist diese in einem Pr fstand zu integrieren Als Basisger t soll ein Nanokoordinatenmessger t zum Einsatz kommen das um die Kinematik erweitert wird Neben einer mechanischen Integration erfordert dies eine elektrische Integration sowie eine softwareseitige Dies umfasst eine bergeordnete Ablauf steuerung und die Integration der Steuerlogik f r die Rotation w hrend der Messung Als Sensor soll ein quasi taktiler Sensor auf elektrischer Nahfeldwechselwirkung genutzt werden Dieser erlaubt in bereinstimmung mit dem Simulationsmodell zu arbeiten bei je doch Sub Nanometer Aufl sung und dem Wegfall mechanischer Einschr nkungen bei der Spitzenwahl Ein Betrieb von Profilometerspitzen als auch Kugeltastern ist m glich und er eignet sich durch 3D F higkeit zur Kalibrierung der Rotationskinematik Der Sensor ist in das Nanokoordinatenmessger t zu integrieren erneut auf elektrischer mechanischer und soft wareseitiger Ebe
64. benen interagierenden Baugruppen sollten berarbeitet werden Ziel war die Auftrennung und Modularisierung der Baugruppen um diese m glichst nah an ihrem Wirkort einzusetzen und die Leitungsl ngen zu reduzieren Zudem sollte der bergang von THT Bauteilen zu SMD Surface Mount Device erfolgen die einen h heren Miniaturisierungsgrad und ebenfalls k rzere Signalpfade erm glichen Ein weiteres Ziel war die berarbeitung der verwendeten Schaltungen und integrierten Schaltkreise um eine h here Empfindlichkeit bei weniger Signalrauschen zu erm glichen Die berarbeitung der Baugruppen wird im Folgen den beschrieben Spitzenspannungsquelle Der Betrag der Spitzenspannung geht linear in die Gleichung fur das Sensorausgangssignal ein Gleichung 7 wodurch sich das Optimierungsziel von geringer Schwankung ergibt Wei tere Anforderungen resultieren aus dem Bedarf verschiedener Spannungswerte womit die Versorgung mindestens im Bereich von 200 mV bis 1500 mV einstellbar sein sollte Bez g lich der Strombelastbarkeit wird von einer vernachl ssigbaren Belastung ausgegangen Die Planung der prototypischen Realisierung Seite 57 von 106 bestehende L sung auf Basis eines linearen Spannungsreglers vom Typ 78L05 mit ange schlossenem Spannungsteiler und Spannungsfolger sollte idealerweise direkt durch eine Referenzspannungsquelle ersetzt werden da im Normalbetrieb nur ein Stromfluss weniger Nanoampere vorliegt Referenzspannungsquellen sind auf ge
65. chse ein Abstand von 533 nm in 3D bei 10 und 23 nm bei 20 Bei statischer Ae rotech Achse ergaben sich hingegen 1390 nm respektive 1150 nm Die Quelle der Hysterese scheint prim r bei der Smaract Achse zu liegen welche im Vergleich zur Aerotech Achse die Seite 82 von 106 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp F hrungen mit der geringeren Genauigkeit verwendet Die Abweichung primar in der X Achse deutet beim Aufbau auf einen Taumel der Smaract Achse quer zur Gewichtskraft bei Richtungsanderung hin Um den Effekt der Hysterese zu umgehen wurde das Kalibrierfeld in zwei Versionen abgespeichert mit jeweils einem Korrekturvektor pro Rotationsrichtung Auf Basis dieser Messungen zur Wiederholbarkeit kann nach Korrektion erfassbarer syste matischer Abweichungen durch das Korrekturfeld eine Mehrfachtaster Ortsabweichung Pre des Dreh Schwenk Systems angegeben werden Fur die X Komponente wird auf den Wert der zehnmaligen Antastung bei 0 zur ckgegriffen eine Betrachtung des Histogramms kann hier keinen AusreiBer best tigen Es resultiert ein P_ te von 137 6 nm in X 99 4 nm in Y und 86 3 nm in Z Fur eine 3D Ortsabweichung kann zudem durch direkte Betrachtung der Ein zelpunkte der Wert 144 7 nm angegeben werden Dieser Wert kann winkelabh ngig und bewegungslangenabhangig besser sein Im Vergleich mit den Anforderungen aus der Pla nungsphase der Achsen einen Punkt innerhalb eines Fensters von 500 nm zu adressie ren Ubertrifft die rea
66. chtbar jedoch abh ngig von Struktur oft gering oder vernachl ssigbar Die Unterschiede zeigen sich erst bei Variation der Spitzenform den maximalen Drehwinkeln und Drehgeschwindigkeiten Fei nere Unterschiede ergeben sich in der berechneten Winkelbeschleunigung dem zeitlichen Vorlauf der Reaktion auf eine Oberfl chen nderung und der Tendenz zum Aufschwingen Alle vorhersagenden Strategien au er der linearen Interpolation k nnen bei ung nstiger Pa rameterwahl zum Aufschwingen neigen F r die Praxis hat sich deshalb eine vorhersagende lineare Strategie bew hrt Diese liefert in nur einem Durchgang Ergebnisse die den anderen Ans tzen in der Regel nicht nachstehen und l sst sich zudem mit wenig Rechenaufwand im sp teren Versuchsstand realisieren Ein deutlicher Unterschied zu anderen eingebundenen Extrapolationsalgorithmen wurde nicht festgestellt Zu ber cksichtigen bei der Wahl der Stra tegie sind wiederholte oder hohe Steigungsspr nge Diese lie en sich mit einer analysieren den Strategie und dem vorausblickenden Average Slope Ansatz in zwei Durchg ngen bes ser erfassen als mit einer linearen Vorhersage Die wissensbasierten Strategien wurden in den Simulationen nicht in vollem Detailgrad betrachtet sie sind jedoch mit analysierenden Strategien vergleichbar Die Ergebnisse der Simulationen zeigen die je nach Profilverlauf und Tastelement z T erheblichen zu erwartenden Verbesserungen der Abbildungstreue durch die Sensornachf
67. ckwiderstand St tzkondensatoren Bild 48 Resultierende Platine der Verst rkerschaltung Ein wichtiges Layoutkriterium war der Massegraben um den Eingang bei Markierung Nr 1 herum Er umfasst den Eingangszweig und wird unter dem OPA129 selbst geschlossen Der Graben verhindert Leckstr me in den Eingangszweig durch die umgebende Platine ber einen herausgef hrten Anschluss des OPV ist der Graben direkt mit dem Chipsubstrat ver bunden Generell wurden alle Leitungsz ge m glichst kurz gehalten und m gliche St rquel len vom Tunnelstromeingang distanziert Der Anschlusspunkt der gemeinsamen Schal tungsmasse wurde zudem so gew hlt dass keine Ausgleichsstr me in der N he des Ein ganges flie en Der LMP7721 wurde auf einer hnlichen Platine mit dem gleichen Funktions umfang aufgebaut er wird jedoch mit einer Versorgungsspannung von 0 bis 5 V betrieben 5 3 3 Spannungsversorgung Die Spannungsversorgung von bis zu 11 V f r die Verst rker wurde nach einer Markt recherche mit dem variablen Regler LP2951ACM von National Semiconductor LP2950 rea lisiert Im Vergleich zu Version 2 mit einem 10 Volt Festspannungsregler 78L10 hat dieser eine Genauigkeit von blicherweise 0 5 verglichen mit 5 eine Line Regulation von typi scherweise 0 03 verglichen mit 2 Die Spitzenspannungsbaugruppe f r 5 Volt erh lt ihre Versorgung hingegen von einer Festspannungsl sung auf Basis des LP2950ACZ 5 0 von National Semiconductor welcher eine
68. cope In Proceedings ASMC 2010 S 7 10 HUNG U A 2012 HUNG K Y CHEN Y K HUANG S H UND SHYE D C Molding and hot forming techniques for fabricating plastic aspheric lenses with high blue light transmittance In Microsyst Technol 16 2010 S 1439 1444 Seite 100 von 106 Literaturverzeichnis IBS 2012 IBS PRECISION ENGINEERING Datenblatt Triskelion www ibspe com aufgerufen 25 11 2012 IFAM 2011 FRAUNHOFER INSTITUTE FOR MANUFACTURING TECHNOLOGY AND ADVANCED MATERIALS IFAM Pro environmental and economically airborne Presseinformation Holzkirchen 30 03 2011 J GER U A 2009 J GER G MANSKE E HAUSOTTE T UND B CHNER H J Metrologische Grundlagen und Wir kungsweise der Nanopositionier und Messmaschine NMM 1 In Technisches Messen 76 5 2009 S 227 234 JIANG U WHITEHOUSE 2012 JIANG X UND WHITEHOUSE D J Technological shifts in surface metrology In Annals of the CIRP 61 2 2012 S 815 836 JUSKO U NEUGEBAUER 2007 JUSKO O UND NEUGEBAUER M Grundlagen der R ckf hrung von Koordinatenmessger ten In PTB Mitteilungen 2007 4 S 354 362 KEITHLEY 2004 KEITHLEY INSTRUMENTS Low Level Measurements Handbook Keithley Instruments Inc Ohio 2004 KELLER 1991 KELLER D Reconstruction of STM and AFM images distorted by finite sized tips In Surface Science 253 1991 S 353 364 KR MER 2007 KR MER P Untersuchung der Tunnelmikroskopie als Antastwechselwirkung f r die di
69. d Nebenbewegungen um d x z und dpy pz gelten als Taumel um die X bzw Y Achse und werden haupts chlich von der Fertigungs genauigkeit und Art der F hrung bestimmt Ebenso durch die F hrung bestimmt ist die trans latorische Abweichung 6z z entlang der Rotationsachse auch Planlauf genannt und die Rundlaufabweichung bzw Exzentrizit t in X 0x z und Y dy z Neben F hrungsabwei chungen und der Aufl sung der Encoder ergeben sich je nach Art des Antriebes und der Lagerung weitere Ursachen f r Positionsabweichungen An dieser Stelle sollen beispielhaft das Getriebespiel bei Schneckenantrieben und Druckluftschwankungen bei Luftlagern ge nannt werden Auf dynamische Aspekte wie z B Bahnabweichungen soll zudem bis auf Hys terese nicht n her eingegangen werden da der geplante Prototyp nur f r einen Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit ausgelegt wird Die genannten Abweichungen und deren Ursa chen lassen sich analog auf Linearachsen und auf Parallelkinematiken bertragen Bei der Verkettung von kinematischen Elementen sind deren Einzelkomponenten ber die Lage der Basiselemente zueinander zu verketten und zu Uberlagern Insbesondere Winkelabweichun gen gewinnen mit zunehmendem Abstand von ihrem Drehzentrum an Einfluss weshalb kompakte Aufbauten zu bevorzugen sind Seite 44 von 106 Planung der prototypischen Realisierung Ox Z Bild 34 Auftretende Abweichungskomponenten eines Drehtisches 5 2 1 Untersuchte kinematische
70. d vier wichtige Ans tze erfasst VDI VDE 2617 Blatt 12 1 2011 Eine ber sicht weiterer Systeme wurde in WECKENMANN U A 2004 WECKENMANN U A 20094 WECKENMANN U SCHULER 2011 ver ffentlicht Induktiver Taster mit Festk rpergelenken Einer der in VDI 2617 genannten Ans tze erfolgte am Institut METAS in Zusammenarbeit mit Mecartex KUNG U A 2007 Der Federmechanismus f r die Tastkraft wurde bei diesem De sign ber eine komplexe monolithische Mechanik aus Festk rpergelenken realisiert Der Aufbau sperrt rotatorische Freiheitsgrade und separiert eine Auslenkung in ihre translatori schen Einzelkomponenten jeweils detektiert von induktiven Sensoren Durch eine 45 Nei gung sind alle Achsen gleichm ig von Schwerkraft beeinflusst zudem ist der Aufbau darauf ausgelegt isotropes Verhalten zu zeigen Das System resultiert in einer Steifigkeit von Stand der Technik Seite 7 von 106 20 mN mm bei einer bewegten Masse von 7 g Als Messbereich werden 200 um angege ben mit einer Wiederholgenauigkeit von 5 nm Bild 4 Piezoresistiver Taster Ein weiterer in der Richtlinie enthaltener Taster wurde an der TU Braunschweig entwickelt und monolothisch mittels Verfahren der Halbleitertechnik hergestellt BUTEFISCH U BUTTGEN BACH 1999 Aus Silizium wird durch anisotropes Atzen eine Membran mit einer Verdickung in der Mitte hergestellt Auf dem Mittelstuck wird ein Taststift aufgeklebt an dessen Ende eine Saphirkugel mit 0 3 mm Durchmes
71. der Formabweichung ben tigt In Konsequenz resultiert eine un bekannte systematische Abweichung der Korrekturvektoren im Kalibrierfeld F r den ermittel ten Wert von Pire hat dies einen vernachlassigbaren Einfluss da die winkelabh ngige Ver schiebung den erfassten Mittelpunkt w hrend der Bestimmung von Pire in gleichem Ma e beeinflusst wie die als Sollwert geladenen Korrekturvektoren Pite kann damit weiterhin als eine quantitative Angabe f r die zuf llige Positionsabweichung der Rotationskinematik ver wendet werden Ein zweiter Effekt aufgrund Formabweichung kommt w hrend einer Messung bei der Be rechnung des Antastvektors zum Tragen da hier von einem konstanten Radius ausgegan gen wird Im worst case kann bei ung nstiger Lage der Sensorkugel der erfasste H henwert um bis 307 nm verschoben werden Zus tzlich zur Formabweichung ist die Unsicherheit Seite 88 von 106 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp der Radienkalibrierung zu nennen die vom verwendeten KMG und dem Werth Fiber Probe abh ngt Generell zeigt sich bei beiden verwendeten Kugeln Optimierungspotenzial Bei der Kalibrierkugel ist in diesem Kontext die allgemeine Formabweichung wie schon in Bild 62 gezeigt zu nennen sofern diese prim r von der Kugel herr hrt Die Nutzung einer anderen Kugel mit geringerer Formabweichung ist anzuraten Bei der Sensorkugel soll bez glich der Formabweichung folgende lichtmikroskopische Aufnahme und die Darstellung der Residue
72. e Anzahl der kommerziell erh ltlichen Systeme sehr stark beschr nkt und die Systeme sind sehr empfind lich gegen ber Besch digung bei gleichzeitig hohen Ersatzteilkosten Sie kommen zum Teil auch schon bei der Messung der in Kapitel 2 2 gezeigten Bauteile zum Einsatz Das Haupt problem mikrotaktiler Systeme ist momentan die Begrenzung des Tastelementdurchmes sers der die erfassbare laterale Aufl sung bestimmt Die verf gbaren Systeme verwenden Tastkugeln bis zu 160 um Durchmesser wie im Fall des Triskelion Systems Geringere Durchmesser wie die gezeigten Glaskugeln sind nur mit Sonderverfahren m glich die je doch eine geringere Aufl sung als die kraftbasierten Systeme aufweisen 2 1 3 Tastschnittger te Profilometer Eine relevante Klasse von Ger ten der Mikromesstechnik bilden Tastschnittger te oder auch Profilometer Nach DIN EN ISO 3274 1997 ist ein Tastschnittger t definiert als Me ger t das Oberfl chen mit einer Tastspitze ertastet Abweichungen in Form des Oberfl chenprofils erfasst Kenngr en berechnet und Profile aufzeichnen kann Im Gegensatz zu taktilen Sensoren f r Koordinatenmessger te werden blicherweise keine vollen Kugeln zur Antastung verwendet sondern konisch zulaufende Tastspitzen deren En de in einer geometrisch definierten Verrundung endet Der eigentliche Kontakt mit dem Werkst ck erfolgt an der sph rischen Front mit genormten Radien von 10 bis 2 um DINEN ISO 3274 1997 Aus mechanisch
73. e im Vorversuch An insgesamt 19 Winkelpositionen wurde der Kugelmittelpunkt je f nfmal in direkter Folge erfasst Es ergibt sich auf Basis der 95 Vektoren Uber den Arbeitsbereich eine Wiederhol standardabweichung o und eine Wiederholgrenze r nach Tabelle 7 Eine Betrachtung der einzelnen Positionen und ein Vergleich mit anderen Daten zeigt eine erhohte Abweichung bei 10 m glicherweise durch lokale Formabweichung oder Verunreinigung bedingt Nach Eliminierung ergibt sich in X und Z Richtung eine deutlich bessere Wiederholpr zision Ta belle 7 Auch hier zeigt sich eine erh hte Schwankung in der Z Achse Wiederholpr zision Kugelerfassung bei stehenden Achsen X Y Z Wiederholstandardabweichung o Wiederholgrenze r 111 6 nm Fr ee DE A ohne Winkelposition 10 Tabelle 7 Wiederholpr zision des Sensors bei stehender Rotationskinematik Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Seite 81 von 106 Die Ergebnisse f r den komplett station ren Betrieb sind im Einklang mit den Erfahrungswer ten von Hoffmann und bertreffen die Angaben der Wiederholbarkeit der Antastung ange geben mit einer Antastunsicherheit von 60 nm in 3D k 2 Die Resultate ber den kom pletten Arbeitsbereich ohne Stabilisierungsphase k nnen auf die Positionsregelung und thermische Effekte zur ckgef hrt werden Sie sind jedoch der sp tere Praxisfall und gelten als Referenzwerte f r die Wiederholbarkeit des Sensors ohne explizite Bewegung Unter Nutz
74. eduziert die ben tigte Zeit f r die Messung macht eine komplizierte Nachbear beitung hinf llig und vermeidet Unsicherheitsbeitr ge durch die Datenfusion Das Verfahren ist auf alle gezeigten 1D und 2 5D Sensoren der Mikro und Nanomesstechnik anwendbar und soll exemplarisch an einem mikrotaktilen System demonstriert werden Das Prinzip wird in Bild 19 links verdeutlicht anhand eines Tastschnittgerats Die Messung eines Dreieckprofils erfolgt mit einer festen Ausrichtung der Tastspitze senkrecht zur Profil basis Es ergeben sich mehrere Kontaktsituationen beginnend mit einer Ber hrung an der Seite der Tastspitze gefolgt vom Rand der sph rischen Spitzenfront bis hin erneut zu einer seitlichen Ber hrung Nur am Pol des Profils liegt ein Kontakt im Referenzkontaktpunkt des Sensors vor Bei der Rekonstruktion des Oberfl chenprofils wird ein Kontakt an der Front der Spitze angenommen abweichend von der tats chlichen Kontaktsituation LONARDO U A 1996 Diese morphologische berlagerung der Spitzenform mit der lokalen Oberfl chenform und die resultierende Auswanderung aus dem angenommenen Kontaktpunkt f hren zu einer Abweichung des erfassten Profils vom erwarteten Insbesondere wenn ein Kontakt mit der Flanke der Spitze auftritt steigt die Abweichung an HANSEN U A 2006 Mit dem vorgeschla genen Verfahren wird der Sensor w hrend der Messung um seinen Arbeitspunkt gedreht um immer einen idealen Kontaktwinkel von 90 zur Oberfl che zu hal
75. egelung der Einzelachsen ange wiesen Beim regul ren Pendel oder mit dem Festk rpergelenk hingegen m sste die Rota tionskinematik ein kontinuierliches Drehmoment aufbringen um die Position gegen die Schwerkraft aktiv zu halten eine Selbsthemmung ist nicht vorhanden Das wirkende Dreh moment kann durch Aufbringen von Ausgleichsgewichten reduziert werden aber die Positi onsstabilitat ist weiterhin stark von der Positionsregelung abh ngig Nach Analyse der kinematischen Ketten und Gegen berstellung der Varianten unter Ab sch tzung der Wiederholpr zision auf Basis konkreter Produkte konnte eine Variante aus gew hlt werden Tabelle 6 zeigt die betrachteten L sungen im berblick Ein Vergleich mit den Zielanforderungen zeigt nur bei der Parallelkinematik eine zu erwartende Erf llung Aus finanziellen Aspekten fiel diese Variante letztendlich aus was das regul re Pendel und die gestapelten Drehachsen zur Entscheidung l sst welche beide au erhalb der geforderten Seite 54 von 106 Planung der prototypischen Realisierung Positionsgenauigkeit liegen Aufgrund der geringeren Einschrankungen hinsichtlich des Ar beitsbereichs der NMM 1 des groBeren Winkelbereichs und der geringeren Anforderung an die Positionsregelung der Achsen wurden die gestapelten Achsen gew hlt Uber die Kon struktion wurde in WECKENMANN U SCHULER 2012 und SCHULER U A 2012A berichtet Winkelbereich Wiederholgrenze Sonstiges Regul res Pendel R
76. egul res Pendel Pr Pr lt 1 em te oe a Arbeitsbereich NMM 1 auf Regulares Pendel mit 2 inverses Pendel Pendel ae Er gt gt 1 um Unpr ziser als regul res Pendel bei h heren Kosten 5 er 45 Kein Einbau berkopf Parallelkinematik lt 0 25 um Vergleichsweise hohe Kosten Gestapelte Drehach Relevanz der Winkelaufl sung sen Ba gesenkt Tabelle 6 Vergleich der Realisierungsvarianten und erwarteten Leistungsdaten 5 3 Planung des Sensors Nach Festlegung der Rotationskinematik ist die Wahl des Sensors ausstehend Um im Ein klang mit der vorausgegangen Simulation zu bleiben wird ein Sensor auf taktiler bzw quasi taktiler Basis ben tigt Der einzubindende Sensor soll analog der Simulation eine morpholo gische berlagerung zeigen und mit den beschriebenen Tastspitzen arbeiten k nnen und wird im naheliegendsten Fall durch ein Profilometer realisiert Zum Zwecke der besseren Realisierung des Prototyps sollen weitere Sensoren die diesen Kriterien entsprechen bzw entsprechen k nnen betrachtet werden Die verwandten mikrotaktilen Systeme sind hin sichtlich der Tastelementgr e begrenzt jedoch k nnen sie durch den sph rischen Taster und die dreidimensionale Kontaktpunkterfassung einen gr eren Winkelbereich abdecken ohne dass eine Rotation zwingend notwendig wird Bei Verwendung einer Tastkugel f llt zudem das Problem der Flankenkollision weg Durch die Gr enbeschr nkung mikrotaktiler Systeme k nnte das R
77. eit mit abgenommener Kopfplatte und Sensor Dieser fluchtende Aufbau der zu messenden Gr e mit den Wegmesssystemen eliminiert den Abbe Fehler erster Ordnung HAUSOTTE 2002 und ist ein weiterer notwendiger Schritt um die erzielte Genauigkeit zu erreichen In diesem Aufbau wird nur das Werkst ck samt der Spiegelecke bewegt die von drei gestapelten elektromagnetischen Linearantrieben getragen wird Der Sensor ist unbewegt unter der Kopfplatte L ngenmesssysteme und Sensorik sind Teil des Metrologierahmens der vom Ger terahmen mit den Antrieben getrennt ist Weitere Ma nahmen zur Reduktion von Umwelteinfl ssen wurden auf Seiten des Lehrstuhls QFM durchgef hrt durch Betrieb der NMM 1 in einem klimageregelten und schwingungsiso lierten Messraum Der Messraum ist mit einem separaten schwingungsged mpftem Funda ment vom Rest des Geb udes getrennt um Geb udeschwingungen zu entkoppeln Die Kli matechnik erm glicht eine Raumtemperatur von 20 C 0 1K bei 45 10 relative Feuch te was der Temperatur und Feuchteklasse A nach VDI VDE 2627 Blatt 1 entspricht MESS ZENTRUM QFM 2012 5 2 Planung der Rotationskinematik Einen zentralen Punkt der Arbeiten stellen die Planung und die Konstruktion der Rotationski nematik dar Auf Basis der Simulation einerseits und eines Markt berblicks andererseits kann das zu erreichende Ziel formuliert werden Es wird eine Kinematik oder kinematische Kette gesucht die einen installierten Sensor um einen Arb
78. eitspunkt im Raum in mindestens einer Winkelrichtung in einem Drehbereich von mindestens 10 zu drehen vermag so dass der Ort des Sensorarbeitspunkts im Raum bei wiederholter Adressierung weniger als 500 nm abweicht Der Winkelbereich von 10 ergibt sich einerseits nach Bild 27 da bei 10 eine signifikante Verbesserung sichtbar wird und andererseits aus der Tatsache dass weniger verf gbare Planung der prototypischen Realisierung Seite 43 von 106 Kinematiken aufgrund des Winkelbereichs ausgeschlossen werden Die Genauigkeit von 500 nm resultiert aus der zentralen Forderung dass die Auswanderung der Spitze aus dem Rotationszentrum eine geringere Messabweichung verursacht als durch das Rota tionsprinzip reduziert werden kann Unter Ber cksichtigung der Tatsache dass heutige Sen soren der Mikromesstechnik Aufl sungen im Nanometerbereich erm glichen w re ein ge ringerer Wert anzuvisieren jedoch zeigt eine Marktrecherche dass handels bliche Pr zisi onskinematiken Positionsabweichungen im Mikrometerbereich aufweisen Aus diesem Grund musste bei diesem Zielkriterium vorab ein Kompromiss zwischen Verf gbarkeit und Abweichungsreduktion geschlossen werden Beispielsweise sind bei Rotationskinematiken der preislichen Gr enordnung von 10 000 noch radiale Auswanderungen gr er 3 um in Kauf zu nehmen Modelle mit geringerer Abweichung sind prinzipiell verf gbar jedoch mit h heren Kosten verbunden Exemplarisch sollen hier lu
79. ement of steep surfac es by slope adapted sensor tilting In Meas Sci Technol 23 2012 doi 10 1088 0957 0233 23 7 074007 WERTH 2012 WERTH MESSTECHNIK Datenblatt Werth Fiber Probe WFP 3D Werth Messtechnik GmbH GieBen 2012 ZANDMANN U A 2001 ZANDMANN F SIMON P UND SZWARC J Resistor theory and technology SciTech Publ Lon don 2001 ZHANG U A 2012 ZHANG X GAO H GUO Y UND ZHANG G Machining of optical freeform prisms by rotating tools turning In Annals of the CIRP 61 2 2012 S 519 522
80. en Stabilit tsgr nden kann der ffnungswinkel der Spitze nicht beliebig klein gew hlt werden um Deformation und Bruch zu vermeiden In der Norm wird als Winkel 90 oder 60 festgelegt Im Gegensatz zu mikrotaktilen Systemen ist durch die kleineren Radien eine h here Aufl sung in Scanrichtung m glich jedoch gelten alle phy sikalischen Grenzen insbesondere die Gefahr der Oberfl chenbesch digung genauso Ein typischer Aufbau eines Tastschnittger tes wird in DIN EN ISO 25178 601 2011 skizziert Bild 6 links Die Tastspitze ist an einem Ausleger installiert der drehbar gelagert ist Nach dem die Spitze in mechanischen Kontakt mit der Oberfl che gebracht wurde wird sie von einem Vorschubger t ber die Oberfl che gezogen und die Auslenkung der Spitze aufge zeichnet Die Auslenkung kann ber die Drehung des Armes induktiv oder mit einem Pha sen Gitter Interferometer wie z B beim Taylor Hobson Form TalySurf PGI erfasst werden Das Modell Serie 2 hat eine vertikale Aufl sung von 12 8 nm Bild 7 neuere Ger te haben bis zu 0 8 nm TAYLOR HOBSON 2012 Seite 10 von 106 Stand der Technik Bild 6 Links Schematischer Aufbau eines Tastschnittgerats nach Norm ISO 25178 601 L Lange des Tastarms um Drehgelenk H Tasterh he y Kegelwinkel rip Spitzenradius Rechts Nahauf nahme der Kontaktzone PTB 2012 U Bild 7 Tastschnittger t Taylor Hobson Form TalySurf Messung von Rauheit und Form Tastschnittger te finden An
81. engr e schr nken die Anwendung jedoch wieder ein So k nnen nur Werkst cke mit Abmessungen im Mikrometerbereich oder Aus schnitte von Werkst cken gemessen werden Es gelten wegen der Spitzenform die gleichen berlagerungseffekte wie bei Tastschnittger ten mit den gleichen Einschr nkungen durch die kleineren Radien und Spitzen jedoch in einer geringeren Gr enordnung Mittels mikrotaktiler Systeme w re eine 3D Messung ohne Beschr nkung des Flankenwin kels m glich jedoch sind diese aufgrund der Tastelementgr e nicht bei allen Werkst cken anwendbar Die Tastelementgr e beschr nkt zugleich die erfassbare Strukturaufl sung Es gelten die gleichen Einschr nkungen hinsichtlich Werkstoffh rte wie bei den Tastschnittger ten Problematisch ist zudem die starre Schaftausrichtung die eine Messung von Hinter schneidungen verhindert und die Messung in Mikrol chern erschwert Im Gegensatz zu ma krotaktilen Systemen wurden bei mikrotaktilen Systemen Sterntaster nur in ersten Entw rfen gezeigt SCHRADER U A 2011 Gemeinsame Defizite Eine Gemeinsamkeit aller Sensoren liegt in ihrer Begrenzung auf 2 5 Dimensionen von mik rotaktilen Systemen abgesehen und der damit verbundenen Einschr nkung des erfassbaren Oberfl chenwinkels Bei berschreitung des f r den jeweiligen Sensor vorherrschenden Grenzwertes steigt die Messabweichung an oder eine Messung ist unm glich Bild 18 zeigt die Begrenzung am Beispiel eines Profilometers u
82. ent Precision Amplifier http www ti com product LMP7721 aufgerufen 25 11 2012 LONARDO U A 1996 LONARDO P M TRUMPOLD H DE CHIFFRE L Progress in 3D Surface Microtopography Char acterization In Annals ofthe CIRP 45 2 1996 S 589 598 LP2950 National Semiconductor LP2950 Series of Adjustable Micropower Voltage Regulators http www national com mpf LP LP2950 html aufgerufen 09 2008 LSGE 2012 EUROMETROS NPL LSGE Least Squares Geometric Elements http www eurometros org metros packages lsge aufgerufen 25 11 2012 LT1635 LINEAR TECHNOLOGY LT1635 Micropower Rail to Rail Op Amp and Reference http www linear com product LT 1635 aufgerufen 25 11 2012 LU U KHONSARI 2007 LU X UND KHONSARI M An Experimental Investigation of Dimple Effect on the Stribeck Curve of Journal Bearings In Tribology Letters 27 2007 S 169 176 MACHLEIDT U FRANKE 2004 MACHLEIDT T UND FRANKE K H Reconstruction of measurements with scanning force micro scopes with special image processing algorithms In Proc of XI Int Colloquium Chemnitz Germany 1 2004 S 268 273 MANSKE U A 2008 MANSKE E BAITINGER H MASTYLO R DOROZHOVETS N SINZINGER S UND J GER G In vestigations for the improvement of optical edge detection with a laser focus probe In Pro ceedings ICPM 2008 International Conference on Precision Measurement 08 12 09 2008 IImenau Deutschland S 7 8 und CD ROM Tagungsband
83. ent limita tions of SEM and AFM metrology for the characterization of 3D nanostructures In MST 22 2011 id 094003 HAUSOTTE 2002 HAUSOTTE T Nanopositionier und Nanomessmaschine Verlag Isle IImenau Dissertation 2002 HAUSOTTE 201 1 HAUSOTTE T Nanopositionier und Nanomessmaschinen Ger te fur hochpr zise makro bis nanoskalige Oberfl chen und Koordinatenmessungen IImenau Techn Univ Habilitati onsschrift Pro Business ISBN 978 3 86805 948 9 2011 HENEIN U A 2003 HENEIN S SPANOUDAKIS P DROZ S MYKLEBUST L I UND ONILLON E Flexure pivot for aero space mechanisms In Proceedings 10 European Space Mechanisms and Tribology Sym posium 24 26 September 2003 Spain 2003 Literaturverzeichnis Seite 99 von 106 HETZNER 2006 HETZNER H Simulation des Einflusses von Werkstuck und Tastelementgeometrie bei der taktilen Erfassung stark gekrummter Oberflachen Studienarbeit QFM Universitat Erlangen Nurnberg 2006 HERTZ 1881 HERTZ H Uber die Ber hrung fester elastischer K rper In Journal f r die reine und ange wandte Mathematik 92 1881 S 156 171 HIDAKA 2006 HIDAKA K Study of a small sized ultrasonic probe In Annals of the CIRP 55 1 2006 S 567 570 HIDAKA U A 2010 HIDAKA K DANZEBRINK H U ILLERS H SAITO A UND ISHIKAWA N A high resolution self sensing and self actuated probe for micro and nano coordinate metrology and scanning force microscopy I
84. er Deformation beider Partner Bild 1 Im Material entsteht eine Spannungsvertei lung mit dem Maximum im Zentrum Die auftretende elastische Deformation der Tastkugel l sst sich nach Gleichung 1 beschreiben und die Biegung des Tasterschafts nach Glei chung 2 Mit Kenntnis der Materialpaarung Tastelement Werkst ck kann bei konstanter Tastkraft die Deformation berechnet bzw durch Einmessen ermittelt werden Der resultie rende effektive Radius des Tastelements wird vom KMG zur Berechnung des Oberfl chen punktes ben tigt Seite 4 von 106 Stand der Technik Tastkugel und Werkstuck Tasterschaftes o Hertz sche Pressung v Querkontraktionszahl Streckgrenze I Tasterschaftlange 2 2 2 25 1 0 F E r 64 F 3 7 E d 1 2 WwW Zu beachten ist beim Betrieb die korrekte Dimensionierung der Antastkraft da bei Uber schreitung von materialspezifischen Grenzwerten eine plastische Deformation auftritt und Taster oder Werkstuck beschadigt werden Taktile Tastsysteme sind im Makrobereich seit langerer Zeit verfugbar und gut beherrscht sowie genormt WECKENMANN 2012 2 1 2 Mikrotaktile Systeme Klassische taktile Systeme arbeiten ublicherweise mit Tastkugeldurchmessern zwischen 10 mm und 2 mm Sie sind in dieser Form aufgrund ihrer Gr e nicht in der Lage die Merk male von heutigen Mikrobauteilen zu erreichen Eine Verkleinerung der Tastkugel ergab deshalb die Klasse der mikrotaktilen Sensoren Eine
85. er und begrenzter Drehwinkel Drehgeschwindigkeit und beschleunigung Zeit zur Erreichung des optimalen Winkels Messdauer Flankenkollisionen und Aufschwingverhalten Diese Daten wurden mit der Analyseumgebung erfasst Teststruktur Halbkreis Eine erste Testoberfl che besteht aus einem Kreisprofil in einer Ebene wie es in der Praxis beispielsweise in optischen Linsen und Mikrolinsen vorkommt Es wurde ein Radius von 0 5 mm gew hlt und der Mittelpunkt ist um 0 08 mm in die Basisebene eingelassen Die er fassbare Kreisoberfl che deckt damit einen Winkelbereich von 80 bis 80 ab und zeichnet sich durch eine kontinuierliche und monotone Steigungs nderung aus vom bergang zum ebenen Basisprofil abgesehen Durch dieses vorhersagbare Verhalten ergeben sich wenige Unterschiede zwischen den Strategien welche in sp ter in diesem Kapitel n her behandelt werden Repr sentativ soll deshalb in Bild 26 eine vorhersagende Strategie mit linearer Ext rapolation mit einem regul ren Scan ohne Rotation verglichen werden Als Testparameter wurde eine Spitze mit dem Radius 10 um und einem ffnungswinkel 60 gew hlt Der maxi Simulation des Rotationsprinzips Seite 35 von 106 male Rotationswinkel wurde auf 45 festgelegt bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 1 s Bild 26 zeigt das erfasste Profil f r beide Varianten auftretende Abweichungen zum tats chlichen Profil sowie den eingestellten Drehwinkel samt ideal notwendigem Winkel T T T
86. erden und die Messung in einem Durchlauf durchgef hrt werden Analysierende Strategien erstellen die ben tigte Datenbasis zur Winkelberechnung durch einen Vorab Scan mit dem Messger t selbst Dieser erste Scan erfolgt ohne eine Neigung und liefert die Kalkulationsbasis gleich im Ger tekoordinatensystem In einem zweiten Durchlauf erfolgt eine Messung mit Nachf hrung Dieses Verfahren ben tigt ca die doppelte Messdauer und die Datenbasis ist abweichungsbehaiftet je doch ist kein exaktes Vorwissen notwendig Eine weitere Variante sind vorhersagende Strategien die mit nur einem Messdurch gang und ohne Vorwissen arbeiten Nach Start der Messung wird auf Basis der er fassten Oberfl chenpunkte die momentane Oberflachenneigung bestimmt und die Seite 32 von 106 Simulation des Rotationsprinzips nachsten Punkte extrapoliert Die auftretenden Abweichungen hangen hier von der Qualit t der Extrapolation und der Geschwindigkeit der Anpassung ab Ein letzter Ansatz besteht aus der Kombination mehrerer Klassen Beispielsweise w re ein Vorab Scan denkbar mit einer vorhersagenden Strategie dessen Ergebnis die Eingangsgr e einer analysierenden Strategie ist Jede Strategieklasse kann durch unterschiedliche Algorithmen implementiert werden Ein berblick der realisierten Varianten ist in Tabelle 1 dargestellt Im Folgenden soll auf die ein zelnen Strategien n her eingegangen werden Strategie Wissensbasiert Trivial tangentenbas
87. erreihung der Messdaten WECKEN MANN U A 20098 Ein weiterer Ansatz zur Reduktion von Messabweichungen bei Oberflachenneigungen kann bei Tastschnittgeraten und Rasterkraftmikroskopen angewendet werden Durch Kenntnis der allgemeinen Spitzenform bis hin zur Kenntnis deren Formabweichung kann eine Dekonvolu tion der erfassten Oberfl che erfolgen MACHLEIDT U FRANKE 2004 BUKHARAEV 1998 Die ser Vorgang erfolgt im Computer nach der Messung und reduziert die Abweichung zu einem gewissen Grad insbesondere bei Kontaktpunktauswanderung im Verrundungsbereich der Spitze Bei Flankenkontakt hingegen ist eine saubere Rekonstruktion oft nicht mehr eindeutig m glich KELLER 1991 STOUT 1993 LONARDO U A 1996 Erschwerend kommt bei der Dekonvolution eine Abweichung der Spitzenmikrokontur vom erwarteten Modell hinzu Ru BERT U FRENZEL 2004 Seite 24 von 106 Wissenschaftlicher Ansatz 3 Wissenschaftlicher Ansatz Unter Ber cksichtigung der bestehenden Ans tze zur effektiven Reduktion der Winkelbe schr nkung soll ein Verfahren entwickelt werden das die Messabweichung aufgrund eines nichtorthogonalen Sensorkontaktwinkels reduziert und den nutzbaren Winkelbereich erh ht Dies soll erfolgen durch eine Nachf hrung des Sensorwinkels w hrend eines einzelnen Messvorgangs Die Sensorneigung im Scanbetrieb h lt den Sensor im Arbeitsbereich und macht wiederholte Messungen unter mehreren Winkeln mit anschlie ender Datenfusion hin f llig Dies r
88. erschicht Bild 45 Klemme f r Sensorspitzen mit Schaftdurchmessern von 50 um bis 1 mm Bild 45 zeigt die letzte Version dieses Mechanismus der durch eine mittels Drahterosion hergestellte Nut Mikrotaststifte mit einem Schaftdurchmesser von 50 um klemmen kann Verst rker Der Verst rker zur Umwandlung des Stromflusses im Nanoamperebereich in ein proportio nales Spannungssignal im Voltbereich basierte in Version zwei auf dem Operationsverstar ker OPA129 von Texas Instruments OPA129 bzw urspr nglich von Burr Brown Besonde re Operationsverst rker sind n tig um den geringen Strom berhaupt zu detektieren Die relevante Kenngr e ist hier der Bias Strom welcher aufbau und fertigungstechnisch be dingt im Leerlauf in den Eingang hineinflie t oder herausflieBt Ein zu detektierender Strom w rde damit entweder reduziert oder erh ht was zu einem Offset im Ausgangssignal f hren w rde Wegen der bereits guten Eignung des OPA129 mit nur 100 fA sollte dieser auch in Version drei unter Verbesserung der Beschaltung weiter behalten werden Zudem wurde ein zweites Design auf Basis des Operationsverst rkers LMP7721 von National Semiconductor entwickelt mittlerweile ebenfalls Texas Instruments LMP7721 Der Operationsverst rker ist moderner und stellt mit nur 3 fA Bias Strom die Industriereferenz dar Der Schaltungskern wurde unter Ber cksichtigung blicher Designrichtlinien f r Verst rker vom Prinzip her bernommen LENK 1996 F
89. es notwendig sowohl von der Tastspitze als auch der zu messenden Oberfl che ein Modell in Form einer geometri schen Repr sentation zu haben Im Falle der Spitze ergibt sich diese auf Basis der Norm DIN EN ISO 3274 1997 Geometrische Produktspezifikationen GPS Oberflachenbeschaf fenheit Tastschnittverfahren Nenneigenschaften von Tastschnittger ten und DIN EN ISO 25178 601 2011 Geometrische Produktspezifikation GPS Oberfl chenbeschaffenheit Flachenhaft Teil 601 Merkmale von ber hrend messenden Ger ten mit Taster als ein Kegel mit dem Offnungswinkel y und abgerundeter Spitze mit dem Spitzenradius rip Ausge hend von einem lokalen Koordinatensystem der Tastspitze mit dem Mittelpunkt M l sst sich die Spitze als ein Kreisbogen mit dem Radius r um M modellieren der auf beiden Seiten in Geraden mit dem gemeinsamen ffnungswinkel y bergeht Der Pol des Bogens und sp te re Kontaktpunkt T befindet sich auf der Mittellinie im Abstand r unterhalb M Die bergangs punkte zwischen den Segmenten sowie die des Modells der H he h lassen sich mit den Gleichungen 8 bis 10 beschreiben zwischen diesen die Gleichung f r eine Gerade bzw Kreisbogen g ltig sind Bild 20 Simulation des Rotationsprinzips Seite 27 von 106 N TA _ cos fi r a amp tae 8 sin TA o Be zz _ f f h gt 3 o f r f rh gt r 9 1 1 Peon 1 10 Bild 20 Geometrisches Modell der Spitzenform bestehend aus
90. essabweichung gegen ber einer Seite 94 von 106 Zusammenfassung klassischen Messung ohne Rotation signifikant Uber die komplette Oberflache gesenkt wer den und der nutzbare Winkelbereich mit der Kinematik erh ht werden Bei der Oberfl che eines Kugelartefakts konnte die auftretende winkelbedingte Abweichung in der Summe um 99 gesenkt werden Mit einer weiteren Steigerung der Genauigkeit des Prototyps ist eine theoretische Reduktion um 100 denkbar Unter Ber cksichtigung der Messabweichung durch die Positioniergenauigkeit der Rotationskinematik ist ein Einsatz des Prinzips schon ab einem einstelligen Oberfl chenwinkel sinnvoll auf dem Kugeldemonstrator schon ab 1 4 Zusammenfassend kann durch Anwendung der Sensorrotation die Messabweichung auf gekr mmten Oberfl chen aufgehoben werden der Sensor jederzeit in seinem optimalen Arbeitswinkel gehalten werden und der nutzbare Winkelbereich eines Sensors effektiv auf 90 erh ht werden Als Ansatzpunkte f r eine zuk nftige Verbesserung konnten w hrend der Arbeiten mehrere Punkte identifiziert werden Die Hauptfaktoren sind die Wiederholpr zision der Rotationsach sen die die erzielbare Genauigkeit ma geblich bestimmen und die Formabweichung der verwendeten Kalibrierkugel und der Sensorkugel Durch Optimierung des elektrischen Sen sors kann zudem dessen Aufl sung und Reproduzierbarkeit gesteigert werden z B durch Verbesserung des Signal Rausch Verhaltens mittels Einsatz einer tria
91. ett g ltig und die Form der Antastkugel berlagert die Werk st ckform ungleichm ig Bild 3 Bei der Messung a schwankt der Abstand von Tastermitte zu Werkst ck und der Kontaktpunkt ist auch nicht senkrecht zur Bewegungsbahn Beides wird bei der Rekonstruktion b nicht ber cksichtigt und die resultierende Kontur ist von der Tasterform berlagert und kann durch Annahme einer senkrechten Antastung zu Spr ngen bzw Unstetigkeiten f hren Eine kleinere Kugel mit h herer relativer Formabweichung ver st rkt diesen Effekt Beispielsweise sind Pr zisionskugeln aus Saphir nur bis zu einem Durchmesser von 125 um erh ltlich kleinere Kugeln k nnen momentan aus Metall mittels Funkenerosion oder Aufschmelzen in Metalltropfen hergestellt werden Es sind bis zu 50 um m glich bei jedoch steigender Formabweichung RIEL U BOS 2011 Seite 6 von 106 Stand der Technik Tastkugel mit oa welchund Pfad der atten Tastkugelmitte a u ideale Tastkugel rekonstruiertes x Profil Bild 3 Auswirkung einer Tastkugel mit Formabweichung b bs tats chlicher Antastvektor b fur die Rekonstruktion verwendeter Antastvektor Weitere Einschr nkungen kommen bei mikrotaktilen Systemen durch den gr eren Einfluss von Oberfl chenkr ften hinzu BOS u a 2009 Bos 2010 VAN BRUSSEL u a 2000 CLA VERLEY U LEACH 2010 Diese konnten im makroskopischen Bereich weitestgehend ignoriert werden sind in der Mikromesstechnik jedoch von Bedeutung Zu
92. ffekt beherrscht werden Strategie des Rotationsprinzips Zus tzliche Beitr ge zur Abweichung bei der Rotation resultieren aus der verwendeten Stra tegie Abh ngig von ihrem Typ dem gew hltem Algorithmus der eingestellten Aktualisie rungsrate und den konfigurierten Stellbegrenzungen kann ein suboptimaler Winkel berechnet werden Die resultierende Abweichung h ngt in letzter Instanz vom Akzeptanzbereich des verwendeten Sensors ab Sie wurde im Simulationsteil behandelt und zeigt sich auch bei den tats chlichen Messungen insbesondere wenn das Aktualisierungsintervall f r die Winkelan passung zu breit konfiguriert ist Durch h ufigere Neuberechnung und Wahl der Strategie kann dieser Effekt gesenkt werden bis er ausreichend gering ist Aufl sung der Winkelansteuerung Ebenfalls vom Sensorakzeptanzwinkel abh ngig ist der Effekt des kleinsten von der Kinema tik durchf hrbaren Winkelschritts Je feiner dieser ist desto besser kann die Orthogonalit t zwischen Sensor und Oberfl che erreicht werden Durch die Tatsache dass der Akzeptanz bereich von Profilometern bei wenigen Grad liegt und eine Sensorrotation in diesem Fall kei nen signifikanten Vorteil zeigt hat eine Winkeleinstellung deutlich feiner als 1 nur einen be grenzten praktischen Nutzen Zum Beispiel w rde bei der gezeigten Messung auf dem Ku gelartefakt eine Drehung von 0 2 zu einer Abweichung von 1 nm f hren und eine Drehung von 0 5 zu einer Abweichung von 5 nm
93. fl che HABLER GROHNE U A 2011 UKRAINTSEV U A 2012 Photodiode Piezo Stellglied Laserstrahl Bild 11 Aufbau eines Rasterkraftmikroskops Neben Rasterkraftmikroskopen ist das Rastertunnelmikroskop zu nennen erstmalig in den 1980er Jahren von Binnig und Rohrer BINNIG U ROHRER 1983 genutzt Es wird der quan tenphysische Tunneleffekt genutzt der zwischen zwei leitf higen Partnern im Abstand weni ger Nanometer auftritt Wird eine Spannung im Millivolt bis niedrigen Voltbereich angelegt so l sst sich ein Stromfluss im Nanoamperebereich detektieren der exponentiell mit Reduk tion des Abstandes zunimmt Gleichung 7 BHUSHAN 2003 G NTHERODT U WIESENDAN GER 1992 ber die Auswertung des Stromes bei Lateralbewegung kann ein H henbild er fasst werden Alternativ wird ber einen Regelkreis der vertikale Abstand ver ndert um den Strom konstant zu halten Das H henbild resultiert in diesem Fall aus der erfolgten Nach stellbewegung I AVS u gt za 7 a Mit I Tunnelstrom Spannung zwischen Spitze und Probe a Breite der Potentialbarriere Konstante Konstante abh ngig von Spitzenform und material Probe etc Mittelwert der Austrittsarbeit von Spitze und Probe Dieser Effekt kann in der Messtechnik genutzt werden indem einer der beiden leitfahigen Partner in Form einer scharfen Metallspitze ausgeformt ist und der andere das Werkst ck bildet Streng genommen wird hierbei die elektrische Zustand
94. ftgelagerte direktgetriebene Dreh tische genannt werden wie ein ABRS 200MP von Aerotech mit 200 mm Durchmesser der eine radiale Auswanderung unter 250 nm aufweist Eine weitere Anforderung ergibt sich in der Notwendigkeit eines berkopfbetriebs unter der Kopfplatte der NMM 1 so dass der Sensor nach unten zum Werkst ck zeigt Diese Anord nung wird durch die Funktionsweise der NMM 1 vorgegeben Eine Alternativvariante bei der anstatt des Sensors das Werkst ck bewegt wird w rde eine Kinematik erfordern die niedri ger als 10 mm ist da sonst der Sensor nicht im Abbepunkt der NMM 1 arbeiten kann We gen den Gr eneinschr nkungen und schlechterer bertragbarkeit auf andere Positionier einheiten wurde diese Variante nicht weiter verfolgt Auftretende Abweichungen von Kinematiken Vor der Darstellung m glicher Realisierungsvarianten sollen die auftretenden Positionsab weichungen von Kinematiken kurz am Beispiel eines Rotationstisches gezeigt werden Bild 34 Es treten 6 unterschiedliche sich berlagernde Abweichungskomponenten auf unterteil bar in die Winkelabweichungen o z z 6 x z Spy pz und die translatorischen Abwei chungen dz pz 8x pz Oy z WECK U BRECHER 2006 DIN ISO 230 1 1997 Die Haupt achse des Tisches ist hierbei die Rotation um Z oz Die zugeh rige Abweichung O z z ist die Winkelabweichung zum Sollwinkel die bei geregelter Position haupts chlich durch die Aufl sung des Winkelencoders bestimmt wir
95. gegen hat einen Radius von 150 um bei 60 ffnungswinkel Neben der rotierten Messung ist auch eine klas sische Messung berlagert Durch Rotation kann in diesem Fall die Messabweichung von maximal 40 5 um auf null reduziert werden abgesehen von der unzug nglichen Stelle beim bergang von Ebene zu Sinusprofil F r den gezeigten Fall erlaubt die Rotation die Nutzung einer gr eren Spitze ohne dass Abweichungen entstehen jedoch bei Abstrichen in der lateralen Aufl sung Ausrichtung und Ausrichtung und Profil Profil bei klassischer bei Sensornachf hrung Messung NV A Xa Bild 32 Simulation des Rotationsprinzips mit gro en Spitzen Seite 40 von 106 Simulation des Rotationsprinzips 4 4 3 Bewertung des Rotationsprinzips auf Basis der Simulation Das vorgeschlagene dynamische Rotationsprinzip konnte erfolgreich in eine Simulationslogik ubersetzt werden und in einer Simulationsumgebung realisiert werden Zur Durchfuhrung des Prinzips wurden zur Bestimmung eines Rotationswinkels fur einen Oberflachenpunkt mehrere Strategien samt Algorithmen entwickelt Simulationsreihen auf den Testoberflachen zeigen den Nutzen des Rotationsverfahrens in vielf ltigen Situationen durch Reduktion der auftretenden Abweichung und Erweiterung des akzeptablen Oberfl chenwinkels Bei einem Vergleich der entwickelten Strategien ist der Hauptunterschied zwischen den wissensbasier ten respektive analysierenden Ans tzen und den vorhersagenden Ans tzen si
96. gestellt Zus tzlich be steht die M glichkeit eine weitere Kurzzeitkalibrierung durchzuf hren um eine zeitlich aktu elle Sensorposition zu erhalten Dies erfasst z B zeitver nderliche Abweichungen wie Drift Der Sensor wird danach Bild 60 d mit seinem Arbeitspunkt ber den n chsten zu erfas senden Oberfl chenpunkt gebracht e Sequentiell ergibt sich nach diesem Schema eine Korrektion systematischer Abweichungen der Rotationskinematik Seite 77 von 106 Linienmessung Anstatt einer Einzelpunktantastung kann bei kurzen Strecken genauso ein Scanning genutzt werden Ein Abheben des Sensors zur Rotation ist aber dennoch n tig da weder die Controller der Drehtische noch die DSP der NMM 1 eine synchronisierte gemein same Trajektorie erlauben a b c Neuer Rotationswinkel Freifahrt nach Einzelpunkt Rotation durch Kinematik durch Strategie berechnet um Kr mmungszentrum 1 a N t Fi er A d e Positionierung ber n chsten Einzelpunktantastung mit Oberfl chenpunkt neuem Winkel Bild 60 Bewegungsschritte mit Sensorrotation 7 1 5 Kalibrierartefakt Eine praktische Implementierung des Kalibrierartefakts zeigt Bild 61 In eine Tragerplatte wurde eine Prazisionskugel der Guteklasse G5 Abweichung von der Kugelform lt 0 13 um nach DIN 5401 2002 Kugeln fur W lzlager und allgemeinen Industriebedarf eingelassen und mittels Silberleitlack eine zuverl ssige elektrische Verbindung hergestellt Die Tr ger pl
97. gungstechnik gelegt Hierzu geh ren beispielsweise Fortschritte der spanenden Ver fahren wie Fr sen und Bohren Zunehmend miniaturisierte Werkzeuge und die Verf gbarkeit von mehrachsigen Fr szentren mit einer Fertigungsgenauigkeit im unteren Mikrometer bis im Nanometerbereich erlauben immer kleinere und zugleich komplexere Strukturen TANIGU CHI 1983 Die resultierenden Techniken des UPM Ultraprecision Machining und Mikrozer spanung erm glichen die Herstellung von Spritzgusswerkzeugen f r Mikrolinsenarrays und Kunststoffkomponenten BYRNE U A 2003 Diese und andere Mikrokomponenten wie Mikro fluidkan le zeichnen sich durch eine komplexe dreidimensionale Auspr gung bei Abma en im Mikrometerbereich aus Die Optikfertigung mittels ultrapr zisen Diamantdrehens in Ver bindung mit Fast tool servos erlaubt die kontrollierte Herstellung von Freiformfl chen wie Prismen asph rische Linsen oder Spiegel und sogar deren berlagerung mit Brechungs strukturen im Mikrometerbereich ZHANG U A 2012 Neue Fertigungsverfahren andererseits erlauben auch eine direkte Fertigung von Mikrobau teilen und sogar Komponenten auf atomarer Ebene Insbesondere sind hier Verfahren aus der Halbleitertechnik zu nennen mit lithographischen Methoden und tztechniken Neben klassischer Lithographie sind die Verfahren des LIGA hier relevant stehend f r Lithographie Galvanik und Abformung BECKER 1986 Anstatt einer Beschr nkung auf Stoffe wie Silizium k nne
98. h lt die geometrische Definition von Tastspitzen dargestellt in einem jeweils eigenen Koordinatensystem Der Benutzer konfiguriert und verwaltet Spitzen mit un terschiedlichen Kr mmungsradien und ffnungswinkeln Eine ideale Spitze mit einem infini tesimal kleinen Kr mmungsradius und ffnungswinkel liefert zudem abweichungsbefreite Ergebnisse Geladene Spitzen werden im Modul Umgebung mit der geladenen diskretisierten 2D Oberfl che in Verbindung gebracht Hier greift die Komponente Virtuelles Messger t und setzt die in Abschnitt 4 1 umgesetzte Simulationslogik in Software um Durch Verschie bungsvektoren und Rotationsmatrizen wird die Drehung der Spitzenmodelle realisiert und die iterative Scanbewegung sowie Kollisionskorrektur durchgef hrt Eine Konfiguration der auszuf hrenden Messsequenz und insbesondere die zu w hlenden Rotationswinkel werden durch den Block Strategien definiert der neben einer klassischen Messung ohne Rotation Algorithmen f r Rotationsbewegungen enth lt Dieser Block wird in Kapitel 4 3 n her behandelt W hrend der simulierten Messung werden Systemzust nde durch die Komponente Daten erfassung f r eine nachfolgende Auswertung aufgezeichnet Diese umfassen unter anderem das erfasste H henprofil Positionen und Winkel der Spitze sowie abgeleitete Gr en wie Messabweichung die auftretende Winkelgeschwindigkeit oder die resultierende Messdauer Zur Darstellung der Ergebnisse sind zwei graf
99. hohe Punktdichte und Genauigkeit im Computersystem vernachl ssigt werden Ein weiterer Ein flussfaktor durch die Diskretisierung wird als Tesselierungsabweichung bezeichnet Sie stellt die Abweichung eines urspr nglichen Oberfl chenpunktes zum diskretisierten Gegenst ck dar das aus den benachbarten tesselierten St tzpunkten extrapoliert wurde Durch Wahl einer St tzpunktdichte im Computer die um ein vielfaches h her als die auftretende Profil h hen nderung liegt kann dieser Einfluss ebenfalls vernachl ssigt werden Seite 28 von 106 Simulation des Rotationsprinzips Sowohl Modell der Spitze als auch Oberflachenmodell werden zur Vereinfachung der Dar stellung im zweidimensionalen Raum betrachtet Dies ist aquivalent zu einem einzelnen Tastschnitt eines Profilometers Wenn die H hen nderungen quer zum Tastschnitt gering ist was in der Praxis oft bewusst so gew hlt wird kann das Rotationsprinzip im zweidimensio nalen Raum mit hinreichender Aussagekraft der Ergebnisse simuliert werden Zur Durchf hrung einer simulierten Messung mit der Spitze und der Oberfl che ist zudem die zu nutzende Logik festzulegen Diese basiert auf einer Kollisions bzw berlappungskontrol le W hrend der simulierten Messung wird f r jeden zu erfassenden Oberflachenpunkt Por das Spitzenmodell unter seinem aktuellen Drehwinkel an die X Koordinate des aktuellen Punktes Xo positioniert Die z Koordinate der Spitze wird derart gew hlt so dass der Spit zen
100. hse im Drehwinkel und der Anzahl der Rotationen nicht begrenzt ist muss dies vom An wender ber cksichtig werden Aus Sicherheitsgr nden wurde der Spitzenspannungsan schluss durch die Smaract Achse hindurch in berl nge ausgef hrt um mehrere Umdre hungen ohne Besch digung durchf hren zu k nnen Position auslesen Abruf der aktuellen Winkelstellung der Achse anhand der integrierten Winkelencoder Die Aerotech Achse ist mechanisch auf 90 gesperrt und arbeitet mit ei nem absoluten Koordinatensystem von gleichem Bereich Die Smaract Achse liefert hinge gen einen Winkel von 0 bis 360 und die Anzahl der vollst ndigen Umdrehungen Eine R ckgabe erfolgt immer mit positivem Winkel beispielsweise 270 und minus eine Umdre hung was bei der Aerotech Achse 90 entsprechen w rde Absolute Winkelposition ansteuern Diese essentielle Funktion dreht die Achse zur ge w nschten Winkelposition in absoluten Koordinaten Als einheitliches Format werden f r bei de Achsen absolute Winkel von 90 bis 90 genutzt und funktionsintern in das Zielsystem umgerechnet Der volle Winkelbereich der Smaract Achse wird dadurch nicht genutzt wird f r das Rotationsprinzip aber auch nicht ben tigt Nach bergabe des Zielwinkels 9 und der Rotationsgeschwindigkeit f hren beide Routinen eine Sicherheits und Plausibilit tspr fung durch um die versehentliche Eingabe von Winkeln au erhalb des 90 Fensters abzu fangen Nach einer Initialisieru
101. hsen Rot Vektorielle berlagerung zufalliger Abweichungskomponenten schwarz Verbindung zu Kinematik Eine weitere Besonderheit bei diesem Aufbau ist die Insensitivit t gegen ber der Winkelauf l sung und der angularen Wiederholgenauigkeit Bei einer idealen Positionierung des Sen sorarbeitspunktes im Schnittpunkt der Drehachsen f hrt eine Winkel nderung der Achsen zu keiner translatorischen Auswanderung und nur zu einer Rotation Durch den Winkelakzep tanzbereich des Sensors f hren Winkelabweichungen unter 0 1 zu keiner merklichen Mess abweichung siehe auch sp ter Kapitel 8 4 Die resultierenden Abweichungen werden damit prim r durch die F hrungen in den Achsen verursacht Im Vergleich zur Variante des regul ren Pendels ist bei idealer Montage keine Ausgleichs bewegung durch die NMM 1 notwendig und der volle Arbeitsbereich steht zur Verf gung Der nutzbare Winkelbereich ist mit 90 gegen ber 10 ebenfalls vorzuziehen Allein die zu erwartende Wiederholpr zision ist um maximal 500 nm schlechter Positiv bei diesem Punkt ist jedoch die Lastverteilung zu bewerten Im station ren Zustand wirkt auf die obere Achse kein Drehmoment durch die Schwerkraft und auf die untere Achse durch die gekippte Lage nur ein reduziertes Letztere Achse ist durch den Piezoantrieb selosthemmend und ben tigt zur Positionshaltung wenig bis keine Energie Dieser Aufbau bringt weniger W rme ins System ein und ist nur eingeschr nkt auf die Positionsr
102. hung ist durch die Richtungsabh ngigkeit erschwert zu ber cksichtigen und es k nnen nur theoretische Maximalwerte angegeben werden Zur korrekten Ber cksichtigung ist eine Formmessung mit h herer Punktdichte und geringerer Antastabweichung des zur Kalibrie rung verwendeten Sensors notwendig Diese Unsicherheitskomponente kann in der kombi nierten Unsicherheit deshalb nicht ber cksichtig werden Da zudem f r die gro e Kalibrier kugel prinzipiell Exemplare mit einer Formabweichung im Nanometerbereich verf gbar sind an denen die Formabweichung der kleineren Sensorkugel bestimmt werden kann kann die se Unsicherheitskomponente prinzipiell bestimmt sowie im Vergleich zur jetzigen Realisie Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Seite 91 von 106 rung gesenkt werden Unter dieser Pramisse beschreibt die resultierende kombinierte Unsi cherheit die Unsicherheit die mit dem Rotationsprinzip und dem Aufbau m glich ist Zur Berechnung der kombinierten Unsicherheit soll deshalb f r kurze Zeitr ume eine berla gerung des Beitrags der Kinematik der NMM 1 und des Sensors herangezogen werden F r l ngere Zeitr ume sind zus tzlich schwankende Umwelteinfl sse zu betrachten Dem GUM nach sind zur Berechnung der kombinierten Unsicherheit die Beitr ge quadratisch zu addie ren und gemeinsam zu radizieren Eine Betrachtung des Ergebnisses mit der Software GUM Workbench ergibt f r die H he des Werkst cks in Z eine erweiterte Unsicherheit v
103. hwindigkeit von 1 mm s eine Kugeldurchmesser reduktion von 4 mm auf 0 1 mm eine Reduktion der zul ssigen bewegten Masse von 360 g auf 28 mg MELI U KUNG 2007 Dieser Anforderung wird durch k rzere und leichtere Schafte entgegengekommen allerdings unter Ber cksichtigung der Durchbiegung Nach 2 f hrt eine Durchmesserreduktion zu einer deutlichen Steigerung der Durchbiegung Au erdem f rdert die Verj ngung des Schaftes eine Anisotropie des Auslenkungsverhaltens da sich der Schaft in L ngsrichtung steifer bei der Antastung verh lt Neben mechanischen Einschr nkungen gewinnt bei einer Miniaturisierung taktiler Systeme auch die Formabweichung des Tasters an Einfluss W hrend der Messung erfolgt eine ber lagerung der Tastelementform mit der zu erfassenden Oberfl che auch als morphologische Filterung bezeichnet KRYSTEK 2009 Die Filterung gl ttet durch die Messung hochfrequente Oberfl chenanteile wie Rauheit sowie kleine Strukturen und wird st rker bei gr eren Tast kugeln Bild 2 Eine m glichst kleine Tastkugel ist deshalb w nschenswert L Bild 2 Morphologische Filterung Tastelementbahn bei unterschiedlichen Durchmessern Das bisherige Modell f r die Oberfl chenrekonstruktion geht von einer idealen Tastkugel mit vernachl ssigbarer Formabweichung aus so dass ein Oberfl chenpunkt ber Kraftrichtung und den konstanten Durchmesser bestimmt werden kann Mit zunehmender Miniaturisierung ist dies jedoch nicht mehr kompl
104. idst be seitlich weggehen und an deren Enden polierte Aluminiumscheiben sind Letztere sind die Gegen st cke von kapazitiven Sensoren die bei Auslenkung des Tasters eine Abstands nderung erfahren Als Federelemente zur R ckstellung und Aufbringung der Tastkraft werden die drei Scheiben von je einer 50 um dunnen Kupferberyllium Blattfeder gehalten Die resultierende bewegte Masse liegt bei 350 mg die maximale Auslenkung bei 20 um Das System wurde zur kommerziellen Reife gebracht und wurde als Weiterentwicklung unter dem Namen Tris kelion auf den Markt gebracht IBS 2012 SPAAN U WIDDERSHOVEN 2011 In der Uberarbei tung wurden Blattfeder und Stab durch einen monolithischen Invaraufbau ersetzt Die be Stand der Technik Seite 9 von 106 wegte Masse wurde dadurch auf 160 mg reduziert Als technische Daten wird eine Auslen kung bis zu 10 um angegeben mit einer Aufl sung von 3 nm und nutzbaren Tastkugeln von 160 um bis 500 um Eine Aktualisierung der Konstruktion seitens des NPL wird in CLAVER LEY U LEACH 2010 beschrieben bei der piezoresistive Sensoren zum Einsatz kommen und eine Vibration berlagern k nnen Dies dient der Reduktion von Oberflachenkraften sowie der Kontaktdetektion Die mikrotaktilen Systeme stellen in der Mikromesstechnik eines der neuesten Verfahren dar und werden mit weiterer Entwicklung an Einfluss gewinnen da sie momentan die einzigen echten 3D Verfahren in der Mikromesstechnik sind Zum jetzigen Zeitpunkt ist di
105. ie in Kapitel 5 2 3 beschrieben unter einem Winkel von 45 erfolgen so dass sich die Rotationsachsen bei idealer Ausrichtung schnei den Festzulegen ist noch der Montageabstand des kleinen Drehtisches in radialer Richtung auf dem gro en Drehtisch R R Bild 50 Mit dessen Anstieg resultieren h here Abst nde zum Schnittpunkt der Achsen RS und Res Um die Auswirkung von Winkelabweichungen der Achsen gering zu halten ist der radiale Abstand der kleinen Achse von der gro en Ach se gering zu halten Der minimal m gliche Wert wird jedoch durch die Kollisionsvolumina von NMM 1 und der gestapelten Achsen bestimmt Achse 1 oben we Achse 2 unten 4 RR Abstand Achse 1 zu 2 Sicherheitsabstand 1mm R S AbstandAchse 1 zu Sensor Spiegelecke mit reflektierenden Au ssenflachen R S Abstand Achse 2 zu Sensor _ notwendiger H henversatz gegen Kollision 5 mm Laserschnittpunkt zugleich Antastpunkt Virtuelle Verl ngerung des Werkst cktr ger in Position Laserstrahls X 25mm Y 25 mm Z 5 mm Bild 50 Montageplanung der Rotationskinematik bei voll ausgesteuerten Achsen der NMM 1 Zu ber cksichtigen ist der ung nstigste Fall wenn die Spiegelecke der NMM 1 am h chsten steht und die Lateralachsen ebenfalls voll ausgelenkt sind Nachdem die Kinematik nicht innerhalb der von der Spiegelecke aufgezogenen Umrandung untergebracht werden kann muss sie oberhalb installiert werden und durch einen auskragenden Arm den
106. iert Trend orientiert trivial Schutz vor hochfrequenten Profilanderungen Analysierend Trivial Trend orientiert trivial Average Slope regional optimierter Winkel Vorhersagend Extrapolationsalgorithmen Linear Newton Lagrange Aitken Neville Hermite Kombiniert Kombination obiger Varianten Tabelle 1 Realisierte Strategien und Varianten Wissensbasierte Strategien Die als triviale Strategie bezeichnete Winkelberechnung ist der offensichtlichste Ansatz und basiert auf der Tangentenberechnung an einem Oberflachenpunkt Sei P x z der zu mes sende Oberfl chenpunkt und fsa Pi der von der Strategie berechnete Antastwinkel So ergibt sich f r den Fall einer kontinuierlichen Oberfl chenrepr sentation _ a i df p x Esta F 9 tan dx 1 6 Zur Nutzung auf Basis der diskreten Oberflachendaten und der Implementierung in einen Digitalrechner ist eine diskrete Darstellung nach 17 notwendig fstra P tan i 2 1 x X _7 17 Diese liefert dargestellt in Bild 25 den Tangentialwinkel zum Punkt P ber P und P Mittels einer Addition von 7 2 ergibt sich der notwendige Winkel der Tastspitze Eine Variation dieses Verfahrens die wissensbasierte trend orientierte triviale Strategie be r cksichtigt zus tzlich hochfrequente Profilanderungen die f r die Rotationskinematik zu schnell w ren Solche Profile w rden bei begrenzter Geschwindigkeit eine Ausrichtung auf einen opt
107. im Mikrometerbereich Den Entwicklungen in der Fertigungstechnik steht zur Pr fung der hergestellten Bauteile immer ein Bedarf an Fortschritt in der Fertigungsmess technik entgegen Schon 1968 stellte der Dresdner Professor Georg Berndt die Goldene Re gel der Messtechnik auf BERNDT U A 1968 Nach dieser wird zur Pr fung eines geometri schen Merkmals mit einer vorgegebenen Toleranz eine um den Faktor 10 geringere Messunsicherheit ben tigt um das Toleranzfenster nicht durch die Messunsicherheit k nst lich zu verkleinern Um eine gew nschte Messunsicherheit zu erlangen wird vom Messger t zudem eine um den Faktor 10 kleinere Aufl sung ben tigt Dieser empirischen Regel nach resultiert bei einer Toleranz von beispielsweise einem Mikrometer was bei Mikrobauteilen schnell in dem Bereich der absoluten Abmessungen ist eine ben tigte Aufl sung von 10 Nanometern Im Mikro Nanobereich bleibt der verhaltnismaBige Zusammenhang zwar nicht in den Gr enordnungen des Makrobereichs erhalten jedoch bleibt die Tendenz g ltig Durch diese Anforderung wurde verst rkt in den letzten Jahren die Entwicklung der Mikro und Nanomesstechnik vorangetrieben und bestehende Sensoren verbessert sowie neue Systeme entwickelt Insbesondere mit der Klasse der Nanokoordinatenmessger te fand hier eine wichtige Entwicklung statt WECKENMANN U A 2009A Auf Seite der Sensoren sind an aktuellen Verfahren moderne taktile Profilometer zu nennen aber auch optische Verfah
108. imalen Mittelwert verhindern Durch Berechnung des mittleren Tangentialwinkels ber ein vorausblickendes Betrachtungsintervall der Breite B kann eine Rotation vom optima len Winkel weg gesperrt werden Simulation des Rotationsprinzips Seite 33 von 106 J sal Fi Bild 25 Diskrete Berechnung der Oberflachennormalen Analysierende Strategien Beide beschriebenen Algorithmen k nnen auch bei den analysierenden Strategien zum Ein satz kommen nachdem der Vorab Scan ohne Rotation das Basisprofil generiert hat Es wurde in dieser Klasse eine zus tzliche Abwandlung realisiert die im Gegensatz zu der trend orientierten trivialen Strategie direkt den mittleren Oberfl chenwinkel des Betrach tungsintervalls nutzt Dieser Average Slope Ansatz filtert Rauschen und hochfrequente An teile wie Rauheit und zu kleine Strukturen Gegen ber dem trend orientierten Ansatz wird die Rotation schon vor einer Profil nderung mit einem regional optimierten Winkel eingeleitet Esa A Stan Euer Eine 18 4k K irk Vorhersagende Strategien Es bleibt die Klasse der vorhersagenden Strategien Die Messung wird mit einem festen An tastwinkel beispielsweise senkrecht zum Werkst ck gestartet und Punkt f r Punkt Messwer te ohne Rotation aufgezeichnet Die Oberfl chenwerte werden in einen Puffer geschrieben bis eine Mindestanzahl an Werten vorliegt Diese Werte k nnen gefiltert werden um Rau schen und hochfrequente nderungen zu reduzieren Ei
109. in den Strahlengang eines Messmikro skops gebracht Laut Hersteller sind Kugeldurchmesser bis hinunter zu 10 um m glich Bei seitlicher Antastung mit der Kugel wird direkt die Auslenkung der Kugel im Videosystem sichtbar zudem kann fur Sackl cher die Kugel beleuchtet werden Durch die optische Erfas sung ergeben sich Antastkrafte im Bereich von 1 UN bis 100 UN Dieser Aufbau erlaubt je doch keine Auslenkung in Faserrichtung und ist durch die geringe Steifigkeit gegen ber Oberfl chenkr ften und Vibrationen erh ht empfindlich Es wurden mehrere Ans tze zur Realisierung einer dreidimensionalen Antastung untersucht Zuletzt wurde in der Faser eine zweite Kugel eingebaut die bei Beleuchtung mit Laserlicht ein Specklemuster liefert wel Seite 8 von 106 Stand der Technik ches sich charakteristisch bei Auslenkung in Langsrichtung verandert NEUSCHAEFER RUBE U WISSMANN 2007 TUTSCH U A 2010 Bild 5 Die L sung die sich durchgesetzt hat und nun als Werth Fasertaster 3D erh ltlich ist h ngt die Glasfaser nun an drei Federn auf und erfasst die Langsauslenkung mit einem von hinten angeschlossenen Foucault Lasersystem PETZ U A 2012 Optotaktile Systeme wurden mittlerweile auch bei anderen Instituten entwi ckelt MURALIKRISHNAN U A 2005 CUI U A 2012 Vibrationsbasierte Antastung Ein weiteres Verfahren zur Vermeidung von Antastkraft ebenfalls in der Richtlinie VDI VDE 2617 genannt besteht in der mechanischen D mpfung einer Schwing
110. ind Es resultiert folgender Ansatz mit a gleich dem digitalisierten Sensorsignal im Bereich 32767 32768 aquivalent 10 V 10 V d kgo Kai ao Ran Ay kais Ay 26 Fur die Positionsregelung wurde aufgrund des exponentiellen Signalverlaufs eine maximale Sensoraussteuerung bei 90 des Arbeitsbereiches eingestellt und ein Sollarbeitspunkt bei 10 bis 20 Signalst rke Die Ausgangsbasis f r die Polynomberechnung war die Auf zeichnung des Sensorsignals w hrend der Werkst ckann herung In diese Rohdaten wurde ber Fittingalgorithmen eine Ausgleichsfunktion dritter Ordnung gelegt und die ermitteln Pa rameter kobis k in der Ger tekonfiguration abgelegt 6 3 3 Scanning und Einzelpunktantastung F r den Betrieb zur Oberfl chenerfassung konnten zwei Betriebsarten genutzt werden Scanning und Einzelpunktantastung DIN EN ISO 10360 1 2003 Im scannenden Betrieb bleibt der Sensor kontinuierlich im Arbeitsbereich und nimmt Punkte in quidistanten Ab st nden auf Die Abstandsregelung der NMM 1 f hrt durch Kenntnis des Sensorpolynoms Seite 72 von 106 Aufbau des Pr fstandes die H henposition des Werkst cks derart nach dass der Sensor in seinem konfigurierten Arbeitspunkt bleibt Im Vergleich zu anderen Sensoren in der NMM 1 mit Arbeitsbereichen von mehreren Mikrometern hat der elektrische Sensor einen sehr kleinen Arbeitsbereich bis hin zu wenigen Nanometern Eine Anpassung der Standardreglerkonfiguration war deshalb not
111. ische Darstellungsarten m glich In der Haupt anwendung werden das Werkst ck und die Tastnadel dargestellt Die Position und die Nei gung der Tastnadel kann zu jedem Oberfl chenpunkt angezeigt werden Zus tzlich kann farocodiert das gemessene Profil berlagert werden In einer zweiten Analyseumgebung werden die erfassten Gr en ber den Verlauf der Messung angezeigt um tiefergehende Analysen durchzuf hren und z B Korrelationen von Oberfl chenstruktur und Systemzust n den zu identifizieren Zudem ist ein Export f r weitere Auswertungen mit z B Matlab m glich Simulation des Rotationsprinzips Seite 31 von 106 Ein zus tzliches Modul ist ein Oberflachengenerator Dieser erlaubt die Erstellung k nstli cher Oberfl chen durch Aneinanderreihung von Kr mmungen und Geraden Wenn keine Oberfl chendaten von realen Messungen genutzt werden sollen k nnen damit s mtliche relevante Testfl chen generiert werden Ein Beispiel ist in Bild 24 gezeigt in Anlehnung an das Mikrokonturartefakt wie von der PTB bekannt PTB 2006 Radius 1 0 5 0 25 0 015 mm Stufe 0 25 0 5 1 mm Steigung 45 60 80 Riedie am Re RP 30 mm 40 mm 50 mm 0 mm 10 mm 20 mm Bild 24 Beispieloberfl che im Simulator in Anlehnung an das Mikrokonturnormal 4 3 Strategien und Algorithmen Neben der M glichkeit eine klassische Messung mit fest orientiertem Cantilever durchzuf h ren ist eine Messung mittels des vorgeschlagenen Rotationsprinzips zu imp
112. ische Fassung ISO IEC Leitfaden 99 2007 Beuth Verlag Berlin 2012 VOLKEL U A 2003 VOLKEL R EISNER M UND WEIBLE K J Miniaturized imaging systems In Microelectronic Engineering 67 68 2003 S 461 472 WECK U BRECHER 2006 Weck M BRECHER C Werkzeugmaschinen 5 Messtechnische Untersuchung und Beurteilung Dynamische Stabilitat Springer Verlag Heidelberg 2006 WECKENMANN U NALBANTIC 2003 WECKENMANN A NALBANTIC K Precision Measurement of Cutting Tools with two Matched Optical 3D Sensors In Annals of the CIRP 52 1 2003 S 443 446 WECKENMANN U A 2004 WECKENMANN A ESTLER T PEGGS G UND MCMURTRY D Probing systems in dimensional metrology In Annals of the CIRP 53 2 2004 S 657 684 WECKENMANN U WIEDENHOFER 2004 WECKENMANN A UND WIEDENHOFER TH Scanning Probe Microscopy and Surface Metrology In 17th International Colloquium on Surfaces 2 2 3 2 2004 S 19 30 WECKENMANN U A 20084 WECKENMANN A HOFFMANN J SCHULER A Development of a tunnelling current sensor for a long range nano positioning device In Meas Sci Technol 19 2008 ID 064002 Seite 106 von 106 Literaturverzeichnis WECKENMANN U A 2008B WECKENMANN A HEIDEMANN L TAN O UND WIEDENHOFER TH Multisensor metrology for nanostructures technical surfaces In 12th International Colloquium on Surfaces 28 29 1 2008 S 218 226 WECKENMANN U A 2009A WECKENMANN A BUTTGENBACH S TAN O HOFF
113. it t begrenzt Die vorliegende Arbeit zeigt ein Verfahren zur Steigerung des erfassbaren Oberfl chenwin kelbereichs und der Vermeidung der Nachteile bestehender Ans tze Es basiert auf der Ro tation eines Sensors um seinen Antastpunkt w hrend der Messung Durch Nachf hrung des Arbeitswinkels abh ngig von der lokalen Oberfl chenneigung wird der Sensor stets im op timalen Arbeitswinkel betrieben und winkelbedingte Messabweichung wird vermieden Das Verfahren erh ht den effektiv erfassbaren Oberfl chenwinkel und erlaubt 1D Sensoren f r 3D Messungen zu nutzen Die Sensornachf hrung wurde theoretisch in einer Simulation sumgebung und praktisch unter Anwendung eines Nanopositionier und Nanomessger ts realisiert und untersucht Die Genauigkeit einer entwickelten Rotationskinematik wurde durch ein in situ Kalibrierkonzept auf Basis eines Sensors mit elektrischer Nahfeldwechselwirkung gesteigert und die Wirksamkeit der Nachf hrung verifiziert Abstract Today s measurement tasks in dimensional micro and nano metrology can be characterized by decreasing structural sizes and absolute dimensions of workpieces with increasing three dimensionality at the same time This applies to highly curved surfaces like cutting edges of cutting tools optical lenses and micro lens arrays or also functional surfaces Existing sen sors cannot meet the increasing requirements due to a limited measurable surface angle resulting in higher measurement deviation
114. lementieren Die Rotation wird w hrend der Simulation vom Modul virtuelles Messger t durchgef hrt das den einzustellenden Winkel vom Modul Strategien erh lt In diesem Kontext soll Strategie wie folgt verwendet werden Verfahren und Methode zur Bestimmung eines geeigneten An tastwinkels f r einen spezifischen Oberfl chenpunkt Strategien sind essentiell zur Durchf h rung der Rotation und bestimmen die Effektivit t des Rotationsprinzips Aus diesem Grund sollen mehrere Ans tze und Varianten entwickelt und implementiert werden Eine weitere Aufgabe der Strategien liegt im Einbezug und der Ber cksichtigung von Gren zen einer sp teren praktischen Realisierung Im Hinblick auf die Planung des Pr fstandes m ssen Einschr nkungen von Rotationskinematiken ber cksichtig werden Diese umfassen begrenzte Drehwinkel begrenzte Rotationsgeschwindigkeiten und Beschleunigung sowie einen minimalen Winkelschritt Diese Einschr nkungen m ssen bei der Berechnung eines Rotationswinkels ber cksichtigt werden Es sind prinzipiell mehrere Ans tze f r Strategien denkbar die sich in die Klassen Wissens basiert Analysierend Vorhersagend und Kombiniert einteilen lassen Wissensbasierte Strategien bedingen konkretes Vorwissen um das Werkst ck z B ein CAD Modell oder eine schon existierende Messung mit einem beliebigen Mess ger t Nach Kompensation eines eventuellen Offsets kann der ideale Drehwinkel ge plant w
115. lisierte Kinematik in Verbindung mit dem Korrekturfeld diese bei nur 68 8 nm in X 8 3 Messungen mittels Sensorrotation 8 3 1 Prufkorper Zur Validierung des Rotationsprinzips in der Praxis wurden geeignete Pr fk rper gesucht Im Einklang mit der Simulation der Testoberfl che Kugel kann die bereits vorhandene kalib rierte Referenzkugel genutzt werden Als weiterer Demonstrator wurden in Anlehnung an die Testoberfl che Rampe mehrere gewinkelte Ebenen eingesetzt Dies ist als eine Wende schneidplatte realisiert deren Sitzfl chen im Werkzeughalter erfasst werden sollen Eine Seite der Wendeschneidplatte wurde um mechanisch integriert werden zu k nnen durch Drahterosion parallel zur Mittellinie abgetrennt Die Verbindung zum Werkst cktr ger erfolgte ber Silberleitlack Bild 61 Die Nebenfl chen der Wendeschneidplatte ergeben drei zuei nander gewinkelte Ebenen die zudem leicht zur Tr gerplatte geneigt sind Die Winkel der Ebenen in Bezug zum Werkst cktr ger wurden mittels des Videocheck UA 400 erfasst unter Nutzung eines Foucault Lasers dem Werth Laser Probe Es resultieren der Winkel zwischen Fl che eins und zwei von 27 56 und von Fl che zwei nach drei von 27 38 Bild 64 Fl che zwei ist zudem zum Grundtr ger um 6 25 geneigt Bild 64 Aufbau des Pr fk rpers Wendeschneidplatte gewinkelte Ebenen Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Seite 83 von 106 Bild 65 Messung der Artefakte Rot markier
116. mation des Werkst cks erfasst Der erfassbare Win kelbereich wird mit 30 angegeben jedoch zeigen Praxisberichte dass abh ngig von der Oberfl chenkr mmung die Grenze viel fr her erreicht wird Gao u a 2008 Neben den er w hnten Batwings wird hier insbesondere die Kr mmung der Oberfl che als Ursache ge nannt Eine starke Kr mmung f hrt abh ngig vom Ger t bei der Auswertung zu sprungarti gen Abweichungen bei der die Oberfl chenh he im Interferenzbild um die H lfte der Wellen lange abweichend zugeordnet wird F r eine sinusf rmige Oberfl che der Periodenl nge 25 um der Amplitude 1 36 um und dem maximalen Winkel von 37 wurde bei Gao u a 2008 bei mehreren kommerziell erh ltlichen Wei lichtinterferometern der erfassbare Win kelbereich mit 22 oder schlechter angegeben Die Einschr nkungen durch die Oberfla chenkr mmung wurde auch bei HOFFMANN 2009 an einer Mikrokugel gezeigt Bild 10 8 Kugeldurchmesser D 300 um g ltige Messpunkte on p 4 0 Bild 10 Messung einer Hartmetallkugel D 0 3 mm mittels Wei lichtinterferometrie Mirauobjektiv 50 fache Vergr erung NA 0 55 HOFFMANN 2009 Konfokale Verfahren Bei konfokalen Verfahren wird ebenfalls ein fokussierter Lichtpunkt einer Wei lichtquelle auf das Werkst ck projiziert jedoch ist nach der Lichtquelle und vor dem Detektor eine Blende mit kleiner kreisf rmiger ffnung installiert auch Pinhole bezeichnet SEEWIG 2009 WECKENMANN 201
117. men oft eine Transparenz der Linsen und eine weiche Oberfl che hinzu Im Bereich op tischer Komponenten sind dar ber hinaus Freiformoptiken wie Prismen und Aspharen zu nennen mit ebenfalls hohen Aspektverh ltnissen Die Formgenauigkeit der berechneten Freiformfl chen ist f r die Funktion entscheidend ZHANG U A 2012 Zus tzlich k nnen die Linsen mit diffraktiven Elementen berlagert sein einer definierten Mikrostruktur zur Licht beugung und Formung JIANG U WHITEHOUSE 2012 Mikrobauteile Weitere Beispiele finden sich bei der Miniaturisierung bestehender Produkte durch Fortschrit te der Fertigungsverfahren ALTING U A 2003 HANSEN U A 2006 Ein Beispiel sind Mikroge triebe und Bauteile von Mikromotoren Durch Mikrofr sen oder LIGA Verfahren BECKER 1986 lassen sich Verzahnungen im Submillimeterbereich und durch Verfahren der Halblei tertechnik im Mikrometerbereich herstellen Die Pr fung von Verzahnungsparametern Trag profilen Steigung Pitch oder Lauf wurde im Makrobereich mit spezialisierten Verzahnungs pr fst nden durchgef hrt GOCH 2003 Durch die eingeschr nkte Zug nglichkeit der miniatu risierten Exemplare bei gleichzeitig hohen Aspektverhaltnissen und dem Bedarf an kalibrier ten Referenzzahnr dern sind im Mikrobereich die m glichen Messverfahren eingeschr nkt Aufgrund der stark ausgepr gten Dreidimensionalit t werden heutzutage am ehesten mikro taktile Systeme eingesetzt GOCH 2003 Seite 20 von 10
118. mens durchgef hrt Im Datenblatt wurden die folgenden translatorischen und rotatorischen Abweichungen gegeben sowie der Arbeitsbereich Weg translatorisch Z Weg rotatorisch PX Y Weg rotatorisch pZ Tabelle 4 Technische Daten Smaract SmarPod 110 45 SMARACT 2011 Auf Basis einer Einbauplanung im CAD Modell Bild 38 links wurde das zu erwartende Positi onsvolumen f r den Sensorarbeitspunkt mit einem Abstand Arbeitspunkt Drehzentrum von 26 mm berechnet Bild 38 rechts Planung der prototypischen Realisierung Seite 49 von 106 Zinnm 200 u ee NN y in air i fc ae on s a 2 eo ia 7 _ SER 5 400 200 X in nm Bild 38 Links CAD Modell Einbauplanung Smaract SmarPod Darstellung des Bewegungsvolumens Rechts Volumen der Wiederholpr zision des Sensorarbeitspunkts bei Parallelkinematik Rot Vektori elle berlagerung der Abweichungskomponenten Schwarz Verbindung zu Kinematik Auf Basis der Datenblattwerte ohne eine Separation in systematische und nichtsystemati sche Anteile zu haben ergibt sich eine maximale Abweichung von 230 nm in X und Y Richtung der NMM 1 und 100 nm in Z Richtung Bei einer zus tzlichen Kompensation systematischer Anteile lie e sich das Volumen weiter verkleinern 5 2 2 Messtechnische berpr fung einer Parallelkinematik Auf Basis dieser Vorabsch tzungen der Parallelkinematik die gegen ber dem regul ren Pendel eine vierfach bessere Wiederholpr zision erwarten lassen wu
119. mensio nelle Nanomesstechnik Diplomarbeit QFM Universit t Erlangen Nurnberg 2007 KRYSTEK 2009 KRYSTEK M ISO Filters for Precision Engineering In Technisches Messen 76 2 2009 S 133 159 KUNG U A 2007 KUNG A MELI F UND THALMANN R Ultraprecision micro CMM using a low force 3D touch probe In Meas Sci Technol 18 2007 S 319 327 LEBRASSEAUR U A 2001 LEBRASSEAUR E BOUROUINA T POURCIEL J B OZAKI M MASUZAWA T UND FUJITA H Resonant Type Micro Probe for Vertical Profiler In SEISAN KENKYU 53 2 2001 S 35 38 LEBRASSEUR U A 2002 LEBRASSEUR E POURCIEL J B BOUROUINA T MASUZAWA T UND FUJITA H A new charac terization tool for vertical profile measurement of high aspect ratio microstructures In OP Journal of Micromechanics and Microengineering 12 2002 S 280 285 LENK 1996 LENK J D Simplified design of IC amplifiers Verlag Newes 1996 Literaturverzeichnis Seite 101 von 106 LEONE U A 1961 LEONE F C NELSON L S AND NOTTINGHAM R B The Folded Normal Distribution In Tech nometrics 3 4 1961 S 543 550 LIN U A 2007 LIN T H YANG H UND CHAO C K Concave microlens array mold fabrication in photoresist using UV proximity printing In Microsyst Technol 13 2007 S 1537 1543 LIPSON U A 1997 LIPSON S G LIPSON H S UND TANNHAUSER D S Optik Springer Verlag Berlin 1997 LMP7721 TEXAS INSTRUMENTS LMP7721 3 Femtoampere Input Bias Curr
120. mm Durchmesser Eine konstruktive Besonderheit liegt in den Hohlachsen der Tasterhalterung des 45 Adap ters und der Adapterscheibe Neben einer zentrischen Kabelf hrung erlauben sie einen opti schen Durchgang der Achszentren zum Sensorarbeitspunkt Dies erm glicht eine axiale Be leuchtung sowie auch eine axiale Beobachtung Neben einer berwachung des Messvor gangs kann dadurch eine messtechnisch gest tzte Positionierung des Sensors in den Achs schnittpunkt erfolgen Es kann z B durch ein Bildverarbeitungssystem die Zentrizit t des Sensors zu den Aperturen bestimmt werden Bild 52 zeigt das installierte Modul sowie eine Nahaufnahme ohne installiertes Werkst ck Erw hnenswert ist die Verkabelung der bewegten Smaract Achse Da aufgrund des breiten Anschlusssteckers keine Kabelf hrung durch die 10 mm Apertur der Aerotech Achse m g lich war wurde die Verbindungsleitung nach mehreren Experimenten als Schlaufe aus dem Arbeitsvolumen der NMM 1 herausgef hrt und beweglich auf H he der Zerodurplatte aufge h ngt Aufgrund des begrenzten Rotationsbereichs der Aerotech Achse von 180 stellte sich dies als ausreichend heraus Aufbau des Prufstandes Seite 65 von 106 Bild 52 In NMM 1 installierte Rotationskinematik 6 2 Elektrische und informationstechnische Integration Neben der mechanischen Integration bedurfte es einer elektrischen und informationstechni schen Integration um von einer gemeinsamen Ablaufsteuerung aus die Messung d
121. n Annals of the CIRP 59 1 2010 S 517 520 HOFFMANN U WECKENMANN 2005 HOFFMANN J WECKENMANN A Traceable Profilometry with a 3D nanopositioning unit and sensors with negligible measuring ranges in compensation method In Journal of Physics Conference Series 13 2005 S 228 231 HOFFMANN 2009 HOFFMANN J Elektrische Werkst ckantastung f r Nanometer aufgel ste Oberflachen und Koordinatenmesstechnik In Berichte aus dem Lehrstuhl Qualit tsmanagement und Ferti gungsmesstechnik 2009 18 2009 Universit t Erlangen N rnberg Dissertation HOFFMANN U A 20094 HOFFMANN J WECKENMANN A UND SCHULER A Mikrokoordinatenmesstechnik mit elektri scher Werkst ckantastung In Technisches Messen 76 2 2009 S 91 97 HOFFMANN U A 2009B HOFFMANN J SCHULER A UND WECKENMANN A Construction and evaluation of a traceable metrological scanning tunnelling microscope In Measurement 42 9 2009 S 1324 1329 HOFFMANN U A 2011 HOFFMANN J SCHULER A Nanometer resolving coordinate metrology using electrical prob ing In Technisches Messen 78 3 2011 S 142 149 HORNEGGER U A 2011 HORNEGGER J PAULUS D UND KOWARSCHIK M Diagnostic Medical Image Processing Rigid Image Registration Vorlesungsunterlagen Diagnostic Medical Image Processing Universitat Erlangen Nurnberg Lehrstuhl fur Mustererkennung 2011 HUA U A 2010 HUA Y COGGINS C UND PARK S Advanced 3D metrology Atomic Force Micros
122. n betrachtet werden Bild 69 links und rechts Bild 69 Links Lichtmikroskopische Aufnahme der Sensorkugel heller zentraler Fleck resultiert durch Reflexion der Beleuchtung Rechts Residuen der Antastpunkte auf dem Kugelartefakt ohne Tastku gelradiuskorrektur Abweichungen 500 fach berh ht dargestellt Auf der Kugel lassen sich konzentrische Riefen vom Herstellungsprozess sehen zudem las sen sich im oberen Bereich zwei Ver nderungen oder Kratzer erkennen Markierung eins und zwei sowie im unteren Bereich ebenfalls eine weitere Markierung drei Die Tastermitte kann wegen der Reflexion der Beleuchtung nicht bewertet werden Die Ursache der Kratzer ist nicht bekannt jedoch wurden bei HOFFMANN 2009 mehrere Taststifte gleicher Bauart mittels eines Rasterelektronenmikroskops untersucht und es konnten vergleichbare Kratzer im Auslieferungszustand der Taster gesehen werden In Bild 69 rechts l sst die Verteilung der Residuen eine symmetrische Formabweichung erkennen wie sie resultieren w rde wenn entweder Hartmetallkugel oder die Antastkugel w hrend der Kalibrierung zu einer ova len Form neigt Um Taststifte mit geringerer Formabweichung zu erhalten m sste anstatt Hartmetallkugeln auf Rubinkugeln ausgewichen werden die sich pr ziser herstellen lassen In einem anschlie enden Sputtering Prozess m ssen diese mit einer d nnen Goldschicht leitfahig gemacht werden Zudem k nnte mittels eines Drei Kugel Tests die lokale Formab weichu
123. n klassischerweise Piezoaktoren verwendet die jedoch nur einen geringen Arbeitsbereich zu lassen von z B 80 um x 80 um x 6 um bei einem Modell der Firma S 1 S Erst die Kombina tion mit Nanokoordinatenmessger ten erm glicht r ckf hrbare Messung mit f r Mikrokom ponenten praxistauglichen Arbeitsbereichen SCHULZ 2005 Hauptvertreter der Rastersondenverfahren ist das Rasterkraftmikroskop AFM DANZEBRINK U A 2006 Ein Cantilever mit einer Spitze deren Verrundungsradius im Nanometerbereich liegt wird ber die zu messende Oberfl che bewegt Abh ngig von der Betriebsart werden repulsive oder attraktive Oberfl chenkr fte zur Wechselwirkung genutzt Bild 11 zeigt den prinzipiellen Aufbau Die Wechselwirkung bringt in Abh ngigkeit der Oberfl chenh he den Cantilever zur Auslenkung welche wiederum ber die Ablenkung eines Laserstrahls detek tiert wird Im Vergleich zu Tastschnittger ten wird hier mit deutlich h herer Aufl sung gear beitet die erfassbaren H henunterschiede sind jedoch durch den Stellweg der Piezoaktoren Stand der Technik Seite 15 von 106 auf Mikrometer begrenzt Vergleichbar ist jedoch die Uberlagerung der Spitzenform mit der Oberflache nur ein Kontakt an der Front gewahrleistet die geringste Messabweichung Ge rade beim AFM fuhrt eine seitliche Antastung an z B einer Kante zu einer Veranderung der Oberfl chenkr fte durch nderungen in der Wechselwirkungsfl che Dies erschwert eine Rekonstruktion der Ober
124. n Realisierung Seite 55 von 106 g ltig da das System quasitaktil arbeitet Simulationstechnisch besteht nur ein Unterschied in der Dimension der Spitze da sich die effektive Spitzengr e aus der mechanischen Spit ze berlagert vom Arbeitsabstand weniger Nanometer ergibt Zusammengefasst erlaubt das tunnelstrombasierte Sensorsystem einen beliebigen Antastvektor im dreidimensionalen Raum bei Sub Nanometer Aufl sung in Antastrichtung ohne Gr en und Formeinschr n kungen beim Tastelement dank Kontaktfreiheit Aus diesen Gr nden und der einfacheren Integrierbarkeit soll es anstatt eines echten Profilometers genutzt werden um das Rotations prinzip praktisch umzusetzen 5 3 1 Baugruppen des quasitaktilen Sensors Erfahrungen mit dem elektrischen Sensorsystem und eine messtechnische Evaluation wur den in den Arbeiten von Hoffmann HOFFMANN 2009 dokumentiert Diese Arbeiten basieren gr tenteils auf der zweiten Version der am Lehrstuhl entwickelten Sensorelektronik wie bei WECKENMANN U A 2008A beschrieben Diese ist noch in einer externen 19 Zoll Einheit aus gelagert und mittels THT through hole technology realisiert F r eine bessere Integration in den Versuchsaufbau wie sie beim Rotationsprototyp ben tigt wird sollten in einer dritten Version der Sensorelektronik die Aspekte Integrierbarkeit durch Modularisierung Dynamik Empfindlichkeit und Signal Rauschverh ltnis optimiert werden Einen berblick der zu opti mierenden Kom
125. n Sensor erfasstes Kalibrierartefakt erfolgen dessen Position im Werkst ckkoordinatensystem bekannt ist Mit resultierender Kenntnis der tats chlichen Sensorposition ber den Rotationsbereich kann der Unterschied durch die Achsbewegung der NMM 1 kompensiert werden 7 1 In situ Kalibrierkonzept Als Grundlage zur Bestimmung der Position und Abweichungen des Sensors wird ein Kalib rierartefakt ben tigt das vom Sensor erfasst werden kann Nach JUSKO U NEUGEBAUER 2007 sind f r den Mikro und Nanobereich verschiedene Artefakte denkbar unter anderem Seite 74 von 106 Korrektion systematischer Abweichungen der Rotationskinematik Kugeln Pr zisionskugeln kommen ebenfalls bei der Kalibrierung von Koordinatenmessger ten zum Einsatz und k nnen mit einer Formabweichung weniger Nanometer hergestellt wer den sofern eine Mindestgr e im Millimeterbereich vorliegt Kleinere Kugeln mit Durchmes sern unter 1 mm sind wie in Kapitel 2 1 2 bereits erw hnt schwieriger zu fertigen JUSKO U NEUGEBAUER 2007 Insbesondere die Kalibrierung der Position von Tastsystemen sowie von Rotationsachsen in KMGs erfolgt unter Verwendung von Pr zisionskugeln Dies wird in der Normenreihe ISO 10360 Geometrische Produktspezifikation GPS Annahmepr fung und Best tigungspr fung f r Koordinatenmessger te KMG n her beschrieben Speziell die Pr fung von Tastsystemen ist in DIN EN ISO 10360 5 2011 Pr fung der Antastabweichun gen von KMG mit be
126. n berechnet F r den Bogen mit dem Miit telpunkt M m m wird von der Gleichung eines Halbkreises ausgegangen Gleichung 11 k x 4 r x m m 11 Simulation des Rotationsprinzips Seite 29 von 106 Diese Gleichung ist auf ein Intervall xx Xk beschr nkt das durch die Ubergangspunkte zu den Geraden links xx und rechts xx bestimmt wird Bild 22 a Fur eine senkrecht stehende Spitze lassen sich die zugeh rigen Koordinaten ber Gleichung 12 13 den ffnungswin kel y und den G ltigkeitsbereich Dx bestimmen De iel Xg M r c087 5 Xg M r cos 12 eal Zk I kr MM TR NT Tree 13 Bei einer gedrehten Spitze ergeben sich der entsprechende Anfangs und Endpunkt im Werkst ckkoordinatensystem aus diesen Werten durch Koordinatentransformation und Rota tionsmatrizen Zu beachten ist jedoch der G ltigkeitsbereich der Halbkreisgleichung da bei starker Neigung der bergangspunkt zwischen Bogen und Gerade oberhalb des Bogenmit telpunkts liegt und einem Oberfl chenpunkt mehrere Spitzenpunkte zugeordnet werden k n nen Bild 22 b und c Bild 22 Intervallgrenzen geneigter Spitzen F r die Sonderf lle starker Drehung nach links bzw Drehung nach rechts werden deshalb die Intervallgrenzen nach Gleichung 14 Bild 22 b bzw Gleichung 15 Bild 22 c ange nommen Dy f 3M 4r 5 22 gt m gt x m r 14 D m tf Zi gt M Xg EM r 15 9 TUX 4 2 Erstellte S
127. n diesem Testfall die maximale und mittlere Abweichung um 50 reduzieren 1 Mittelwert der N Abweichung 0 8 0 6 Maximale Abweichung 0 4 Beide normiert auf klassische Messung Q 40 3 27 2 307 3 a0 495 M glicher maximaler Drehwinkel Bild 27 Abweichungsreduktion mit steigendem maximalem Drehwinkel Teststruktur Rampe Eine zweite Testoberfl che betrachtet den bergang zwischen zwei konstanten Steigungen wie sie z B bei funktionalen Oberfl chen wie Riblets oder auch bei MEMS mit senkrechten Strukturen vorkommen In diesem Testszenario wird der spontane bergang zwischen der Basisebene und einer Rampe mit 18 Steigung dargestellt Die Simulationsparameter wur den wie bei der Kugel gew hlt jedoch mit einem ausreichenden Maximalwinkel von 20 Schwerpunkt dieses Testfalls ist die Reaktion der verschiedenen Strategien auf die Stei gungs nderung Bei diesem gering gew hlten Winkel erfolgt ein Kontakt nur im sph rischen Teil der Tastspitze ohne Flankenkontakt Ohne Rotation Sollprofil Vorhersagend Linear Lagrange en evi Abweichung Arange 0 4 um Aitken Neville 0 3 um 2 3 Analysierend me I i Average Slope 0 0 5 1 gm Quadratsumme der Abweichungen Oum 5um 10um 15um 20um 25 um un Analysierend Average Slope Vorhersagend Linear Lagrange Aitken Neville Ohne Rotation Maximale Abweichung Normiert auf klassische Messung Bild 28 Simulie
128. n kann jedoch weniger gut deren Oberseite MARTIN U WICKRAMASINGHE 1994 FOUCHER U A 2011 Die Verwendung auskragender Taster ist auch im Makrobereich bei Koordinatenmessger ten bekannt Diese sind dort meist fest aus gerichtet als Sterntaster es gibt jedoch auch Varianten wie das Renishaw REVO System bei dem die Ausrichtung motorisiert ver ndert werden kann RENISHAW 2011 WECKEN MANN U A 2004 Sie sind in DIN EN ISO 10360 1 2003 als Dreh Schwenk Messkopfsysteme bezeichnet Hier kommen jedoch nur makroskopische 3D Tastsysteme zum Einsatz eine Verwendung mit Sensoren der Mikromesstechnik ist aufgrund der Gr e und der f r die Mikromesstechnik unzureichenden Positioniergenauigkeit nicht m glich Durch eine nachtr gliche Messdatenverarbeitung am Computer ist es seit wenigen Jahren m glich Daten aus verschiedenen Messungen mit unterschiedlichen Sensorneigungswin keln zu einer gemeinsamen Messung zusammenzuf hren Dieser Vorgang wird als Datenfu sion bezeichnet und wurde sowohl bei optischen Systemen demonstriert MARINELLO U A 2007 und implementiert ALICONA 2012 PRANTL U A 2011 als auch bei modernen Tast schnittger ten bzw Rasterkraftmikroskopen HUA U A 2010 gezeigt Nachteilig ist bei die sem Vorgehen der hohe Zeitaufwand f r wiederholte Messungen unter einer ausreichenden Anzahl von Winkeln Zudem liefert die Datenfusion einen zus tzlichen Unsicherheitsbeitrag durch die Segmentierung und berlappende Aneinand
129. n mit hohen Aspektverh ltnissen sind der begrenzte erfassbare Steigungswin kel der optischen 2 5D Systeme sowie St reffekte an Kanten wie z B Batwings Die Mess ergebnisse sind im Vergleich zu Tastschnittger ten nicht immer zu 100 vergleichbar schon allein aufgrund der unterschiedlichen Funktionsprinzipien WECKENMANN 2012 Insbesonde re mit steigenden Oberfl chenwinkeln wurden Unterschiede zu taktilen Ergebnissen gezeigt DE CHIFFRE U HANSEN 1995 LONARDO U A 1996 GAO U A 2008 Bei Tastschnittger ten sind optische Eigenschaften irrelevant jedoch kann eine geringe Werkstoffh rte insbesondere bei Kunststoffen wegen einer Oberfl chenbesch digung die Messung einschr nken Durch die Form der Spitze und die Annahme eines festen Kontakt punktes ist auch hier der erfassbare Oberfl chenwinkel eingeschr nkt Es kommt zu einer berlagerung der Spitzengestalt mit der Werkst ckgestalt und ein Flankenkontakt bei Ver lassen der Spitzenfront f hrt zu signifikanten Messabweichungen LONARDO U A 1996 HANSEN U A 2006 BEAUCAMP U A 2007 Gegen ber optischen Verfahren sind Tastschnitt ger te jedoch beherrschter und besser in den Normen erfasst WECKENMANN U A 2008B Seite 22 von 106 Stand der Technik Rastersondenverfahren insbesondere Rasterkraftverfahren haben aufgrund der vernach lassigbaren Antastkraft keine Probleme mit weichen Werkstoffen Der geringe Arbeitsbereich und die geringere Zug nglichkeit durch die Sond
130. n so Strukturen aus Metallen und Kunststoffen hergestellt werden Weitere direkt im Mikro und Nanometerbereich arbeitende Verfahren sind strahlbasierte Fertigungsverfahren wie Laserbearbeitung oder im Nanometerbereich FIBDW Focused lon Beam Direct Writing und gasphasenunterst tzter lonenstrahlabtrag und auftrag ALTING U A 2003 FANG U A 2010 Alle diese Verfahren erlauben die Herstellung von Mikrowerkst cken mit dreidimen sional ausgepr gten Strukturen Resultierende Produkte sind beispielsweise die Klasse der MEMS micro electro mechanical systems komplexe Mechaniken mit Gesamtabmessungen im Mikrometerbereich Sie kommen heutzutage stark verbreitet in Sensoren f r mechanische Gr en vor wie mehrachsige Beschleunigungssensoren f r Crashsensoren oder Gyroskope ALTING U A 2003 HANSEN U A 2006 Der Trend immer kleinere Bauteile durch genauere Fertigungsverfahren bis hin zu direkt atomare Strukturen herstellen zu k nnen wurde schon 1983 von Taniguchi beschrieben TANIGUCHI 1983 Mit zuk nftigen Verfahren der Fertigungstechnik wird immer mehr Room at the Bottom erschlossen werden k nnen und die Strukturgr en weiter gesenkt werden Seite 2 von 106 Einleitung In der Summe ergeben sich mit den neuen M glichkeiten Komponenten und Baugruppen die entweder Abmessungen im Makrometerbereich haben und Strukturen bzw Genauigkei ten im Mikro bis Nanometerbeich aufweisen oder es ergeben sich Bauteile mit Gesamtab messungen
131. nach Rotation um diesen Betrag in der Z Achse abweicht so w rde in der resultierenden Messung eine Abweichung gleichen Betrags auftreten Dieser Wert wird prim r von der Wie derholpr zision der Rotationskinematik bestimmt und eine Verbesserung w re durch Wahl anderer Drehachsen oder einer anderen Kinematik m glich Formabweichung und Radius von Kalibrierkugel und Sensorkugel Der zweite Haupteinfluss liegt in der Formabweichung der Kugeln Beim Einmessen der Sensorposition zum Kalibrierartefakt berlagern sich die Form von Kalibrierkugel und Sen sorkugel Dadurch verschieben sich die bei der Gau schen Einpassung berechneten Mittel punkte zu den erwarteten Mittelounkten Dieser Einfluss hat durch die Rotation w hrend der Kalibrierung einen unterschiedlichen Betrag und ergibt sich aus der lokalen Form berlage rung der beiden Kugeln Um diesen Effekt erfassen zu k nnen ist eine Kalibrierung beider Kugeln mit einer Punktdichte notwendig die den sp ter genutzten Winkelschritten ausrei chend entspricht Eine worst case Betrachtung ergibt sich bei positiver berlagerung der maximalen Formabweichung beider Kugeln an einem Kontaktpunkt Eine Addition der kalib rierten Formabweichung beider Kugeln von 572 nm respektive 307 nm resultiert im Ma ximum zu 879 nm Bei der Bestimmung der Kugelmittelpunkte w rde dieser Wert nur anteilig eingehen durch die Gau sche Einpassung f r eine exakte Bestimmung der Verschiebung wird die genaue Kenntnis
132. nd eines optischen Punktsensors auf einer Mikrostruktur Die Oberfl che kann mit beiden Verfahren nur bruchst ckhaft erfasst werden Diese Problematik stellt eine deutliche Einschr nkung aller verf gbaren Sensoren dar Die ses Thema soll deshalb im Rahmen dieser Arbeit adressiert werden wu taktil F optisch Bild 18 Messabweichung von optischen und taktilen Verfahren an hohen Oberfl chenwinkeln Bestehende Ans tze Einer der bestehenden Ans tze zur Senkung der winkelabh ngigen Abweichung besteht in einer Drehung des Sensorkopfes vor der Messung Er wird auf den Winkel eines bestimmten Oberfl chenbereichs von Interesse ausgerichtet Im ausgew hlten Bereich ist der Winkel zwischen Sensor und Oberfl che nun optimiert und die Messabweichung lokal reduziert WECKENMANN U WIEDENH FER 2004 Jedoch sind alle anderen Oberfl chenbereiche bei nun suboptimalem Winkel mit erh hter Abweichung belastet Bei Profilometern kann bei spielsweise vor der Messung der Messkopf geneigt werden TAYLOR HOBSON 2012 Im Falle taktiler Systeme kann die Richtungs nderung auch durch gewinkelte oder auskragende Spit Stand der Technik Seite 23 von 106 zen realisiert werden Lebrasseur erfasst z B durch einen gewinkelten Profilometerarm auf Siliziumbasis die Innenw nde von Bohrungen LEBRASSEUR U A 2002 Martin und auch Fou cher zeigen das Prinzip bei einem AFM das durch Gestaltung der Spitze besonders gut die Seitenw nde von Mikrow llen erfasse
133. ndung des Kalibrierfeldes zu eliminieren Seite 80 von 106 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp je is 3 89 Z Achse in mm 6 1 5 7 5 8 5 9 6 0 57 5 8 5 9 6 0 Achse in mm Bild 63 Mittelpunktkoordinaten der Kalibrierkugel ber den Winkelbereich 8 2 Genauigkeit und Prazision der Winkeladressierung Als Vergleichsbasis fur folgende Untersuchungen wurde die Wiederholprazision des Sensors im Aufbau betrachtet von Restbewegungen der Positionsregelung der Rotationskinematik abgesehen Dazu wurde nach thermischer Stabilisierung Uber die Dauer einer Nacht der Mittelounkt der Kalibrierkugel bei der Winkelstellung 0 zehnfach wiederholt erfasst Analog Kapitel 5 2 2 wurde die Wiederholstandardabweichung berechnet durch Bestimmung des Mittelounkts der Ermittlungsergebnisse und Berechnung der Abstandsvektoren in ihren kar tesischen Einzelkomponenten Es resultiert fur die Wiederholstandardabweichung o 1 3 nm in X 1 8 nm in Y und 5 0 nm in Z Zus tzlich kann noch die Spannweite der Einzelergebnis se angegeben werden mit 3 7 nm in X 5 1 nm in Y und 17 1 nm in Z Auffallig ist die geringe re Wiederholprazision in Z die in erster Naherung dem Antastvorgang in Z Richtung oder der spater naher betrachteten Formabweichung der Kalibrierkugel am Pol zuzuschreiben ist Die Untersuchung wurde uber einen gr eren Winkelbereich von 30 bis 30 in 10 Schrit ten wiederholt ohne thermische und mechanische Stabilisierungsphasen wi
134. ne Durch einen hohen Grad der Miniaturisierung erfolgt die Integration platz und gewichtssparend Es folgt eine in situ Kalibrierung des Sensors und der Rotationseinheit in Verbindung mit dem Sensor um erfassbare systematische Positionsabweichungen zu kompensieren Die Position des Sensors im Ger tekoordinatensystem ist dazu zu bestimmen Sie soll ber den Rotationsbereich erfasst werden und es sollen mit dem Nanokoordinatenmessger t ber ein Kalibrierfeld systematische Abweichungsanteile kompensiert werden Nach Inbetriebnahme des Pr fstands wird das Funktionsprinzip an Demobauteilen dargestellt und die Abwei chungsreduktion durch Rotation ermittelt Deren Auswertung ergibt eine Bewertung des Nut zens des Prinzips der Anwendungsgrenzen und der bertragbarkeit auf andere Verfahren Die Neuartigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich durch die erstmalige Ver wendung der Sensorwinkelnachf hrung w hrend einer Messung im Bereich der Mikro und Nanomesstechnik aus Erst die in situ Kalibrierstrategie auf Basis des quasi taktilen Sensors erm glicht die Kompensation der Auswanderung des Sensorarbeitspunkts aufgrund von sys tematischen Abweichungen der Rotationskinematik Durch Nutzung eines Nanokoordina tenmessger tes resultiert in Verbindung mit der Kalibrierstrategie erstmals eine derart gerin ge Wiederholpr zision so dass die Rotation eines Sensors w hrend einer Messung praxis tauglich f r die Mikromesstechnik wird Eine zei
135. ne Filterung kann durch die Modula risierung des Simulators ber beliebige Funktionen realisiert werden Wenn ausreichend Da ten vorliegen wird ber diese erfassten St tzpunkte eine lokal g ltige Oberfl chenfunktion eingepasst und zuk nftige Werte extrapoliert Mit Kenntnis dieser Funktion bzw dieser Da ten kann mit bereits gezeigten Methoden der n chste Rotationswinkel berechnet werden Nach der Rotation werden erneut Messwerte in den Puffer geschrieben und die Berechnung laufend wiederholt In der Simulationsumgebung wurde eine Extrapolation auf Basis der fol genden Algorithmen implementiert BRONSTEIN 2008 Lineare Interpolation Polynom ersten Grades Newton Polynom h heren Grades Lagrange Aitken Neville Hermite Seite 34 von 106 Simulation des Rotationsprinzips Die Algorithmen unterscheiden sich in ihrem Grad und dem verwendeten Ansatz Beispiels weise arbeitet die lineare Interpolation mit einem Polynom von nur erster Ordnung im Ver gleich zum Newton Verfahren das sich durch eine Ordnung gr er zwei auszeichnet Das Hermite Verfahren arbeitet hnlich bei der resultierenden Funktion wird aber zus tzlich noch die Steigung der St tzpunkte ber cksichtigt Im Gegensatz zu den restlichen Verfahren be rechnet der Aitken Neville Algorithmus nicht eine Ersatzfunktion zu den St tzstellen sondern liefert direkt den n chsten Oberfl chenpunkt Je nachdem ob eine Ersatzfunktion F x oder direkt der n chste P
136. nematische Variante wurde weiter verfolgt und eine Berechnung der erzielbaren Wiederholpr zision durchgef hrt F r die obere Rotationsachse wurde erneut die Aerotech ANT95 R gew hlt f r die untere wurde nach einer Marktrecherche auf eine Smaract SR 2812 S zur ckgegriffen Diese besitzt ein Keramiklager mit einem Piezoantrieb der ber einen integrierten Winkelgeber positionsgeregelt ist Wie f r diese Klasse von Drehtischen blich ist keine Kalibrierung ber einen Autokollimator o vorhanden Die Abweichungen wurden auf Basis von Erfahrungswerten des Herstellers bzw Vergleichswerten der Aerotech Achse bernommen Technische Daten Smaract SR 2812 S und Annahmen Aufl sung 0 0072 arc sec Exzentrizit t gesamt 3 um Erfahrungswerte Hersteller Planlauf 0 5 um Annahme analog Aerotech Taumel 3 arcsec Annahme analog Aerotech Tabelle 5 Technische Daten Smaract SR 2812 S SMARACT 2011 Mit Berechnung eines Abstandes Sensorarbeitspunkt Drehzentrum Aerotech Achse von 43 6 mm und Sensorarbeitspunkt Drehzentrum Smaract Achse von 29 3 mm ergibt sich ein m gliches Volumen des Arbeitspunktes von angeschragter Form mit den Abma en 1 5 um und 1 35 um lateral sowie 0 8 um in Z dargestellt in Bild 42 Der Haupteinflussfaktor ist hier die Exzentrizit t der Smaract Achse Planung der prototypischen Realisierung Seite 53 von 106 Zinnm Bild 42 Volumen der Wiederholpr zision des Sensorarbeitspunkts bei gestapelten Drehac
137. ng bestimmt werden f r eine winkelabh ngige Berechnung des Antastvektors KUNG U A 2007 Umwelteinfl sse Umwelteinfl sse wie Feuchtigkeit elektromagnetische Felder und insbesondere thermische Effekte spielen in der Messtechnik eine gro e Rolle Gerade in der Nanomesstechnik kann die thermische Ausdehnung von Werkst ck und Messger t Abweichungen in der Gr en ordnung der zu pr fenden Merkmale liegen In Bezug auf das Rotationsprinzip k nnen sich thermische Ver nderungen an mehreren Stellen auswirken Am kritischsten ist eine Gr Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Seite 89 von 106 Benanderung von Kalibrier oder Sensorkugel was zu einer systematischen Abweichung durch ver nderte Korrekturradien f hrt Zudem wird das Kalibrierfeld von den Langenande rungen in der Rotationskinematik sowie einer Wanderung der Kalibrierkugel im Ger tekoor dinatensystem betroffen Mit einer Kurzzeitkalibrierung k nnen diese Effekte jedoch gesenkt werden Durch die durchg ngige Verwendung von Komponenten mit einem geringen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten wurde dieser Effekt konstruktiv schon begrenzt er ist aber dennoch vorhanden Zur Absch tzung des Einflusses wurde die Temperaturver nderung ber l ngere Zeit betrachtet Einer der installierten Temperatursensoren ist in N he des Werkst cks installiert und zeigte zwischen Aufzeichnung des statischen Kalibrierfeldes und der letzten Messung mittels Sensorrotation einen Anstieg
138. ng des Rastertunnelmikroskops und Adressierung dessen Einschr nkun gen wurde an der Universit t Erlangen N rnberg am Lehrstuhl Qualit tsmanagement und Fertigungsmesstechnik ein kontaktloser 3D Sensor f r die Mikromesstechnik entwickelt auf Basis des Tunnelstroms Die Entwicklung wurde in mehreren Arbeiten dokumentiert HOFF MANN 2009 HOFFMANN U a 2009A HOFFMANN U a 2011 HOFFMANN U A 20098 WECKENMANN U A 2008A Anstelle einer ideal scharfen Drahtspitze wurde durch Nutzung einer kugelf rmigen Spitze eine Antastwechselwirkung in drei Dimensionen erm glicht Die laterale Ausdehnung der Wirkzone reduziert zwar die laterale Aufl sung jedoch wird der m gliche Arbeitsabstand und nutzbare Arbeitsbereich signifikant erweitert HOFFMANN 2009 erkl rt dies mit einer Verst rkung des elektrischen Feldes aufgrund des Schottkyeffekts und resultierender Senkung der Potentialbarriere Im Falle einer Hartmetallkugel von 0 3 mm Durchmesser wurde ein nutzbarer Arbeitsbereich bis zu 200 nm erreicht abh ngig von der Materialpaarung Die laterale Aufl sung wurde experimentell zu 200 nm f r die 0 3 mm Ku gel bestimmt die Aufl sung in Arbeitsrichtung ist prinzipbedingt im Picometerbereich und wird praktisch von der Aufl sung der Auswertelektronik und berlagerten elektromagneti schen St rungen auf Subnanometer begrenzt Bild 13 rechts zeigt eine typische ungefilterte Kennlinie des Sensorsignals Mit Ann herung an die Werkst ckoberfl che
139. ng von Achsparametern erfolgt die Verbindung zum Achs controller Die Aerotech Achse kann direkt mit den Eingabewerten zur Rotation angewiesen werden Bei der Smaract Achse hingegen muss erst die anzusteuernde Position Osteuer De rechnet werden da mitgelieferte Controllerbefehle bei einer absoluten Adressierung immer in positiver Winkelrichtung drehen Um dies zu umgehen werden Befehle zur relativen Bewe gung in Anzahl der Winkelschritte und Winkelrichtung genutzt F r deren zuverl ssige Aus f hrung bei beliebigen Eingangswerten wird zuerst die aktuelle Winkelposition Oist ausgele sen und nach folgendem Schema der Zielvektor bestimmt 0 lt 90 gt 0 ist Steuer 6 gt 270 O sseuer Opa a 360 u O 20 90 lt 8 lt 270 gt 9 ist Oy 7 0 unzul ssig Nach Grenzwertpr fung der errechneten Werte bzw Pr fung der r ckgelieferten Winkelpo sition erfolgt das Bewegungskommando Beide Achsen trennen die Verbindung zum Com puter nach diesem Schritt und liefern einen R ckgabewert Im Falle eines Fehlers bei der Befehlsabarbeitung wird der Fehlercode zur ckgegeben ansonsten der Wert 0 Das ausf h rende Rahmenprogramm in Matlab reagiert auf den R ckgabewert und stoppt gegebenen Aufbau des Prufstandes Seite 67 von 106 falls alle Achsbewegungen Dies erfolgt z B bei nicht durchgef hrter Referenzfahrt einer Achse oder der Eingabe eines ung ltigen Zielwertes 6 2 2 Ansteuerung eines kartesischen Rot
140. ngstreiber f r die elektromagnetischen Achsantriebe dar Zur Ansteuerung kommt ein regul rer Personal Computer zum Einsatz der ber USB mit dem DSP verbunden ist ber Ger tekommandos lassen sich alle Konfigu rationen vornehmen und Messbefehle absetzen Als Benutzerschnittstelle wird dazu die skriptbasierte Entwicklungsumgebung Matlab von Mathworks eingesetzt oder eine verein fachte grafische Oberfl che NMMControl Die Positioniereinheit der NMM 1 ist in einer akus tischen Abschirmhaube untergebracht und steht auf einer Granitplatte die auf einem pneu matischen Schwingungsd mpfertisch liegt HOFFMANN 2009 Kern der Positioniereinheit ist der Werkst cktr ger aus der Glaskeramik Zerodur mit drei verspiegelten Au enfl chen Zerodur tr gt mit seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0 0 10 x 10 K zur Unempfindlichkeit gegen ber Umwelteinfl ssen bei Die Au enfl chen sind Teil dreier Laser interferometer die von den Laserquellen in der Elektronikeinheit gespeist werden Bei einer imagin ren Verl ngerung der Laserstrahlen durch die Au enfl chen hindurch wird sichtbar dass sich die Strahlen in einem gemeinsamen Punkt schneiden Dieser Punkt ist zudem der Arbeitspunkt des ausgew hlten Sensors der fest unterhalb der Kopfplatte installiert wird Seite 42 von 106 Planung der prototypischen Realisierung Bewegter 4 a P T eee i Fa m gm 1 YY PSL E L iT ic Bild 33 Nanomessgerat NMM 1 Positioniereinh
141. nk gilt Prof Dr Ing Prof h c Dr Ing E h Dr h c mult Albert Wecken mann Inhaber des Lehrstuhls QFM f r die M glichkeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter t tig zu werden f r das entgegengebrachte Vertrauen die Unterst tzung und F rderung meiner Arbeit sowie die bernahme des Hauptreferates Prof Dr Ing Rainer Tutsch Inhaber des Instituts f r Produktionsmesstechnik IPROM der Technischen Universit t Braunschweig danke ich f r die Unterst tzung sowie die bernah me des Korreferates Dar ber hinaus danke ich Prof Dr Ing J rg Franke Inhaber des Lehrstuhls f r Fertigungs automatisierung und Produktionssystematik FAPS der Friedrich Alexander Universit t Er langen N rnberg f r die bernahme des Pr fungsvorsitzes Ebenfalls danke ich Prof Dr Ing Reinhard Lerch Inhaber des Lehrstuhls f r Sensorik LSE der Friedrich Alexander Universit t Erlangen Nurnberg f r die Teilnahme als weiterer Pr fer an der m ndlichen Pr fung Weiterhin danke ich Prof Dr Ing habil Tino Hausotte Inhaber des Lehrstuhls f r Ferti gungsmesstechnik FMT der Friedrich Alexander Universit t Erlangen N rnberg und zudem Entwickler der in dieser Arbeit genutzten Nanopositioniereinheit f r seine Unterst tzung Allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls QFM und des Lehrstuhls FMT mei nen Kollegen danke ich f r die angenehme Arbeitsatmosph re und die sehr konstruktive Zusammenarbeit insbesondere
142. nkel sind im letzten Teilgraph zu sehen f r die Messung mit intelligenter Umschaltung in der N he von 0 sowie ohne diese Funktion Die klassische Messung mit 0 kommt nur bei der Kugel und der Spitze der Dreiecke zum Tragen sichtbar an den unterschiedlichen Winkelverl ufen bei der Position 1 5 mm und 4 5 mm Im generellen Winkelverlauf ist auch der wiederholte Sprung zwischen unterschiedlichen maximalen Winkeln zu sehen sowie eine Neigung zur Oszillation bei z B der Position 15 5 mm Bei Betrachtung der Quadratsumme der Abwei chungen bringt die Sensorrotation im Vergleich zur klassischen Messung trotz der hohen Aspektverh ltnisse des Mikrokonturnormals eine Abweichungsreduktion um 84 5 Zusammenfassung Seite 93 von 106 9 Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Verfahren f r die Mikro und Nanomesstechnik basie rend auf der Rotation eines Sensors gezeigt und bewiesen Es senkt die Messabweichung bei der Erfassung von stark gekr mmten Oberfl chen die auf das berschreiten eines zu lassigen Winkeltoleranzbereichs eines Sensors zur ckzuf hren ist Das Verfahren erh ht den effektiv erfassbaren Winkelbereich mit einem Sensor und erlaubt 1D Sensoren fur 3D Messungen zu nutzen Das Verfahren erfolgt w hrend des Messvorgangs und macht eine nachtr gliche Datenfusion aus mehreren Messungen oder z B eine computergest tzte Kor rektur der Spitzenform hinf llig Einsatzbereiche sind die Messung von Schneidkanten an Werkzeugen
143. ntergebracht Als geschirmte Verbindungsleitungen wurden je nach Art der Verbindung ver schiedene Systeme genutzt F r alle normalen Kabelverbindungen innerhalb der Schirmge h use wurden Koaxialkabel genutzt die ber einen Kontaktpin an der Massefl che der Plati ne angeklemmt sind Auf der Platine sind alle Signale durch eine umgebende Massefl che gesch tzt Alle kritischen Signale wie Spitzenspannung Tunnelstrom und Ausgangssignale wurden an die Platine ber SMA Schraubverbinder angeschlossen Diese Verbinder kamen auch beim Anschluss von Spitzenhalterung und Werkst ckkontaktierung an die Schirmge h use zum Einsatz In Version zwei wurden zur Spitzenanbindung BNC Rastverbinder ge nutzt Mit SMA Verbindern konnte eine weitere Miniaturisierung stattfinden Die Spannungs versorgung zwischen den Baugruppen erforderte mehrere Adern gleichzeitig weshalb auf geschirmte 9 Pol D SUB Verbinder zur ckgegriffen wurde Gegen ber industriellen mehrad rigen Steckverbindern waren diese g nstiger bei noch vertretbarer Baugr e 5 3 4 Leistungsevaluation Mit dieser berarbeitung ist das elektrische Sensorsystem bereit in den Rotationsprototypen eingesetzt zu werden Die zeitfordernden Integrationsarbeiten und Konfigurationsarbeiten des Sensors in de NMM 1 erfolgten zum Teil schon im Vorfeld vor der Montage der Rota tionskinematik Es wurden grundlegende elektrische Tests zur Funktionspr fung und Bewer tung der Leistungsoptimierung durchgef hr
144. nz mit jedoch besonders genauer und stabiler Mechanik Es ergibt sich eine platzsparende Platine der Breite 39 mm und L nge 23 mm um im Extremfall direkt an der Spitze selbst angebunden zu werden Spitzenhalterung Die Sensorspitze wurde im Betrieb ohne die Rotationskinematik f r initiale Integrationsarbei ten von einer federkraftbelasteten Klemme gehalten Eine S ule aus Invar wurde unter der Kopfplatte der NMM 1 installiert und auf dieser ber eine verschiebbare H lse mit Auskra gung ein Klemmmechanismus f r Sensorstifte installiert Die Fe Ni Legierung InVar 36 hat mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1 6 10 K eine sehr geringe thermi sche Ausdehnung Die Klemme wurde ber eine Zwischenschicht elektrisch isoliert aufge bracht und die Spitzenspannung ber die komplette Klemme in den Taststift eingeleitet Die Isolationsschicht trennt den spannungsf hrenden Teil vom Rest des Aufbaus der auf Mas sepotential liegt Die Ausf hrung der Schicht erfolgte ber eine Kunststoffplatte Gegen ber einem keramischen Isolator ist der thermische Ausdehnungskoeffizient zwar erh ht die Her Seite 58 von 106 Planung der prototypischen Realisierung stellung kann jedoch mit blichen Fr sverfahren erfolgen Auf der spannungsf hrenden Seite wird der Taststift ber eine Nut ausgerichtet und ber einen Federmechanismus mit Hart gummi zur Kraftverteilung fixiert H henverstellung J Anschluss J Spitzenspannung lsoli
145. oftwareumgebung Die beschriebene Simulationslogik wurde in einer Simulationsumgebung zur Durchfuhrung auf PCs realisiert Als Programmiersprache wurde die objektorientierte plattform bergrei fende Sprache Java verwendet und die Entwicklungsumgebung Eclipse Der Simulatorkern wurde in Vorarbeiten am Lehrstuhl erstellt HETZNER 2006 und im Rahmen dieser Arbeit um das Strategiemodul das Auswertemodul und die Prozessdatenerfassung erweitert Uber die Erweiterung wurde in WECKENMANN U A 2012 berichtet Die Simulationsumgebung macht sich eine hohe Modularitat und Schnittstellendenken zu nutzen um flexibel an neue Anforderungen angepasst oder um andere Sensorprinzipien erweitert zu werden Neben Funktionen f r Benutzereingabe und grafische Ergebnisdarstel Seite 30 von 106 Simulation des Rotationsprinzips lung wurden die Einzelkomponenten eines Tastschnittgerats aufgegriffen um modularisiert die Simulationslogik abzubilden Bild 23 zeigt die resultierenden Einzelmodule die uber defi nierte Schnittstellen untereinander kommunizieren und deshalb leicht austauschbar sind Strategien Erweiterte Strategien Strategie ohne Rotation Steuerdaten Umgebung Virtuelles Messger t e 2D Oberfl che Datenerfassungund Datenspeicherung SEUEN lt Interaktion gt Messdaten Spitzentrajektorie Tastspitze Konische Spitze Prozessdaten Strategie Ideale Spitze Bild 23 Vernetzte Module der Simulationsumgebung Das Spitzenmodul ent
146. ogy Techniques In Proceedings Inter national Conference on Competitive Manufacturing 2010 S 269 275 SCHULER U A 2012A SCHULER A WECKENMANN A UND HAUSOTTE T A setup for dynamic sensor rotation for high aspect ratio microstructure measurements In 10th international scientific conference Coordi nate Measuring Technique 23 25 4 2012 Bielsko Biala Polen SCHULER U A 2012B SCHULER A WECKENMANN A UND HAUSOTTE T Enhanced measurement of high aspect ratio surfaces by applied sensor tilting In Proceedings of the 20th IMEKO World Congress Me trology for Green Growth 09 14 09 2012 Busan Sudkorea SCHULZ 2005 SCHULZ D Rasterkraftmikroskope vom Typ Veritekt PTB Braunschweig http www ptb de cms fachabteilungen abt5 fb 52 ag 525 rastersonden525 rasterkraftmikroskope html aufgerufen 02 12 2012 Seite 104 von 106 Literaturverzeichnis SCHWENKE U A 2001 SCHWENKE H WAELDELE F WEISKIRCH C UND KUNZMANN H Opto Tactile Sensor for 2D and 3D Measurement of Small Structures on Coordinate Measuring Machines In Annals of the CIRP 50 1 2001 S 361 364 SEEWIG 2009 SEEWIG J Optisches Messen technischer Oberfl chen Messprinzipien und Begriffe Beuth Verlag Berlin 2009 SMARACT 2011 SMARACT GMBH Product catalogue Produktkatalog 2011 Volume 9 SPAAN U WIDDERSHOVEN 2011 SPAAN H UND WIDDERSHOVEN l Isara 400 Ultra precision CMM In VDI Berichte 2133 2011 S 41 50 SPA
147. on 42 nm k 1 65 Da die Komponente der Rotationskinematik hierbei das Resultat dominiert mit einem Index von 95 8 wird als resultierende Verteilungsform ebenfalls eine Gleichver teilung angenommen Unsicherheitsbeitr ge Standardabweichung Verteilung Index _ Wiederholprazision Rotationskinematik Positionsunsicherheit der NMM 1 Einfluss durch den Sensor Erweiterte kombinierte Unsicherheit f r H he des Werkstucks in Z 42 nm k 1 65 Weitere Einflu faktoren Bewertung erfolgt im jeweiligen Abschnitt Formabweichung und Radius von Kalibrierkugel und Sensorkugel Umwelteinfl sse Strategie des Rotationsprinzips Aufl sung der Winkelansteuerung Ausrichtung Werkst ckkoordinatensystem zu Ger tekoordinatensystem Tabelle 10 berblick der Unsicherheitsbeitr ge Als Empfehlung f r die Einsatzschwelle des Rotationsverfahrens kann der Oberfl chenwin kel eines Werkst cks angegeben werden ab dem die Abweichung einer klassischen Mes sung den Wert von 42 nm berschreitet bzw 41 nm ohne Ber cksichtigung des elektrischen Tastsystems Idealerweise wird eine Rotation erst bei berschreiten dieses Grenzwinkels aktiviert und flachere Winkel werden mit einer klassischen 0 Ausrichtung gemessen Der Grenzwinkel ist oberfl chen und spitzenabh ngig f r das gezeigte Beispiel der Kugelmes sung und einer maximalen Abweichung durch das Rotationsprinzip von 41 nm in Z liegt er bei 1 4 8 5 R ckf hrung der Ergebnis
148. or erroneous points The current approach to in crease the detectable angle a sensor data fusion of different measurements under different working angles is time consuming and introduces additional contributions to measurement uncertainty Other approaches like deconvolution have a limited effectiveness This work demonstrates a procedure to increase the detectable surface angle range while avoiding the disadvantages of existing approaches It is based on the rotation of a sensor around its probing point during the measurement By tracking the working angle depending on the local surface slope the sensor stays in its optimal working angle and slope dependent measurement deviation is avoided The procedure increases the effectively detectable sur face angle and allows the application of 1D sensors for 3D measurements The sensor track ing was realized and investigated in theory with a simulation environment and practically un der the application of a nanopositioning and nanomeasuring machine The accuracy of a developed rotary kinematic was increased by applying an in situ calibration principle based on a sensor with electrical near field interaction and the effectiveness of sensor tracking was verified Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Qualitatsmanagement und Fertigungsmesstechnik QFM der Friedrich Alexander Universitat Erlangen N rnberg Mein besonderer Da
149. orgegeben und wird vom F hrungsradius bestimmt Durch Stapelung zweier Go Seite 48 von 106 Planung der prototypischen Realisierung niometer k nnen zwei rotatorische Freiheitsgrade realisiert werden Nachteilig sind bei Stan dardprodukten auf dem Markt die verwendete Antriebstechnik und die Auslegung der F h rungen Die verwendeten Schneckengetriebe sei es von Schrittmotoren oder Gleichstrom motoren angetrieben erschweren eine reproduzierbare Positionsadressierung im Vergleich zu rotatorischen Direktantrieben Zudem sind laut Herstellern bei Standardprodukten die F hrungen nicht f r einen berkopfbetrieb ausgelegt und es ist mit hohen F hrungsabwei chungen zu rechnen Zwar sind mittlerweile auch Modelle auf Basis von Festk rpern erh lt lich jedoch ist der Drehbereich auf den Bereich einstelliger Grad und weniger begrenzt Parallelkinematik Eine kompliziertere kinematische Kette wird durch Parallelkinematiken realisiert im speziel len ein Hexapod oder ein Tripod Mehrere Beine greifen an einer gemeinsamen Kopfplatte an und sind mit dieser und der Bodenplatte jeweils drehbar verbunden Durch synchronisier te ungleichm ige L ngen nderung der Beine l sst sich die Kopfplatte in drei translatori schen und drei rotatorischen Freiheitsgraden bewegen Die angeschlossene Steuerung bersetzt eine gew nschte Translation bzw Rotation in die notwendigen L ngen nderun gen Dieses Prinzip wird z B in mehreren Varianten bei Produkten
150. orie und Praxis eine M glichkeit auf durch eine aktive Nachf hrung den nutzbaren Winkel f r beliebige Sensoren zu erh hen Stand der Technik Seite 3 von 106 2 Stand der Technik 2 1 Stand der Technik in der Mikromesstechnik Der Entwicklung in der Fertigungsmesstechnik und den damit m glich gewordenen Produk ten steht die Entwicklung der Messtechnik gegenuber Sie lasst sich sowohl auf Seiten der Sensorik betrachten als auch bei den Koordinatenmessgeraten die zum Betrieb der Senso ren genutzt werden Als Sensoren kommen in der Mikromesstechnik sowohl taktile und opti sche Prinzipien als auch die Klasse der Rastersondenverfahren zum Einsatz Deren Funkti on und Eigenschaften werden im Folgenden betrachtet 2 1 1 Taktile Sensoren allgemein Taktile Sensoren im Allgemeinen basieren auf der Erfassung einer Oberfl che durch mecha nische Wechselwirkung zwischen einem geometrisch definierten Tastelement und der zu erfassenden Oberfl che Dieses Prinzip kommt in unterschiedlicher Ausf hrung in Tast schnittger ten und taktilen Tastsystemen zur Anwendung Klassische Tastsysteme wie sie in Koordinatenmessger ten zum Einsatz kommen verwen den zur Antastung eine Kugel oder auch einen Zylinder WECKENMANN U A 2004 WECKEN MANN 2012 Beim Antastvorgang wird die Tastkugel ausgelenkt und die auftretende Kraft ber einen Schaft durch Sensorik erfasst Ein Federmechanismus oder eine Aktorik generiert eine reproduzierbare Antastkraft und
151. otationsprinzip jedoch nur mit gro en Spitzen von z B 300 um Durchmesser durchgef hrt werden Als weiterer Sensor f r den Prototyp kommt ein quasitaktiles System auf Tunnelstrombasis in Frage wie in 2 1 6 beschrieben Dieses erlaubt ebenfalls den Betrieb mit sph rischen Sonden und eine Antastung in drei Dimensionen Dar ber hinaus ist das System in der Tast elementgr e und form nicht begrenzt weshalb auch kleinere Kugeln und direkt Profilome terspitzen genutzt werden k nnen um die Aufl sung zu steigern Die kontaktfreie Arbeits weise des Sensors muss keine Restriktionen hinsichtlich der Hertz schen Pressung ber ck sichtigen und erlaubt beliebig kleine Spitzenradien bzw kleine Offnungswinkel bis hin zu Tastnadeln wie sie bei Rastertunnelmikroskopen zum Einsatz kommen HOFFMANN 2009 F r das System spricht au erdem die sehr gute mechanische Integrierbarkeit in den Proto typ und die bestehenden Erfahrungen beim Betrieb dieses Systems mit der NMM 1 Die r umliche Trennbarkeit der Komponenten der Sensorelektronik und die sehr kompakt reali sierbare Sensorspitze erlauben mehr konstruktive Freiheitsgrade beim Entwurf des Prototyps bei gleichzeitig deutlicher Gewichtsreduktion gegen ber einem Profilometerkopf Zu ber ck sichtigen ist prinzipbedingt die Begrenzung auf elektrisch leitf hige Werkst cke und Artefak te wie z B Edelstahl oder Invar Die Simulationsroutinen sind bei diesem Sensor weiterhin Planung der prototypische
152. peisung des Sensorsignals in de NMM 1 6 3 1 Elektromechanische Integration Die Sensorsonde bzw deren Arbeitspunkt soll zentriert in den Schnittpunkt der Drehachsen gelegt werden Zur Vereinfachung der Konstruktion wurde im Vorfeld der Schaftdurchmesser der Sonden auf 1mm festgelegt Wie in Bild 56 dargestellt wurde erneut auf einen Klemmmechanismus zur ckgegriffen Er h lt die Sonde im 45 Winkel zur Montagefl che der Smaract Achse Die Sonde kann beim Einsetzen entlang der F hrung bewegt werden und muss durch den Bediener in den Sollpunkt geschoben werden Die elektrische Kontak tierung der Spitze erfolgt durch den hohlen Schaft des Auslegers Da die Montageplatte der Smaract Achse selbst schon isoliert ausgef hrt ist war keine zus tzliche Isolation der Spit zenspannung vom restlichen Aufbau notwendig Seite 70 von 106 Aufbau des Prufstandes Bild 56 Links Ausleger mit Sensorhalterung im CAD Modell Rechts Realer Aufbau und elektrische Kontaktierung Auf der anderen Seite der Wirkzone dem Werkst ck erfolgt die elektrische Kontaktierung des Verstarkereingangs Das Werkstuck ist hierzu auf einer leitfahigen Tragerplatte montiert und mit Silberleitlack fixiert Die Tr gerplatte wiederum wird elektrisch isoliert von der NMM 1 auf der Spiegelecke montiert Da sich das Werkst ck bewegt wurde die Kontaktierung an der Tr gerplatte mit einer hochflexiblen Koaxialleitung realisiert die zugspannungsfrei an den Verst rker gekoppel
153. pol direkt auf dem zu erfassenden Oberflachenpunkt aufliegt Zoe Sofern Po nicht in den St tzpunkten enthalten ist wird dieser interpoliert Es folgt die Kollisionskorrektur zur Aufhebung nun eventuell entstandener Modell berlappungen Bild 21 F r jeden diskreten Oberfl chenpunkt wird der Abstand in Z Richtung zum Spitzenmodell berechnet Im Falle negativer Werte wird das Spitzenmodell um den gr ten auftretenden Wert unter Ber ck sichtigung einer Interpolation der St tzpunkte in diesem Bereich in Z Richtung verschoben Die nun resultierenden Koordinaten der Spitze und deren Pol ergeben den simulierten Messwert unter der lokalen Kontaktsituation Die Prozedur wird mit dem jeweils n chsten zu erfassenden Oberfl chenpunkt Po e wiederholt bis das Ende der Oberfl che erreicht ist Tastspitze Tastspitze nach Korrektur vor Korrektur Ber hrpunkt RoN nach Korrektur Fa er Kollisionskorrektur I Eindringabstand St tzpunkte der Ber hrpunkt diskretisierten Oberfl che VOr Korrektur Bild 21 Kollisionspr fung und korrektur durch Bestimmung des H henunterschiedes zwischen Spit zenmodell und Oberfl chenmodell Um rechnerisch bestimmen zu k nnen ob ein Oberfl chenpunkt h her als die Spitzenkontur liegt und diese schneidet muss die H he der Spitzenkontur an jedem diskreten Oberfla chenpunkt bestimmt werden Dazu werden zwischen den bergangspunkten aus 8 bis 10 die Gleichungen f r Geraden und einen Kreisboge
154. ponenten zeigt das Funktionsschema des Sensors Bild 43 deren Funktion sich wie im Folgenden darstellt Sensorelektronik Positioniereinheit KMG Steuereinheit KMG Spitzen Fe Spitze an Rotations Ssensorauswertung kinematik Y Spannungs Eingangs Datenverarbeitung versorgung verst rker dd a y Y Ger testeuerung Werkst ck mit Signalanpassung Kontaktierung Bild 43 Komponenten des elektrischen Sensors Spitzenspannungsquelle Aufgabe der Spitzenspannungsquelle ist die Bereitstellung der Hilfsspannung um den Tun nelstrom zu erm glichen Diese Spannung ist blicherweise im Bereich von 0 bis 1 Volt n tig und sollte m glichst stabil sein Sie wird mit der Sensorspitze verbunden Eingangsverstarker Verstarker Stromsignale im Nanoamperebereich sind stark st ranf llig und k nnen nicht direkt von Ana log Digital Umsetzern erfasst werden KEITHLEY 2004 Deshalb wird in der Verstarkerbau gruppe ein Strom von blicherweise O bis 10 nA in eine proportionale Spannung von 0 bis 10 V umgewandelt Der Verstarker bestimmt die erzieloare Empfindlichkeit Seite 56 von 106 Planung der prototypischen Realisierung Signalanpassung Diese Baugruppe dient der Signalstabilisierung und der Bereichsanpassung an das ange schlossene Koordinatenmessgerat Spitze Uber die Spitze wird der Stromfluss in das Werkst ck eingeleitet Ihre Gr e Form und Formabweichung beeinflusst die messtechnischen Eigenschaften de
155. r hrendem Messkopfsystem beschrieben unter anderem f r Dreh Schwenk Systeme aus dem Makrobereich Zudem werden Drehachsen und deren Kalibrie rung mit Kugelartefakten in DIN EN ISO 10360 3 2000 KMG mit der Achse eines Drehti sches als vierte Achse behandelt Da mit dem elektrischen Sensor bei Hoffmann bereits einschl gige Erfahrungen bei der Verwendung von Kugeln gesammelt wurden steht auch seitens des Sensors einer Verwendung von Kugelartefakten nichts entgegen Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil des elektrischen Sensors gegen ber Profilometern da durch den Wegfall der Flankenkollision bei Tastkugeln der erfassbare Winkelbereich signifikant gr er ist Bei der Erfassung von Kalibrierkugeln kann die komplette obere Hemisph re gemessen werden anstatt nur eines Kugelsegments wie bei einem Profilometer 7 1 1 Bestimmung des Antastpunktes mittels Kalibrierartefakt Als Aufbau wird ein Schema nach Bild 57 gew hlt Ein Kugelartefakt wird zusammen mit dem Werkst ck auf den Werkst cktr ger fest aufgebracht so dass eine Halbkugel erfassbar ist Durch Messung der Kugeloberfl che mit dem Sensor kann ber das geometrische Aus gleichselement Kugel die Mitte des Artefakts im Ger tekoordinatensystem ermittelt werden was zugleich den Nullpunkt des Werkst ckkoordinatensystems bildet Mit Kenntnis des Ku geldurchmessers lassen sich der Antastpunkt des Sensors in Bezug zum Ursprung und da mit ein Oberfl chenpunkt des Werkst cks im We
156. r Anordnung ist dass der Arbeitspunkt des Sensors konstruktiv in die Rota tionsachsen beider Drehtische gelegt wird Bei einer idealen Ausrichtung in diesen imagin ren Punkt w rde der Sensorarbeitspunkt bei Rotation translatorisch feststehen Wechselschnitt stelle zur NMM 1 Bild 40 Einbauplanung CAD Modell Rechs Aufbau der gestapelten Achsen Seite 52 von 106 Planung der prototypischen Realisierung Ausgehend von beschriebener Nulllage f hrt eine Rotation um die untere Achse betrachtet im kartesischen Koordinatensystem der NMM 1 zu einer Neigung des Sensors auf die X Y Ebene zu Die Rotationskomponenten um X und Y ndern sich hierbei mit der Neigung Um eine bestimmte Ausrichtung im Raum zu erhalten erfolgt zus tzlich mit der oberen Drehach se eine Rotation um die Z Achse bis die gew nschte Rotationskomponenten um X und Y erreicht sind Dieses System erlaubt einen Rotationsbereich um X und pY von 90 was die Erfassung einer vollen Hemisph re erm glicht Achse 1 Aerotech ANT95 R Achse 2 Sensor P Smaract 1 ausrichtung x Sensor SR2812 S u ausrichtung 90 45 Bild 41 Links Ausrichtung 90 Rechts Ausrichtung 45 Zu erw hnen ist eine resultierende Rotationskomponente um die Sensorachse Dieser Effekt ist bei fl chig arbeitenden Sensoren zu ber cksichtigen hat bei den anvisierten Punktsenso ren jedoch keinen Einfluss Bild 41 zeigt die Rotation beim Ubergang von 90 zu 45 Diese ki
157. r optische Fokus in Strahlrichtung ber eine Aktorik verschoben und die Oberfl chenh he bestimmt die mit dem Fokusabstand bereinstimmt Eine Variation ist das Fixfokussystem bei dem das Werkst ck bewegt wird Technisch kann der Grad der Fokussierung ber eine foucaultsche Schneide oder eine astigmatische Linse in Verbindung mit einer Mehrquadrantendiode reali siert werden HOFFMANN U WECKENMANN 2005 WECKENMANN 2012 Eine fl chenhafte Die Beschreibung des Verfahrens der Fokusvariation erfolgt auf Seite 14 je nach Hersteller werden auch andere Bezeichnungen f r das Verfahren verwendet Stand der Technik Seite 13 von 106 Oberflachenerfassung wird durch Abrastern realisiert Praktisch erfassbare Winkel liegen im Bereich 15 HANSEN U A 2006 Wei lichtinterferometrie Wei lichtinterferometer arbeiten fl chig und bringen die Reflexion von der Oberfl che mit der Reflexion aus einem Referenzstrahlengang zur Interferenz ber Interferenzstreifen kann im resultierenden Bild das von einem CCD Sensor aufgenommen wird der Oberfl chenunter schied zum Referenzstrahlengang bestimmt werden F r eine eindeutige Auswertung der Interferenzstreifen muss der ausgewertete H henbereich begrenzt werden auf etwa 3 um blicherweise durch die geringe Koh renzl nge des verwendeten wei en Lichts Reflexionen au erhalb dieses Bereiches f hren zu keiner Interferenz Durch Bewegung des Sensors auf die Oberfl che zu wird die H heninfor
158. rbeitspunkt wur den hinsichtlich der erzielbaren Wiederholpr zision verglichen Als Optimum wurde eine Sta pelung zweier Drehachsen unter 45 Neigung identifiziert mit der in Verbindung mit Sensor nachf hrung eine komplette Hemisph re orthogonal angetastet werden kann Zur Steigerung der Wiederholpr zision der Kinematik wurde ein in situ Kalibrierkonzept auf Basis eines quasi taktilen Sensors mit elektrischer Nahfeldwechselwirkung implementiert um systematische F hrungsabweichungen der Rotationskinematik und Hysterese zu kom pensieren Eine berarbeitete und miniaturisierte Version des Sensors wurde in den Aufbau integriert und mit diesem ein Kalibrierfeld ber den Rotationsbereich erfasst Der Sensor er laubt durch seine Kontaktlosigkeit beliebig geformte Spitzen bei Subnanometeraufl sung in Arbeitsrichtung und der M glichkeit in drei Dimensionen anzutasten Durch Verwendung der Kalibrierstrategie auf Basis des Sensors konnte ber den Rotationsbereich eine Ortsabwei chung P re nach ISO 10360 5 von 69 nm in Richtung des Profilschnitts erzielt werden Quer dazu wurden 50 nm und in der H henachse 43 nm realisiert was die technische Basis f r eine Anwendung des Verfahrens in der Praxis sicherstellt Nach Integration der Drehachsen und des elektrischen quasi taktilen Sensors in die NMM 1 auf mechanischer elektrischer und softwareseitiger Ebene wurde das Rotationsprinzip an Demonstratoren eingesetzt In allen F llen konnte die M
159. rde das System Sma ract SmarPod 110 45 am Messzentrum des Lehrstuhls QFM als Teststellung untersucht Das Ziel der Untersuchung war neben einer Evaluation der Softwareschnittstellen die berpr fung der Angaben zur Prazision aus dem Datenblatt Im Speziellen wurde in Ubereinstim mung mit der spateren Anwendung die Auswanderung eines am SmarPod fixierten Artefakts bei der Rotation gemessen Als Messgerat kam ein Multisensor Koordinatenmessgerat Werth Videocheck UA 400 und ein taktil schaltender Taster TP200 von Renishaw zum Einsatz Das KMG hat laut Datenblatt eine Langenmessabweichung E3 von 0 75 L 500 um der Taster eine Antastabweichung von 1 9 um Uber eine Adapterplatte wurde ein Taststift mit Rubinkugel mit D 6 mm der indirekt zur Erfassung der Achsbewegungen dient auf den Probentrager des SmarPod Sys tems aufgebracht Es wurde uber die Erfassung der Kugel in Bezug zur Smaract Kopfplatte der Pivotpunkt in Naherung bestimmt und konfiguriert Die Ermittlung des Kugelmittelpunktes erfolgt w hrend der Messung ber f nf Messpunkte am Pol der Kugel in den Richtungen X Y X Y Z mit dem Nullpunkt im Kugelmittelpunkt Bild 39 links zeigt das SmarPod Sys tem mit dem installierten Kugelartefakt Von einem berkopfbetrieb wurde mangels Reali sierbarkeit im Videocheck UA System abgesehen Seite 50 von 106 Planung der prototypischen Realisierung o Richtung positiv Richtung negativ o Richtung positiv Z nmm O
160. rehzentrum k 45 Antastpunkt 45 a Bild 58 Links Rotation um Kr mmungszentrum Rechts Rotation um Arbeitspunkt 7 1 2 Erfassung der Positionsabweichung im Werkst ckkoordinatensystem Die Kalibrierung der Sensorposition im Werkst ckkoordinatensystem ber den genutzten Winkelbereich der Drehachsen erfolgt nach DIN EN ISO 10360 5 2011 Punkt 8 2 Pr fung der Antastabweichungen von KMG mit ber hrendem Messkopfsystem Diese ber cksichtigt im Speziellen Dreh Schwenk Messkopfsysteme wie in Kapitel 2 3 schon erw hnt deren Kalibrierverfahren auf die Rotationskinematik mit dem quasi taktilen Sensor bertragen wer den k nnen Sie gibt vor die Position einer Pr fkugel mit dem Messkopfsystem zu erfassen und unterscheidet zwischen den Methoden empirisches Einmessen und abgeleitetes Ein messen Beim empirischen Einmessen erfolgt die Messung der Referenzkugel in jeder der zu benutzenden Winkelstellungen beim abgeleiteten Einmessen werden die Parameter durch z B Interpolation aus wenigen empirischen Parametern bestimmt Unter Anwendung dieses Aufbaus kann nun die Tastelementposition ber mehrere Winkel positionen erfasst werden und die Bestimmung des tats chlichen Arbeitspunktes f r jeden Winkel erfolgen Es werden mit diesem Ansatz Korrekturvektoren im Werkst ckkoordinaten system berechnet um die systematischen Positionsabweichungen zu kompensieren Sie werden in einem Korrekturfeld zusammengefasst w hrend der Messung
161. reiches von 25 mm auf 5 mm Planung der prototypischen Realisierung Seite 45 von 106 Rotation Einzelkomponenten der Bewegung berlagerte Bewegung Bild 35 Links Einbauplanung in CAD Rechts Bewegungsbahn des inversen Pendels Eine weitere Einschr nkung besteht darin dass laut SIOS die Bewegungstrajektorie der NMM 1 nicht auf die Trajektorie der Drehachse abgestimmt werden kann und damit nur ein schrittweiser Betrieb m glich ist Weitere Nachteile liegen in der Reduktion auf nur einen rotatorischen Freiheitsgrad dessen Ausrichtung durch die Konstruktion vorgegeben ist Bei einer Markt bersicht verf gbarer Drehachsen hat sich ergeben dass Modelle mit pr zi sen W lzf hrungen erst ab einer Baugr e von etwa 100 mm Durchmesser erh ltlich sind Kleinere Modelle die nur Gleitlager verwenden zeigen F hrungsabweichungen im ein bis zweistelligen Mikrometerbereich die meist nur durch Erfahrungswerte des Herstellers be kannt sind Erst Achsen gr erer Bauart sind herstellerseitig hinsichtlich Winkelabweichun gen und translatorischen Abweichungen messtechnisch erfasst Bei einer herstellerseitigen Kalibrierung und Korrektur werden diese reduziert und der Verlauf der Restabweichungen ber den Drehwinkel ist bekannt Letztendlich f hrt die Baugr e der Drehachse zu einem Abstand von Sensorarbeitspunkt zu Achsenmittelpunkt gr er 50 mm was durch die Win kelabweichungen zu einer hohen lateralen Positionsabweichung f hr
162. rektion systematischer Abweichungen der Rotationskinematik 73 TMIN KAIDHErKONZEpi MARRSRRBAREPARERUEREUEEPARFEPBERSEEBEDEREBFBEEFHEEPOFEEEEPEERURERUNBERPEENEEE 73 7 1 1 Bestimmung des Antastpunktes mittels Kalibrierartefakt unnneennnnennnne 74 7 1 2 Erfassung der Positionsabweichung im Werkst ckkoordinatensystem 75 7 1 3 Einmessen mit dem elektrischen SenSOr uunuuuuunnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 75 7 1 4Messablauf unter Verwendung des Korrekturfeldes uuunnnnennnnennnnennnne 76 fo IS GIIDFICLAMCT A sissi a 77 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototy ccsssecceeseeeeeneeeeeneeees 79 8 1 Aufzeichnung des Kalibrierfeldes u000000000000000000nan00nnnnnn anno nnnunnanunnnnnnnnn 79 8 2 Genauigkeit und Pr zision der Winkeladressierung uuuuu u000an00nan00nnnnnn ann 80 8 3 Messungen mittels Sensorrotation z uuuuunuanunnnnnnunnnnnunnnnnunnnnnunnnnnunnnnunnnnnnnnnnn 82 Orn PP LUIKOTDER ee sheet 82 8 3 2 Konfiguration w hrend der Messung nunnnanunnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnn nenn nun 83 8 3 3 Messung der Kalibrierkugel 22u0022000200000000n0an0nnnn0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn ann 83 8 3 4 Messung der gekippten Ebenen uuuu 2u00aa00nann0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnun nun 84 8 3 5 Detailbetrachtung der Verbesserung uazunnnunnanunannnnanunnnunnnnnnanunnnunnnnnnnnn 85 8 4 Grenzen des Verfahrens und Bewertung der Unsicherheit scssssesesseees 86 8 5 R ckf hrung der Ergebnisse auf die Simula
163. ren Die Anwendbarkeit erstreckt sich damit auf den Gro teil der heutzutage ge nutzten punktuellen Verfahren der dimensionellen Mikromesstechnik und verschafft dem Anwender einen Genauigkeits und Zeitgewinn bei einem erweiterten Bauteilspektrum Literaturverzeichnis Seite 95 von 106 10 Literaturverzeichnis ALICONA 2012 ALICONA hitp www alicona at home produkte infinitefocus real3d html aufgerufen 7 11 1012 ALTING U A 2003 Alting L Kimura F Hansen H N und Bissacco G Micro engineering In Annals of the CIRP 52 2 2003 S 635 657 ANDERSSON U A 2007 ANDERSSON P KOSKINEN J VARJUS S GERBIG Y HAEFKE H GEORGIOU S ZHMUD B UND Buss W Microlubrication effect by laser textured steel surfaces In Wear 262 2007 S 369 379 ANT95 R AEROTECH ANT95 R Series Stage User s Manual Benutzerhandbuch Revision 1 05 00 2011 BEAUCAMP U A 2007 BEAUCAMP A T H FREEMAN R MORTON R UND WALKER D D Metrology Software Support for Free Form Optics Manufacturing In http www zeeko co uk site tiki index php page Publication List aufgerufen 02 12 2012 BECKER 1986 BECKER E W EHRFELD W HAGMANN P MANER A UND MUNCHMEYER D Fabrication of mi crostructures with high aspect ratios and great structural heights by synchrotron radiation li thography galvanoforming and plastic moulding LIGA process In Microelectronic Enginee ring 4 1 1986 S 35 56 BERNDT U A 1968 BERNDT G
164. ren wie Wei lichtinterferometrie konfokale Sensoren oder Fokusvariation Eine andere Klasse resultiert aus dem bottom up Ansatz mit den Rastersondenverfahren die Wechselwirkungen auf atomarer Ebene als Messprinzip nutzen Ein weiterer Trend ist zudem die Miniaturisie rung von taktilen Sensoren mikrotaktilen Systemen die zu 3D Messungen f hig sind Opti sche Systeme und Profilometer hingegen sind aufgrund der Strahlausbreitung bzw aufgrund des Aufbaus auf 2D bis hin zu 2 5D limitiert Von den mikrotaktilen Systemen abgesehen sind alle Sensoren der dimensionellen Mikro und Nanomesstechnik auf Werkst cke mit Oberfl chen senkrecht zum Sensor angewiesen Geneigte oder gekr mmte Fl chen m ssen unter einem systemspezifischen Akzeptanzwinkel des Sensors bleiben in dem der Sensor aus der Oberfl chennormale des Werkst cks geneigt sein darf Abh ngig vom Funktions prinzip des Sensors resultiert ein Betrieb in der N he dieses Bereiches und dar ber zu einer gesteigerten Messabweichung oder einer erh hten Anzahl von Signalst rungen Dies f hrt gerade bei Bauteilen mit hohen Aspektverh ltnissen starker Kr mmung oder berlagerter Mikrostruktur zu Einschr nkungen von Erfassbarkeit und erzielbarer Messunsicherheit da der Akzeptanzwinkel an gro en Teilen des Werkst cks nicht eingehalten werden kann Die vorliegende Arbeit adressiert die Einschr nkung des erfassbaren Winkelbereichs von Senso ren der Mikro und Nanomesstechnik Sie zeigt in The
165. ren Oberfl chenwinkel Der er fassbare Grenzwinkel zur optischen Achse ist der Winkel unter dem das von der Oberfl che reflektierte Licht noch in das Objektiv zur ck reflektiert wird Bild 9 SEEWIG 2009 Dieser Winkel kann in der Praxis f r gerichtet reflektierende Oberfl chen aus der Kenngr e eines Objektivs der numerischen Apertur NA bestimmt werden sowie dem Brechungsindex n des umgebenden Mediums Die numerische Apertur wiederum wurde aus diesen beiden Gr en berechnet Gleichung 6 In der dimensionellen Messtechnik ist das Umgebungsmedium blicherweise Luft mit einem Brechungsindex von n 1 NA n sin Q Halbbreite des Strahlkegelwinkels n Brechungsindex 6 Seite 12 von 106 Stand der Technik Bild 9 Erfassbarer Oberflachenwinkel Winkel der Reflexion in Abhangigkeit der lokalen Steigung Ein ublicher Wert der numerischen Apertur in der Praxis ist fur ein 50x Objektiv 0 55 GAO U A 2008 Mit steigender NA sinkt der Arbeitsabstand zum Werkstuck und eine eventuelle Kollision muss bei Werkst cken mit hohen Aspektverh ltnissen ber cksichtigt werden Ob ein Werkst ck mit einem bestimmten Oberfl chenwinkel unterhalb des Grenzwinkels oder mit einer bestimmten Struktur erfasst werden kann h ngt neben der Aufl sung des Messge r ts noch von weiteren Faktoren ab wie den optischen Eigenschaften des Werkst cks Ab h ngig vom Material des Werkst cks und der Oberflachenrauheit sind hier Transparenz und diffuse
166. resultiert f r jeden Oberfl chen punkt der Rotationswinkel bei dem die geringste Abweichung auftritt Dieser Optimierungs schritt wurde exemplarisch mit den Winkeln 30 20 10 und der klassischen Messung bei 0 durchgef hrt Ein Neigungswinkel gr er 30 w rde wegen zu vielen Flankenkollisi onen keine weitere Verbesserung bringen Die Abweichung aller erfassten Oberfl chenpunk te wurde zus tzlich um 41 nm in Z erh ht um der Unsicherheit gerecht zu werden Resultierendes Oberfl chenprofil Omm 2mm 4mm 6mm 8mm 10mm 12mm 14mm 16mm Messung mit Sensorrotation Klassische Messung Sollprofil Abweichung zu Sollprofil a EEE WE 0 mm 2 mm 4mm 6 mm 8 mm 10 mm 12 mm 14 mm 16 mm Klassische Messung Messung mit Sensorrotation Genutzter Rotationswinkel 0 mm 2 mm 4 mm 6 mm 8 mm 10 mm 12 mm 14mm 16mm Intelligente Umschaltung zwischen Kontinuierliche Sensorrotation klassischer Messung und Sensorrotation Bild 70 Simulation Mikrokonturnormal Im resultierenden Oberfl chenprofil ist gegen ber einer klassischen Messung der Vorteil der Sensorrotation erneut klar sichtbar Alle Strukturen werden deutlich klarer abgebildet Nur in den Ecken von inverser Stufe und inversem Dreieck gelangt durch die Unzug nglichkeit der Struktur auch das Rotationsprinzip an die Grenze Bis auf Ecken und berg nge liegen die verbleibenden Abweichungen zum Sollprofil unter 1 um Die genutzten Rotationswi
167. rgleich dazu hat die Ausgangsvariante auf Basis des OPA129 einen Offset von 32 4 mV und die berarbeitete Version sogar nur 3 5 mV Die Schirmungsma nahmen auf der OPA129 Platine und die k rzeren Zuleitungen zeigen somit eine deutliche Verbesserung Das Verhalten des LMP7721 k nnte auf eine Verunreinigung im Eingangskreis deuten und ein Neuaufbau w re empfehlenswert Zudem wurde auch das dynamische Verhalten untersucht Unter Zuhilfenahme eines 1 GO Widerstandes wurde ein Signalwechsel von O nA auf 2nA auf den Verstarkereingang mit einem Rechtecksignal gegeben Die Verst rker bei 1 V nA wurden mit den regul ren Zulei tungen getestet und der direkte Verst rkerausgang betrachtet Beim Testsignal lieferte die alte Elektronikversion ein berschwingen von 20 des Arbeitsbereiches die erneuerte Ver sion auf Basis des OPA129 hingegen zeigte ein berschwingen bis in die Versorgungsspan nung hinein Allein der LMP7721 reagierte auf den Signalwechsel ohne berschwingen mit einer Anstiegszeit von 140 us Die erh hte Empfindlichkeit der neueren OPA129 Variante l sst sich vermutlich auf die k rzeren Zuleitungen mit geringerer D mpfung zur ckf hren jedoch kann die neue Schaltungsversion ber die in der Platine vorgesehene Steckpl tze f r Kondensatoren gezielt ged mpft werden Dieser Test spiegelt mit Signalanstiegszeiten im Nanosekundenbereich nur eingeschr nkt den Praxisfall wider jedoch zeigt er das tendenzi elle Verhalten der Schaltungen
168. ringe Temperaturdrift und nied riges Rauschen optimiert und basieren intern auf einer Halbleiterreferenz die w hrend des Fertigungsprozesses justiert wird Es fand sich eine L sung in der Form des LT1635 von Linear Technology welcher aus einer Pr zisionsreferenz und einem Operationsverst rker in einem einzigen Chip besteht LT1635 Im Vergleich zum diskreten Entwurf mit dem 78105 liefert diese Einchipl sung eine Referenz mit einer Ausgangsregelung von 30 uV pro Volt Eingangs nderung gegen ber 10 mv V und einer blichen Genauigkeit von 2 gegen ber 5 Hinsichtlich der Genauigkeit sind andere Referenzquellen zwar berlegen jedoch ben tigen diese eine zus tzliche Operationsverst rkerstufe um den gew nschten Ausgangs spannungsbereich abzudecken C1 0 01 uF R3 und Br cke Anschluss Poti R2 GND St tzkonden LT1635 satoren CA IRI V Br cke Ausgang Bild 44 Links externe Beschaltung nach Datenblatt LT1635 Rechts resultierendes Platinenlayout Bild 44 zeigt die resultierende Schaltung aus dem Datenblatt Das als R3 dargestellte Po tentiometer wird in der fertigen Schaltung aus einem 2 2 KQ Drehpotentiometer und einem 2 7 KQO Widerstand realisiert um den Spannungsbereich von O bis 2 5 V fein einzustellen Um die Eigenschaft des Chips m glichst gut zu nutzen wurden Widerst nde auf Metall filmtechnik mit 1 Toleranz gew hlt Das Potentiometer aus der Tyco M Reihe basiert auf Cermet Technik mit 10 Tolera
169. rkst ckkoordinatensystem berechnen gt Ursprung Werkstuck KOS im Ger te KOS Sensorposition im Werkstuck KOS Tastelement Korrekturvektor TT E korrigierter Messpunkt im Werkst ck KOS gt korrigierter Messpunkt im Gerate KOS Ger t X Bild 57 Beziehung zwischen Kalibrierartefakt Ger te und Werkst ckkoordinatensystem Bei der Kalibrierung berlagern sich der Radius der Kalibrierkugel und der Radius der Sen sorverrundung Der eigentliche Tastpunkt mit dem Werkst ck wird vom Verrundungsmittel Korrektion systematischer Abweichungen der Rotationskinematik Seite 75 von 106 punkt aus dem angezeigten Messpunkt ber den Tastelementradius und die Antastrichtung bestimmt dem Tastelement Korrekturvektor DIN EN ISO 10360 1 2003 Der Rotations punkt des Sensors wird nun bewusst in den Mittelpunkt seiner Spitzenverrundung gelegt bzw bei Tastkugeln in deren Zentrum Bild 58 links Die alternative Variante den Sensor direkt um den Arbeitspunkt zu drehen wird in Bild 58 rechts dargestellt Wenn keine Kom pensationsbewegung durch die NMM 1 notwendig w re w re letztere Variante zu bevorzu gen Dadurch dass eine Kompensation erfolgen muss vereinfacht eine Rotation um das Kr mmungszentrum jedoch den Kalibriervorgang da der Mittelpunkt weniger lateral wandert ae a a k a 5 k i Drehzentrum al Ausgangslage 0 Kr mmungs Rotation um 45 7 zentrum aa SS D
170. rotaststift mit einer Kugel des Durchmessers 300 um aus Hartmetall vom Hersteller Carl Zeiss zum Einsatz Eine Kalibrierung mittels Videocheck UA 400 und dem Werth Fiber Probe 3D liefert einen Durchmesser von 302 92 um bei 307 nm Formabweichung Der elektrische Sensor wurde bei einer Spitzenspannung von 600 mV und einem Verstarkereingangsbereich von 0 10 nA genutzt Als Arbeitspunkt f r die Einzelpunktantastung wurde 250 mV quivalent 0 25 nA eingestellt 8 1 Aufzeichnung des Kalibrierfeldes Zur Korrektion systematischer Positionsabweichungen wurde das Kalibrierfeld erfasst und zudem die anvisierte Positioniergenauigkeit der Rotationskinematik validiert Das genutzte Kalibrierfeld wurde ber einen Winkelbereich von 31 bis 31 ermittelt optimiert f r den Demonstrator Kapitel 8 3 1 Als Winkelabstand der St tzpunkte und gleichzeitig der sp ter w hlbaren Winkel wurde 1 gew hlt Dies entspricht dem empirischen Einmessen von Dreh Schwenk Systemen nach DIN EN ISO 10360 5 2011 Ben tigte Zwischenwinkel w hrend der Anwendung k nnten aus den St tzpunkten interpoliert werden was einem abgeleiteten Einmessen entsprechen w rde F r jeden Winkelschritt wurde mit der Sensorkugel das Ku gelartefakt erfasst Es wurden neun gleichm ig verteilte Oberfl chenpunkte erfasst einer am Pol vier beim Elevationswinkel 60 und den Azimuthwinkeln 0 90 180 270 und vier beim Elevationswinkel 75 und den Azimuthwinkeln 45 135 22
171. rs und der Drehachsen in Nullstellung In einem ersten Schritt wird um Z gedreht mit dem Winkel 8 S SxR u 0 21 Hierbei ist R die Rotationsmatrix um mit dem Winkel 8 S ist der resultierende gedrehte sensorvektor HORNEGGER U A 2011 Der Rotationsvektor R ergibt sich allgemein nach Gleichung 22 zu u 1 u cos uu 1 cos 6 u sin u u l cos 0 u sin 0 R uu l cos 0 u sin 0 us 1 u cos 0 u u 1 cos 0 u sin 8 22 u u l cos u sin u u 1 cos 0 u sin 8 u 1 u cos 0 Seite 68 von 106 Aufbau des Pr fstandes Bei grafischer Betrachtung erfolgt nach Bild 54 der Ubergang von Zustand A zu B Bild 54 Sensor vor und nach Drehung um u Der Winkel 6 zur Z Achse aquivalent der Neigung zur XY Ebene lasst sich nach p arccos Ss v 23 aus dem Skalarprodukt von S und berechnen F r das Beispiel einer Rotation nur um Y w re der resultierende Neigungswinkel um Y wenn die noch vorhandene Komponente um X also a ausgeglichen wird Zur weiteren Berechnung kann deshalb eine zweidimensionale Projektion der Vektoren in die XY Ebene herangezogen werden Die Projektion S auf XY nn Si yy ergibt sich zu nn Siixy Gy cee 24 Der Winkel a ergibt sich Uber das Skalarprodukt dann zu a arccos S ols 25 mit 7 als Einheitsvektor entlang der X Achse F r den Fall einer gew nschten Rotation nur um die Y Achse w re mit a der notwendige Kompensationswinkel f
172. rt Wenn bei der Berechnung des n chsten Winkels haupts chlich die letzten fallenden Punkte ber cksichtigt werden wird nun f lschlicherweise eine Rotation nach rechts ausgel st was die Situation verschlimmert und zu einer Oszillation der Spitzen rotation f hrt bis ein normaler Kontaktzustand wiederhergestellt ist Damit ist die Berech Simulation des Rotationsprinzips Seite 39 von 106 nungsbreite mit Sorgfalt zu wahlen bzw die Berechnungen mit mehreren Breiten durchzu f hren und gewichtet zu kombinieren Ein komplexeres Optimierungsproblem liegt zudem vor wenn die Oberfl che von der Profilometerspitze nicht mehr komplett erfasst werden kann beispielsweise bei MEMS Strukturen von zu geringer Breite und zu hohen Aspektver h ltnissen Bild 31 rechts Der Flankenkontakt liefert bei allen verwendeten Strategien un g nstige Ergebnisse und eine oberfl chenspezifische Konfiguration durch den Bediener ist notwendig Bild 31 Links Aufschwingen der Rotation Rechts Unzug nglichkeit des Profils Gro e Spitzen Eine Sonderkonfiguration der Simulation waren fur die Profilometrie besonders gro e Tast spitzen Sie k nnen bei besonders weichen Werkstoffen genutzt werden bzw sind bei mikro taktilen Sensoren Stand der Technik Bei ihnen ist der Abweichungseffekt durch Auswande rung vom Spitzenpol besonders deutlich Bild 32 zeigt die Simulation auf einem Sinusprofil der Periodenlange 2 mm und einer Amplitude von 250 um Die Spitze hin
173. rte Messung mit Sensorrotation Rampenstruktur mit verschiedenen Strategien Bild 28 links zeigt die auftretenden Abweichungen f r einen klassischen Scan f r verschie dene vorhersagende Strategien sowie eine analysierende Strategie Ein Scan ohne Rotation f hrt in diesem Szenario zu einer konstanten Abweichung von 0 51 um durch den Kontakt leicht neben dem Referenzpunkt An dieser Stelle k nnte beispielsweise eine rechnerische Kompensation der Spitzenform erfolgen Wieder normiert auf die klassische Messung wird in Bild 28 rechts die Quadratsumme der Abweichungen sowie das Maximum dargestellt Wie schon beim Kreisprofil reagieren alle vorhersagenden Strategien auf die nderung im H Simulation des Rotationsprinzips Seite 37 von 106 henprofil und bauen die Abweichung Schritt f r Schritt durch Rotation ab Im gew hlten Sze nario reagieren alle Algorithmen vergleichbar gut begrenzt durch die Rotationsgeschwindig keit Im Vergleich zeigen analysierende Strategien die besten Resultate Durch Initiierung der Rotation vor dem bergang kann die Abweichung minimiert werden nur noch durch die Un zug nglichkeit der Ecke durch die Spitze begrenzt Die fr hzeitige Rotation f hrt im Vergleich zu den anderen Ans tzen jedoch zu einem zus tzlichen Abweichungsanteil vor dem ber gang Die analysierende Strategie kann im Testfall die Abweichung von maximal 0 51 um auf 0 13 um reduzieren Teststruktur Sinusprofil Erg nzend zur konstanten Kr mm
174. rung eines inversen Pendels aus einer Rotationsachse gestapelt auf einer Linearachse Im Vergleich zur vorher gezeigten Variante erfolgt die Bewegung invers d h die Drehachse selbst wird lateral verschoben damit der Sensor w hrend der Drehung im Arbeitspunkt bleibt Bild 37 demonstriert das Schema Vorteil gegen ber der vorherigen Variante ist die Entkopplung von den Achsen der NMM 1 der besseren bertragbarkeit auf andere Systeme und die M glichkeit den vollen Arbeitsbereich der NMM 1 zu nutzen Nachteilig ist jedoch die zu erwartende Wiederholpr zision da zu den Abweichungen der Drehachse weitere sechs Abweichungen der Lineara chse kommen bei noch weiter steigendem Abstand von Sensorarbeitspunkt und Drehzent rum der Winkelabweichungen Gegen ber der Variante Regul res Pendel ist durch die Verkettung mit zus tzlichen Linearachsen eine schlechtere Wiederholpr zision zu erwarten bei zudem h heren Kosten Translation 2 Achsen Einzelkomponenten der Bewegung Rotation berlagerte Bewegung Bild 37 Bewegungsbahn eines inversen Pendels Goniometer Eine weitere kinematische Variante zur Realisierung der Rotation besteht in der Nutzung eines Goniometers Dieses stellt ein Kreissegment mit einer auBenliegenden F hrung dar Dieser Aufbau ist die einfachste Variante direkt um einen Punkt zu drehen und der Drehmit telpunkt bleibt frei zug nglich von mehreren Seiten Der Rotationspunkt ist durch die Kon struktion v
175. s Gesamtsystems M g liche Spitzenformen sind Kegelspitzen Kugeln oder Nadeln Spitzenhalterung Die Spitze muss mechanisch an das Koordinatenmessger t und die Rotationseinheit ange koppelt werden Die notwendige Halterung soll die Spitze mechanisch fixieren und eine elektrische Kontaktierung der Spitze f r die Spitzenspannung erm glichen Zus tzlich muss die Spitze noch vom Rest des Ger tes isoliert werden Probenkontaktierung Neben der Spitze muss auch das Werkst ck elektrisch kontaktiert werden um den Tun nelstrom von Pico bis Nanoampere zum Verst rker zu leiten Auch diese Kontaktierung muss elektrisch vom Koordinatenmessger t isoliert sein Insbesondere die Probenkontaktie rung muss elektrisch geschirmt ausgef hrt werden bei minimal m glicher L nge da sonst durch die Umwelt induzierte elektrische St rungen das Signal um ein vielfaches im Betrag berlagern Zudem beeinflussen das Signal auch bei geschirmten Leitungen Leckstr me ber die Isolierung und kapazitive Effekte bei Signal nderungen Spannungsversorgung Die Spannungsversorgung stellt eine stabilisierte Betriebsspannung f r die Sensorelektronik zur Verf gung und trennt diese von St rungen auf dem Stromnetz im Labor Verbindung zum Koordinatenmessger t Der Anschluss des Sensorausgangssignals erfolgt an der Eingangsbaugruppe des Koordina tenmessger tes blicherweise als analoges Spannungssignal 5 3 2 Entwicklung der Sensorelektronik Die beschrie
176. s sich auch in Bild 63 schon vermuten l sst o Sr SR SE Mehrfachtaster Ortsabweichung Pite Uber den Bereich 170 3 nm 191 1 nm 86 3 nm 30 unidirektional ae eee Mehrfachtaster Ortsabweichung Pre Uber den Bereich 88 7 nm 99 4nm 86 3 nm 80 ohne 20 undrekiond Ste em FM Mehrfachtaster Ortsabweichung Pre ber den Bereich 30 bidirektional Tabelle 8 Mehrfachtaster Ortsabweichung Uber den Bereich 30 Daraufhin wurde der Test an der Stelle 0 mit mehreren Durchlaufen wiederholt Es wurde f nfmal von 2 und f nfmal aus 2 die Position 0 angesteuert resultierend in zehn unidi rektionalen Abst nden und zehn bidirektionalen Die Resultate sind in Tabelle 8 zusammen gefasst bei einer Betrachtung im Histogramm sind keine Ausrei er identifizierbar KY Mehrfachtaster Ortsabweichung Pre bei 0 unidirektional 137 6 nm Mehrfachtaster Ortsabweichung P re bei 0 bidirektional 1059 9 nm 151 5 nm Tabelle 9 Mehrfachtaster Ortsabweichung bei 0 Im Detail liefern sowohl unidirektionale als auch bidirektionale Ansteuerung bei diesem redu zierten Winkelbereich bessere Ergebnisse Jedoch best tigt die Auswertung die Hysterese auch f r kleinere Drehwinkel Die Ursache der Hysterese wurde hinsichtlich der Herkunft untersucht F r die Winkel 10 und 20 wurde die bidirektionale Ortsabweichung bei jeweils einer stillstehenden Drehachse betrachtet Es ergab sich f r eine Wiederholung und fixierter Smaract A
177. schrittantriebe normal ist Da selbst eine Hysterese zu einem gewissen Grad als systematisch angesehen werden und damit kompen siert werden kann wurde die Pr zision an einzelnen Winkelpositionen bei gleichsinniger Richtungsadressierung mit einer erh hten Anzahl von Wiederholungen untersucht Insge samt f nf Winkelstellungen wurden je f nfmal adressiert von 9 bis 9 in 4 5 Schritten DIN 55350 13 1987 und DIN ISO 5725 1 1994 empfehlen als prim re quantitative Angabe zur Pr zision die Wiederholstandardabweichung auch GEIGER U KOTTE 2008 Diese wurde ermittelt durch Berechnung der Abst nde der Kugelpunkte zu ihrem gemeinsamen Mittel punkt an einer Winkelposition Bei reiner Betrachtung der Norm der Abstandsvektoren wird der Informationsgehalt begrenzt sowie durch eine resultierende Betragsverteilung die kor rekte Auswertung erschwert Laut GEIGER U KOTTE 2008 sollte eine Auswertung ber Ta Planung der prototypischen Realisierung Seite 51 von 106 bellenwerke durchgef hrt werden wie z B in LEONE U A 1961 Es werden stattdessen im Einklang zu den Datenblattangaben die normalverteilten kartesischen Einzelkomponenten betrachtet Es resultiert bei Betrachtung aller 25 Abstandsvektoren ber den kompletten Drehbereich eine Wiederholstandardabweichung o von 31 4nm in X 57 9nm in Y und 73 8 nm in Z Um diese Werte mit den Datenblattwerten zu vergleichen wird nach DIN ISO 5725 1 1994 die Wiederholgrenze r fr her Wiederhol
178. schwach reduziert Zuletzt verursacht bei der Position X 0 5 mm und dem Beginn der Ebene der gew hlte Rotationswinkel eine gr ere Abweichung als keine Rotation Danach in der oberen Ebene l uft der Sensor mit 0 Rotation auf der gleichen Bahn wie der klassi sche Scan Es empfiehlt sich zur weiteren Optimierung die Aktualisierungsintervalle sowohl seitens Software als auch Hardware strukturgr enabh ngig zu gestalten TE a Er os ab 12mm Br Resultierendes Oberfl chenprofil Pey s u Er ie Messung mit Sensorrotation 1 0 MMHFH Be Eur Sg 22 Stns i E ETTET Klassische Messung ats e a ik Fa Ta Paa A i a Differenz zu klassischer Messung Genutzter Rotationswinkel 16mm 12mm 0 8mm 0 4 mm 1 2 mm 1 6 mm 2 0 mm 2 4 mm X Koordinate im Werkst ckkoordinatensystem Bild 67 Klassische Messung und Messung mit Sensorrotation auf geneigten Ebenen im Vergleich Abweichung zu Sollprofil Sensorrotation und Kurzzeitkalibrierung Sensorrotation ohne Kurzzeitkalibrierung Klassisch X nn Simuliert 1 5 mm 1 0 mm 0 5 mm O mm 0 5 mm 1 0 mm 1 5 mm X Koordinate im Werkst ckkoordinatensystem Bild 68 Detailansicht klassische Messung und Sensorrotation auf Kugel 8 3 5 Detailbetrachtung der Verbesserung Nach einer Betrachtung der Verbesserung ber die gesamte Oberfl che soll eine Detailbe tr
179. sdichte abgebildet die bei elektrischen Leitern jedoch mit der Oberfl che bereinstimmt Die Spitzenelektrode wird in dustriell durch tzen hergestellt mit dem Ziel idealerweise nur ein Atom an der Front zu ha ben Dadurch wird die Wirkzone lateral minimiert Zum Stromfluss tragen prim r die vorder sten Atome bei auf welche sich der Effekt konzentriert Die dahinter liegenden Atome haben Seite 16 von 106 Stand der Technik einen reduzierten Beitrag Bild 12 zeigt die Aufweitung der Wirkzone bei einer stumpfen Spit ze Dies f hrt zu einer schlechteren lateralen Aufl sung und kann durch Zeit und ortsabh n gig variierende Spitzensegmente zu Doppelbildern und Rauschen f hren Insbesondere ein Kontakt mit der Spitzenflanke f hrt zu deutlicher morphologischer berlagerung der erfass ten Oberfl che mit der Spitzenform und erschwert eine kollisionsfreie Abstandsregelung Deshalb kann dieses Messprinzip mit einer der h chsten erzielbaren Aufl sungen nur auf Oberfl chen mit geringen Aspektverh ltnissen eingesetzt werden Der geringe Arbeitsab stand erfordert zudem eine aufw ndige Abstandsregelung um kollisionsfrei im Arbeitsbe reich zu bleiben Es ergibt sich angetrieben durch Piezoelemente ein vergleichbar Arbeits bereich wie bei Rasterkraftmikroskopen 0860000668 0008 Probenoberfl che Probenoberfl che Bild 12 Spitzenstruktur in der Wirkzone KR MER 2007 2 1 6 Quasitaktiler 3D Nahfeldsensor In Weiterentwicklu
180. se auf die Simulation Abschlie end wurden die Erkenntnisse aus dem praktischen Betrieb und insbesondere die tats chlich erzielbare Wiederholpr zision der Positionierung zur ck in die Simulation gef hrt Die Berechnung eines Rotationswinkels wurde im Bereich von 0 Rotation um den intelligen ten Wechsel von klassischer Messung zu Sensorrotation erweitert wenn die Abweichungs reduktion die Unsicherheit der Positionierung berschreitet Dieser Ansatz ist in Verbindung mit einer analysierenden Strategie mit dem Average Slope Algorithmus siehe Kapitel 4 3 in Bild 70 bei der simulierten Messung eines Mikrokonturnor mals demonstriert Dieses besteht aus geometrischen Basiselementen unterschiedlicher Gr e sowohl in erhabener Form als auch vertieft PTB 2006 Durch die hohen Aspektver haltnisse ist eine vollst ndige profilometrische Messung stark abweichungsbehaftet Gegen ber Bild 24 wurde die Anzahl der Elemente reduziert um die bersichtlichkeit zu wahren Seite 92 von 106 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Als Tastelement kam eine konische Spitze mit 2 um Spitzenradius und 90 Offnungswinkel zum Einsatz Zus tzlich wurde als Neuerung eine profilabh ngige Stellbegrenzung mit einem maximalen Drehwinkel von 30 eingef hrt die das Problem der Flankenkollision reduziert Dazu wird eine Schar von Simulationen bei unterschiedlichen maximalen Winkeln hinsicht lich der erzielbaren Abweichung zum Sollprofil bewertet Es
181. ser sitzt Eine Auslenkung f hrt zu einer Deformation der Membran die von implantierten piezoresistiven Elementen detektiert wird Das System zeichnet sich mit 800 N m lateral und 20 kN m in Schaftrichtung durch eine hohe Steifigkeit aus BUTTGENBACH U A 2006 Die maximal wirkende Antastkraft wurde bei DAI U A 2009 unter Verwendung eines Mikrokraftnormals zu 0 73 mN bestimmt und die minimal detektier bare zu 9UN TIBREWALA U A 2009 Eine 1D Antastunsicherheit von 10 nm in X Y und 20 nm in Z werden angegeben BUTTGENBACH U A 2006 Aktuelle Entwicklungen besch fti gen sich mit der Optimierung der Tastermembran TIBREWALA U A 2009 und der parallelisier ten Anwendung von Tastern zur gleichzeitigen Messung von Nutzen SCHRADER U A 2010 SCHRADER U A 2011 SCHRADER U TUTSCH 2012 Bild 4 Bild 4 Mikrotaktile Systeme Links Tastsystem METAS KUNG U A 2007 Rechts Parallelisiertes System SCHRADER U TUTSCH 2012 Optotaktile Systeme Bisher beschriebene Systeme basieren auf der Erfassung einer Uber den Schaft bertrage nen Kraft Zur Umgehung der direkten Kraftdetektion und Senkung der notwendigen Antast kraft wurden Ans tze wie optotaktile Systeme entwickelt ebenfalls in der VDI 2617 behan delt Hier ist der 2D Faseraster zu nennen der bei der PTB entwickelt wurde und mittlerweile bei Werth Messtechnik erh ltlich ist GUIJUN U A 1998 SCHWENKE U A 2001 Eine hochfle xible Glasfaser mit einer Glaskugel am Ende wird
182. t Die Messungen erfolgten im eingebauten Zu stand in der NMM 1 bei Leerlauf des Sensors Eine Verbesserung der Spitzenspannungsquelle war im Oszilloskop gut sichtbar sie zeigt in der neuen Version bei einer Ausgangsspannung von 400 mV ein Rauschen von 5 6 mV Spannweite gegen ber dem Wert von 10 8 mV bei der Ursprungsvariante der Schaltung Von weiterem Interesse war das Ausgangsrauschen des Verst rkers welches mittels der Analog Digital Wandler der NMM 1 erfasst wurde Der Anschluss an das Werkst ck koppelt trotz Schirmung weiterhin St rungen ein die das Leerlaufsignal berlagern und bei allen Schaltungen zu erh htem Rauschen f hren Die Ursprungselektronik auf Basis des OPA129 lieferte bei einer Empfindlichkeit von 1V nA ein Leerlaufsignal der Spannweite von 18 mV was 0 18 des nutzbaren Arbeitsbereichs darstellt Die neue Elektronik mit dem OPA129 lieferte vergleichbare 12 mV quivalent 0 12 des Arbeitsbereiches Abweichend ist hinge gen die Elektronik auf Basis des LMP7721 die 157 mV Spannweite bei 3 14 des hier auf Seite 62 von 106 Planung der prototypischen Realisierung 5 V begrenzten Arbeitsbereiches ausgibt Ebenfalls abweichend ist diese Elektronik bei der Auswertung der Offset Spannung Offset entsteht bei dieser Schaltung fast ausschlieBlich durch Leckstr me im Eingangskreis auf der Platine und uber den Schirm der Zuleitung Die LMP7721 Schaltung hat hier Offset von 1 06 V was 20 des Arbeitsbereiches entspricht Im Ve
183. t F r ein favorisiertes Modell einer Drehachse eine Aerotech ANT95 R Tabelle 3 wurde die Abweichung des Ar beitspunktes berechnet auf Basis der Angaben des Datenblatts und einer exzentrischen Montage mit 62mm Abstand Eine Interpretation der Datenblattwerte erfolgt analog der quantitativen Angabe Wiederholgrenze die den veralteten Begriff Wiederholbarkeit abl st DIN 55350 13 1987 DIN ISO 5725 1 1994 Sie gibt die maximale Differenz zweier wieder holter Ermittlungsergebnisse mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 an Bei Berechnung der berlagerung wird eine symmetrische Verteilung um die Mitte der Spanne angenommen 0 5 arc sec 3 arc sec 0 5 um Weitere technische Daten Nicht zur Berechnung genutzt o o Z o Z o Tabelle 3 Technische Daten der Drehachse Aerotech ANT95 R ANT95 R Seite 46 von 106 Planung der prototypischen Realisierung berlagert ergeben sie das gezeigte Positionsvolumen Bild 36 in dem sich der Arbeitspunkt befinden kann Systematische Abweichungen sowie die absolute Winkelgenauigkeit wurden nicht einbezogen unter der Annahme dass diese im Zielsystem kompensiert werden bzw nicht ins Gewicht fallen Die Darstellung erfolgt im Achssystem der NMM 1 bei Sensorrotati on um die Y Achse und einer Messung in X Richtung Auf Basis der Datenblattangabe ergibt sich in Scanrichtung eine m gliche zuf llige Abweichung von bis 950 nm 200 ee lee S l 2005 5
184. t Gewahlter Profilschnitt 8 3 2 Konfiguration wahrend der Messung Auf beiden Pr fk rpern wurde mittels Sensorrotation eine Linienmessung in X Richtung durchgef hrt der Lange 3 5 mm auf der Kugel und 4 5 mm auf der Wendeschneidplatte Bild 65 Bei der Kalibrierkugel wurde diese zentriert ber den Pol gelegt bei der Wendeschneid platte Uber die drei Ebenen jeweils in der Mitte Als Referenzwert wurde jede Messung klas sisch ohne Rotation bei 0 durchgefuhrt In Verbindung mit dem spharischen Sensor ist der Vektor von der Sensormitte fix nach unten orientiert Die Messungen mittels Rotation erfolg ten unter Verwendung des Kalibrierfeldes von 30 bis 30 in 1 Inkrementen einmal mit und einmal ohne Kurzzeitkalibrierung nach jeder Rotation Die Oberflachenpunkte wurden in Ein zelpunktantastung aufgenommen mit einer Schrittweite von 10 um Alle 100 um wurden mit einer vorhersagenden Strategie und einem linearen Algorithmus Uber die letzten Oberfla chenpunkte der Rotationswinkel berechnet und eingestellt Durch die auf Prazision optimier ten Bewegungsabl ufe nahmen die Messungen l ngere Zeit in Anspruch Insbesondere Se quenzen mit Kurzzeitkalibrierung dauerten bis zu einem halben Tag Um das Klima zu stabi lisieren liefen die Messungen bei geschlossener Abschirmhaube der NMM 1 unter Zuhilfen ahme eines Videosystems zur Messvorgangs berwachung Innerhalb einer Messung war keine thermische Drift erkennbar 8 3 3 Messung der Kalibrierk
185. t wurde Dieser ist auf der Kopfplatte bzw daneben auf H he der Spiegelecke installiert Von Interesse ist die Verbindung zwischen Spiegelecke und Tr ger platte Diese wurde in den Voruntersuchungen durch eine seitliche Klemmung auf die Spie gelecke realisiert In Messungen die sich ber den kompletten Arbeitsbereich erstreckten konnte wiederholt eine Drift der Position der erfassten Merkmale von mehreren 100 nm in Richtung der angeschlossenen Verst rkerklemme festgestellt werden Diese Problematik durch mechanischen Zug konnte bei der letzten Modernisierung der NMM 1 die vor der In tegration der Drehachsen erfolgte gel st werden Die Tr gerplatte wurde nun direkt auf eine Lochrasterplatte aus InVar geschraubt die selbst mit der Spiegelecke verschraubt war Elektrische Abschirmung von St rfeldern Zu beachten war zur Aufrechterhaltung eines durchg ngigen Schirmungskonzepts die Ab schirmung gegen ber elektromagnetischen St rfeldern Hauptst rquelle ist eine 50 Hz Schwingung die von netzspannungsf hrenden Leitern ausgeht sowie auch von daran be triebenen Netzteilen und deren Ausgangsleitungen Alle nicht geschirmten metallischen Fla chen des Verst rkereingangskreises wirken als parasit re Antenne und f hren zu einem St rsignal durch die hohe Empfindlichkeit des Verst rkers von bis zu 10 V nA Bei unzu reichender Abschirmung des Eingangskreises werden St rungen bis zum Vollausschlag des Sensorsignals erreicht Als Schirmungsma
186. tand der NMM 1 wird nach J GER u a 2009 von 3 nm k 2 ausgegangen Im Ver gleich zu den anderen Einflussfaktoren ist dieser Betrag gering Einfluss durch den Sensor Zuletzt ist der verwendete Sensor zu betrachten f r dessen Betrieb von einem festen Ar beitsabstand bei einer gew hlten Signalst rke ausgegangen wird Der tats chliche Abstand wird durch Schwankung der Spitzenspannung Verst rkerrauschen und nicht erfasste Wech selwirkung in der Wirkzone beeintr chtigt Weitere Einflussgr en die sich ber l ngere Zeit als Drift bemerkbar machen k nnen sind die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit in der Wirkzone die die effektive Austrittsarbeit der Elektroden ver ndern Durch die Klimarege lung im Messraum werden beide Parameter kontrolliert In den messtechnischen Untersu chungen bei Hoffmann wurde f r die Reproduzierbarkeit der Antastung in 1D 22 nm k 2 und 3D 60 nm k 2 ermittelt Diese Werte waren damals jedoch noch von erh hter mecha nischer Schwingung der NMM 1 berlagert die im Rahmen der Modernisierung der NMM 1 deutlich reduziert wurde Als aktuellerer Wert kann resultierend aus der Bestimmung des Artefaktmittelpunkts eine Wiederholstandardabweichung in Z von o 5 0 nm angenommen werden siehe Kapitel 8 2 Kombinierte Unsicherheit Zusammenfassend kann f r die Messgr e H he des Werkst cks eine berlagerung der dargestellten Unsicherheitsbeitr ge angenommen werden Der Beitrag durch die Formab weic
187. teilen gegen ber vorangetrieben durch die Fortschritte in der Fertigungstechnik Bauteile und die damit verbundenen Messaufgaben werden im Fol genden betrachtet Schneidwerkzeuge Ein erstes Beispiel sind spanabhebende Werkzeuge wie die Schneidkanten von Bohrern Fr sern und Schneideins tzen F r einen kontrollierten gleichm igen Materialabtrag beim Zerspanungsprozess ist die Mikrogeometrie der Schneidkante sowie seitens Makrogeomet rie die Position der Schneidkante von gro er Bedeutung WECKENMANN U NALBANTIC 2003 Bei Schneideins tzen sind Schneidkantenradien bis 20 um bei spitzen Eckenwinkeln bis zu 35 verf gbar Mikrofr ser und bohrer sind durch ihre Gesamtabmessung von 200 um Durchmesser und weniger sowie Schneidkanten im einstelligen Mikrometerbereich eine her ausfordernde Messaufgabe Eine Erfassung der Kantenform ist besonders wichtig da diese den Schneidprozess ma geblich beeinflusst jedoch im Mikrobereich keine ideal scharfe Kante hergestellt werden kann HANSEN U A 2006 BISSACCO U A 2008 Die Messung erfolgt sowohl zur Qualit tskontrolle der Werkzeuge als auch zur Verschlei messung Als Messger te kommen bevorzugt optische Systeme zum Einsatz jedoch ist der Erfassungsgrad durch die starke Kr mmung und Winkel nderung eingeschr nkt Zudem neigen verschlissene Schneidkanten zu Glanz unter der Beleuchtung der optischen Senso ren Eine Alternative bilden taktile Profilometer jedoch ist auch hier der erfass
188. ten Bild 19 rechts Hierdurch bleibt w hrend der Messung der tats chliche Kontaktpunkt an der Stelle des Refe renzpunkts und die Messabweichung durch den Oberflachenwinkel wird verhindert BA Vl Wd Ye Vf Bild 19 Rekonstruiertes Oberflachenprofil bei klassischer Messung Rechts Rekonstruiertes Oberfla chenprofil unter Verwendung von Sensorrotation Pfeile zeigen tats chlichen Kontaktpunkt Im Detail soll die systematische Entwicklung dieses Verfahrens dessen Realisierung in der Praxis sowie eine Bestimmung des Nutzens in mehreren Schritten erfolgen Der erste Schritt ist die Modellierung des Sensorverhaltens als Basis theoretischer Untersuchungen Dessen geometrisches Modell und die mathematische Formulierung des bertragungsver haltens werden genutzt um die Messabweichung unter einem bestimmten Winkel zu einer beliebigen Oberfl che zu ermitteln Als zu modellierender Sensor soll ein taktiles Profilome ter herangezogen werden Nach Aufstellung des Sensormodells soll es in eine Simulation sumgebung implementiert werden Sie erm glicht den Messvorgang sowohl ohne Rotation Simulation des Rotationsprinzips Seite 25 von 106 als auch mit abzubilden und auftretende Messabweichungen zu erfassen Dies ist die Basis um informationstechnische Methoden zu entwickeln die wahrend der Messung einem Ober flachenpunkt einen Drehwinkel des Sensors zuordnen Es lassen sich so vorab die Effektivi tat des Neigungsverfahrens ermitteln und Vorga
189. tintensive Nachbearbeitung durch Datenfusi on oder Tastelementformkorrektur mit weiteren Unsicherheitsbeitr gen wird hinf llig und das fertige Ergebnis ist direkt nach nur einer Messung verf gbar Der Einsatz dieses Verfahrens steigert in Folge die Messgenauigkeit bestehender Sensoren der Mikromesstechnik auf ge kr mmten Oberfl chen und Mikrostrukturen mit erh hten Aspektverh ltnissen und er steigert den erfassbaren Winkelbereich was die Anwendungsgebiete der Sensoren erweitert Seite 26 von 106 Simulation des Rotationsprinzips 4 Simulation des Rotationsprinzips Die theoretische Untersuchung des vorgeschlagenen Rotationsprinzips soll in einer Simulati onsumgebung erfolgen auf Basis eines Simulationsmodells zur Abbildung des Messprinzips 4 1 Modell und Logik Als Anschauungsobjekt des Rotationsprinzips in der Simulation wurde ein Tastschnittgerat gewahlt Neben der Relevanz in der Mikromesstechnik ist dessen Funktionsprinzip und Ab weichungsmechanismus gut verstanden und berechenbar STOUT 1993 LONARDO U A 1996 Eine Modellierung des Abweichungsverhaltens von Profilometern lasst sich Uber den mechanischen Kontakt zweier geometrischer K rper einfacher und zuverl ssiger darstellen als eine optische Wechselwirkung F r optische Systeme m ssen zur Modellierung der kom plexen Interaktion oft rechenintensive numerische Verfahren wie Finite Difference Time Do main FTDT eingesetzt werden OH U ESCUTI 2007 Zudem ist das Verfahren
190. tion ueuauuunnauunnnnnnnanunnannnnnnnnn anne 91 ZUSAMMENTASSUMG sivesieseicesiewecenscaveianscawenntece ce bibecdabisspieseieebiensamusenuscaeseawsaneseaseis 93 10 Liter aturverzeichnisz u asien een ara an ah ara ars are 95 Abkurzungsverzeichnis lil Abkurzungsverzeichnis Abk rzung Erl uterung gt Steckverbinder Bayonet Neill Concelman Steckverbinder D Subminiature Micro electro mechanical systems Physikalisch Technische Bundesanstalt Steckverbinder Sub Miniature A Verein Deutscher Ingenieure Einleitung Seite 1 von 106 1 Einleitung There is Plenty of Room at the Bottom not just There is Room at the Bottom Zitat Richard P Feynman ber die Manipulation und Kontrolle auf einer kleinen Skala Pasadena 29 12 1959 FEYNMANN 1959 Dem Drang nach Fortschritt wurden in den letzten Jahrzehnten immer neue T ren aufgesto Ben zu Welten neuer technischer M glichkeiten Nicht nur dass in einem top down Ansatz eine kontinuierliche Miniaturisierung bestehender Technik m glich wurde sondern auch dass von einem bottom up Ansatz Technik in komplett neue Dimensionen gebracht wurde Insbesondere die Idee eine Konstruktion direkt auf atomarer Ebene durchf hren zu k nnen faszinierte Richard Feynmann FEYNMANN 1959 Beide Ans tze sind heute 50 Jahre sp ter in der Mikro und Nanotechnik vertreten Die Basis dieses Fortschritts wurde durch die Weiterentwicklung und Neuentwicklungen in der Ferti
191. tion um 99 0 auf 1 0 Die Abweichung ware der Simulation nach in diesem Bereich Null der Unterschied zur Soll kontur wird in Kapitel 8 3 5 n her behandelt 2 0 mm Resultierendes Oberflachenprofil Sollprofil Klassische Messung 1 mm p 1 5 mm 1 0 mm 0 5 mm 0 mm 0 5 mm 1 0 mm 1 5 mm Abweichung zu Sollprofil Messung mit Sensorrotation Genutzter Rotationswinkel 1 5 mm 1 0 mm 0 5 mm 0 mm 0 5 mm 1 0 mm 1 5 mm X Koordinate im Werkst ckkoordinatensystem Bild 66 Klassische Messung und Messung mit Sensorrotation auf einer Kugel im Vergleich 8 3 4 Messung der gekippten Ebenen Die Resultate der Wendeschneidplatte sind in Bild 67 zu sehen Diese zeigt nach gleichem Schema einen 4 5 mm Scan zur besseren bersicht aufgeteilt auf zwei H lften Gegen ber der kontinuierlichen Kr mmung bei der Kugel f hren die Ebenen zu konstanten Drehwinkeln von den bergangsbereichen abgesehen Die Rotationskinematik ger t bei diesem Szenario nicht in die konfigurierte Stellbegrenzung Gegen ber einem klassischen Scan bringt das Rotationsprinzip bis zu 19 51 um Verbesserung bei einer mittleren Verbesserung um 8 41 um Solldaten zum Vergleich lagen nicht vor Von besonderem Interesse ist der ge Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Seite 85 von 106 kr mmte bergang der Ebenen In Verbindung mit einer langsamen Winkelaktualisierung im Abstand von 100 um erfolgt die Nachf hrung zu langsam und die Abweichung wird zu
192. tzung einer Kalibrierkugel und einer Tastkugel von h herer Formgenauigkeit 8 4 Grenzen des Verfahrens und Bewertung der Unsicherheit Das Verfahren zeigt in der Simulation sowie in der Praxis eine signifikante Verbesserung der Oberfl chenerfassung und des nutzbaren Winkelbereiches Es bleibt zu kl ren bis zu wel chem Punkt die Nutzung des Rotationsverfahrens sinnvoll ist Dieser Grenzbereich tritt ein wenn die Abweichung die durch den Winkelwechsel auftritt gr er ist als die Verbesserung durch Neigung Zu diesem Zweck sollen die Abweichungsursachen im Aufbau und die resul tierende Unsicherheit bei der Messung mit dem Rotationsprinzip betrachtet werden Nach Identifikation aller beteiligten Faktoren kann eine kombinierte Standardunsicherheit aus der berlagerung dieser Einzelbeitr ge abgesch tzt werden Unsicherheit ist nach VIM 2012 definiert als Dem Messergebnis zugeordneter Parameter der die Streuung der Werte kenn zeichnet die vern nftigerweise der Messgr e zugeordnet werden k nnen Die Einzelbe tr ge k nnen als Unsicherheitskomponenten vom Typ A durch Auswertung ber die Analyse statistischer Messreihen oder vom Typ B durch andere Mittel als der statistischen Analyse ermittelt werden Die Berechnung hat hierbei nach den Richtlinien des GUM zu erfolgen GUM 2008 Im Folgenden werden die bekannten Einfl sse und ihre Betr ge dargestellt Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Seite 87 von 106 Wiederholpr
193. ugel Bild 66 zeigt die Ergebnisse auf der Kalibrierkugel mit Sensorrotation und Kurzzeitkalibrie rung Sie zeigt das resultierende Oberfl chenprofil mit Rotation das Profil bei einer klassi schen Messung und die Sollkontur auf Basis der Kalibrierwerte der Kugel Zudem werden die Abweichung gegen ber der Sollkontur die Abweichungsreduktion gegen ber dem klassi schen Scan sowie die genutzten Drehwinkel dargestellt Zu Beginn der Messung startet der Scan mit 0 Rotation und die Werte sind mit der klassischen Messung identisch Nach 100 um wird erstmalig eine Rotation ausgel st und dadurch die Abweichung um 75 45 um reduziert An dieser Stelle geht die Rotationskinematik in die konfigurierte Stellbegrenzung was Potenzial f r eine weitere Reduktion bietet Mit fortschreitender Messung Richtung Ku gelpol sinkt die Abweichung der statischen Betriebsart und damit schwindet der Angriffspunkt des Rotationsprinzips Mit erneut steigender Kr mmung und Eingriff des Prinzips wird die Seite 84 von 106 Ergebnisse Teil 2 Messungen mit dem Prototyp Abweichung bis um 94 75 um reduziert Bezogen auf die Quadratsumme der Abweichungen zur Sollkontur reduziert die Sensorrotation im Verhaltnis zur klassischen Messung die Ab weichungen um 95 8 auf 4 2 unter Vernachlassigung des Anfangsbereichs mit 0 Ori entierung Eine Betrachtung der Oberflachenpunkte im Winkelbereich 30 liefert wegen der ausbleibenden Stellbegrenzung eine starkere Abweichungsreduk
194. ung Bild 5 Hierbei wird blicherweise mit einem Piezoaktor eine Tastkugel an einem Schaft in Schwingung ver setzt Bei Ann herung an eine Oberfl che d mpft der kurzzeitige mechanische Kontakt die Schwingungsamplitude Eine 3D Antastung ist m glich da auch eine seitliche Antastung durch Reibung zu einer D mpfung f hrt jedoch kann blicherweise der Antastvektor nicht allein aus dem Sensor bestimmt werden und muss indirekt ber die Bewegungsrichtung des Sensors erfasst werden Durch die Vibration des Sensors ergibt sich eine st rkere Filterung von Oberfl chenstrukturen sowie eine h here Unsicherheit gegen ber stehenden Tastern Von Vorteil ist jedoch dass kleine Tastkugeln zum Beispiel 30 um Glas wie beim Mitutoyo UMAP System genutzt werden k nnen HIDAKA 2006 Die Weiterentwicklung ist bei HIDAKA U A 2010 beschrieben Weitere Designs wurden von Masazuwa MASUZAWA U A 1993 und Lebrasseaur LEBRASSEAUR U A 2001 realisiert Schwingungs Tasterschwingung anregung und 7 messung d ri ta Ay ks IL Kaiak Bild 5 Mikrotaktile Systeme Links Optotaktiler 3D Fasertaster mit Speckleprinzip Rechts Vibrati onsprinzip Triskelion Ein anderes mikrotaktiles System wurde 1999 am National Physics Laboratory NPL entwi ckelt PEGGS U A 1999 Ein Taststift mit einer 1 mm oder 0 3 mm Tastkugel ist zentral an einer Scheibe angebracht aus der in gleichm igen Abst nden Wolframkarb
195. ung beim Rotations verfahren erst bei Erreichen der Stellbegrenzung an jedoch durch die geeignete Vorausrich tung f hrt der abrupte Steigungswechsel nur zu einer schwachen Flankenkollision Im Ver gleich zum klassischen Verfahren kann hier durch Rotation die maximale Messabweichung auf 20 reduziert werden nur begrenzt durch Drehgeschwindigkeit und Drehwinkel Bei einer analysierenden Strategie w rde sich dieses Verhalten auch zu Beginn des Kreisprofils zeigen Bei Betrachtung des resultierenden Profils im Bereich des Kontaktwinkels von 45 bis 45 verhindert das Rotationsprinzip die Abweichung komplett Die simulierte Begrenzung des Drehwinkels dient der Bewertung von unterschiedlichen Ki nematiken in der Hardwareplanung da sich diese durch ihren erreichbaren Drehwinkel un terscheiden Der bereits gezeigte Halbkreis von 80 bis 80 erfordert einen gro en Drehbe reich An diesem Beispiel soll der Effekt der Drehwinkelbegrenzung dargestellt werden Be trachtet wurde die zweite Kreish lfte um den Effekt einer langsamen Rotation zu unterdr cken Bild 27 zeigt die mittlere Abweichung sowie das Maximum ber den Winkelbereich von 0 bis 45 Beide sind normiert auf eine klassische Messung mit einer mittleren Abweichung Seite 36 von 106 Simulation des Rotationsprinzips von 20 7 um und dem rechnerischen Maximum von 59 2 um Schon eine Rotation um einen geringen Winkel fuhrt zu einer sichtbaren Abweichungsreduktion 10 wurde i
196. ung des Kalibrierfeldes folgte die Untersuchung der undirektionalen und der bidi rektionalen Genauigkeit Es wurden ber den Bereich von 30 in 10 Schritten sechs Posi tionen zweimal unidirektional angesteuert und f nf Positionen mindestens zweimal bidirekti onal Jede Position wurde nach Ansteuerung f nfmal konsekutiv erfasst und gemittelt um den Einfluss des Sensors zu senken und den der Achsen hervorzuheben Es zeigte sich dass insbesondere bei bidirektionaler Antastung die Wiederholgrenze der einzelnen F nfer Gruppen deutlich geringer war als die Wiederholgrenze aller Punkte an einer Winkelstellung Nach Berechnung der Abstandsvektoren zum Mittelpunkt der jeweiligen Winkelposition resul tierten 12 Abst nde unidirektional und 15 bidirektional Die Auswertung erfolgte analog DIN EN ISO 10360 5 2011 mit der Kenngr e Pite Mehrfachtaster Ortsabweichung f r Mehr fachtaster mit Dreh Schwenk Messkopfsystem und empirischem Einmessen Sie beschreibt die Spannweite der Mittelpunktkoordinaten X Y und Z einer Pr fkugel die bei f nf ver schiedenen Winkelstellungen bestimmt wird Es ergeben sich Resultate nach Tabelle 8 Bei Eliminierung der 20 Position und Reduktion auf die f nf vorgeschlagenen Winkelstellungen k nnen die Resultate weiter gesenkt werden Die bidirektionale Antastung liefert abweichen de Ergebnisse um den Faktor 4 bis 16 schlechter insbesondere in der X Achse Dies deutet auf eine ausgepr gte Hysterese hin wa
197. ung und der sprunghaften Ver nderung stellt eine dritte Testoberfl che eine kontinuierliche Kr mmungs nderung in Form eines Sinusprofils dar Es wurde eine Periodenl nge von 600 um bei einer Amplitude von 150 um gew hlt erneut mit einer Ebene als Startposition Der notwendige Richtungswechsel bei der Rotation soll ein eventuell auftretendes Schwingungsverhalten aufzeigen F r die Spitzenkonfiguration wurde erneut ein 10 um Radius 60 ffnungswinkel und ein maximaler Winkel von 20 gew hlt Bei diesem Winkel wird eine Flankenkollision vermieden Bild 29 links zeigt die verbleibende Abweichung bei einer linear vorhersagenden Strategie und Bild 29 rechts zeigt erneut einen statistischen Vergleich mehrerer Strategien normiert auf eine klassische Messung Alle An s tze arbeiten sehr vergleichbar und bis auf den Steigungssprung am Anfang haben analy sierende Strategien keinen nennenswerten Vorteil Alle Strategien folgen mit der Rotation der Oberfl chensteigung und k nnen eine auftretende Messabweichung erfolgreich kom pensieren solange sie nicht in die Stellbegrenzung geraten Es ergibt sich ber die gesamte Oberfl che eine Reduktion der quadratischen Abweichung um 82 Durch die Unzug ng lichkeit des bergangs der Startebene zum Sinusprofil kann die maximal auftretende Abwei chung nur von 8 6 um auf 7 3 um reduziert werden im Profil wird sie von 8 6 um auf 3 9 um gesenkt Resultierendes SPeMecnenpion Ohie Rotation SS Vorhersagend
198. unkt Bild 8 Messabweichung durch steile Oberflachenwinkel AZ R sin Af tan AP cos AP 1 5 Zus tzlich zur Oberflachenneigung muss die Auslenkung nach oben ber cksichtigt werden da mit Auslenkung der Spitze ein lateraler Versatz einhergeht Dieser wird ber eine Bogen korrektur kompensiert Diese Effekte sind bei der Auswahl eines Tastschnittgerates fur eine Messaufgabe zu be rucksichtigen und schranken den Anwendungsbereich insbesondere den zulassigen Ober flachenwinkelbereich ein 2 1 4 Optische Messverfahren Neben taktilen Messprinzipien kommen heutzutage in der Mikromesstechnik sehr oft opti sche Verfahren zum Einsatz Durch die kontaktfreie Antastwechselwirkung mittels Licht ist eine Besch digung des Werkstucks ausgeschlossen und blicherweise sind deutlich h here Messgeschwindigkeiten m glich Optische Systeme lassen sich unterteilen in punktf rmig arbeitende 1D Sensoren sowie fl chig arbeitende 2 5D Sensoren Allen Systemen gemein ist eine hohe Aufl sung in Strahlausbreitungsrichtung bis hin zu Sub nm abh ngig vom Funkti onsprinzip Die laterale Aufl sung ist blicherweise jedoch um mehrere Potenzen schlechter begrenzt von der Wellenl nge des verwendeten Lichts A Nach dem Rayleigh Kriterium ergibt sie sich zu 0 61 A NA Gleichung 6 WECKENMANN 2012 Optische Sensoren weisen prinzipbedingte Einschr nkungen auf Eine generelle Einsatz grenze optischer Sensoren resultiert durch deren erfassba
199. unkt berechnet wurde kann der Antastwinkel nach Gleichung 19 berechnet werden TT zi dF x f tan falls F x vorhergesagt worden ist 2 dx stra Pi Var Zz 7 1 19 tan 1 falls direkt der Punkt P x z resultiert 2 X Xi 1 F r die Extrapolation kann jeweils die Breite der zu Grunde liegenden Daten gew hlt wer den Sie sollte profilabh ngig dimensioniert werden so dass nur die aktuelle Oberfl chen ver nderung erfasst wird ohne diese mit bereits erfassten Strukturen zu vermischen Dadurch dass vorhersagende Strategien ihre Berechnung auf abweichungsbehafteten Da ten durchf hren wird unter Umst nden ein idealer Winkel nicht sofort erreicht bis durch die Kontinuierliche Abweichungsreduktion ein idealer Kontaktwinkel folgt Jedoch ben tigt dieses Verfahren durch nur einen Durchgang am wenigsten Zeit und ist gegen ber kurzzeitigen Ver nderungen der Oberfl che wie thermischen Effekten am robustesten 4 4 Ergebnisse Teil 1 Simulative Bewertung des Rotationsverfahrens 4 4 1 Teststrukturen Zur Untersuchung der Effektivit t der Strategien und des Rotationsprinzips insgesamt wur den Simulationsdurchg nge in einem Versuchsplan auf repr sentativen Testoberfl chen durchgef hrt Prim re Eingangsparameter der Untersuchungen waren neben den Oberfla chen Spitzenwinkel Spitzenradius maximaler Drehwinkel und Drehgeschwindigkeit Aus wertekriterien f r die Simulationsreihen waren Messabweichung ideal
200. ur zuf llige Messabweichungen sowie unbekann te systematische Messabweichungen Zur F llung des Kalibrierfeldes mit Informationen sind Kalibrierdaten der Hersteller eine m g liche Quelle Diese Daten werden z B mit Autokollimatoren oder kapazitiven Sensoren er fasst VDI VDE 2617 Blatt 4 2006 WECK U BRECHER 2006 F r die Aerotech Achse sind diese f r den Winkelbereich 180 vorhanden und wurden beim Hersteller mittels eines Autokollimators erfasst Aus Gr nden der passiven Ger tesicherheit wurde der Drehbereich mechanisch auf 180 gesperrt Eine Separation in einen systematischen Anteil und einen zuf lligen durch den Hersteller ergibt f r den Taumel eine Spannweite von 8 21 arcsec sys tematisch und 0 95 arcsec zuf llig Zus tzlich w rden die Kalibrierdaten der Smaract Achse ben tigt sowie Informationen ber die Ausrichtung der Achsen samt Sensor zueinander in der fertig montierten Baugruppe Anstatt die Abweichungen der Einzelkomponenten selbst einzeln zu erfassen und zu berlagern kann ein direkterer Ansatz genutzt werden W hrend der Messung mit dem Rotationsprinzip ist die relevante Anforderung dass der Sensor in Be zug zum Werkst ck bzw zum Werkst ckkoordinatensystem mit der geforderten Pr zision wiederholt positioniert wird Deshalb soll mit dem im Folgenden beschriebenen Kalibrierkon zept die Position des geneigten Sensors im Werkst ckkoordinatensystem bestimmt werden Diese Methode soll ber ein vom quasitaktile
201. urchzu f hren und NMM 1 sowie die Drehkinematik anzusteuern Auf elektrischer Seite ist die An bindung der Drehachsen jeweils durch den Hersteller vorgegeben Das Smaract System wird ber eine USB Verbindung angesteuert und Bewegungskomman dos k nnen ber das mitgelieferte graphische Interface Precision Tool Commander abge setzt werden Zur Einbindung in eigene Systeme kann das Modular Control System des Smaract Systems ber mitgelieferte DLLs Dynamic Link Libraries angesprochen werden auf die wiederum ber Befehlsbibliotheken in der Programmiersprache C zugegriffen wird Die Befehlsbibliotheken enthalten umfangreiche M glichkeiten zur Konfiguration des Achs verhaltens sowie zur Ansteuerung und Auslesen der Achsdaten Diese Softwareschnittstelle muss von der Gesamtablaufsteuerung durch Mathworks Matlab angesteuert werden Ein Zugriff auf C Bibliotheken inklusive bergabe und R ckgabe von Werten kann in Matlab ber sogenannte MEX Bin rdateien quivalent f r MATLAB executable realisiert werden Es werden dazu ger tespezifische Programmroutinen in C geschrieben und Ein und Ausgabe werte als bergabeschnittstellen definiert Nach Kompilierung mittels Matlab kann die C Programmroutine wie eine Matlabfunktion aus Matlab heraus aufgerufen werden Beim Aerotech System erfolgt die Ansteuerung Uber eine Netzwerkschnittstelle und das TCP IP Protokoll Zur Ansteuerung steht die Anwendung Motion Composer Suite zur Ver
202. verwendet Abh ngig von der Bauart wird entweder der Sensor in allen Achsen bewegt oder das Werkst ck oder eine Mischung beider Varianten Im Gegensatz zu den bisher be schriebenen Ans tzen ist die Position des verwendeten Sensors beispielsweise eines takti len Tastsystems im Maschinenkoordinatensystem durch Einmessen bekannt Gerade f r die Mikromesstechnik und den Betrieb derer Sensoren entstand die Klasse der Mikro und Na nokoordinatenmessger te Diese unterscheiden sich im Vergleich zu bekannten Koordina Seite 18 von 106 Stand der Technik tenmessgeraten in der erzielbaren Aufl sung und Genauigkeit Beispiele fur Mikrokoordina tenmessger te sind das Werth Videocheck UA 400 mit 1 nm Achsaufl sung und einer drei dimensionale L ngenmessabweichung von 0 75 L 500 um Ein weiteres Ger t ist das Zeiss F25 VERMEULEN U A 1998 mit einer volumetrischen Positionsunsicherheit von 250 nm Im Bereich der Nanokoordinatenmessger te ist die IBS Isara mit einer Aufl sung von 1 3 nm und einer volumetrischen Positionsunsicherheit von 30 nm RuUJIL 2001 sowie inr Nachfolgemodell die ISARA 400 zu nennen SPAAN U WIDDERSHOVEN 2011 Ein weiteres relevantes Ger t ist die SIOS NMM 1 HAUSOTTE 2002 mit einer Aufl sung von 0 1 nm und 3 nm Unsicherheit J GER U A 2009 das ebenfalls in Weiterentwicklung ist 2 2 Messaufgaben Den messtechnischen M glichkeiten der heutigen Mikromesstechnik steht das heutige Spektrum an Komponenten und Bau
203. von Physik Instrumente gel st In abgewandelter Form ist dies bei einem Smaract SmarPod 110 45 realisiert der auf drei nach au en gerichteten Beinen basiert deren Basis zus tzlich lateral bewegt werden kann Die Ansteuerung erfolgt f r den Anwender blicherweise in kartesischen Koordinaten und es kann zus tzlich direkt ber den Controller um einen frei w hlbaren Punkt im Raum rotiert werden Dieser Aspekt ist f r eine sp tere Einbindung in einen Gesamtaufbau sehr von Nutzen Diese Variante erm glicht zudem die meisten Freiheitsgrade f r die Rotation inklusive translatorischer Bewegung Zur Erzielung der anvisierten Genauigkeit kamen nach einer Marktrecherche nur Parallelkinematiken mittels Piezo Antrieb in Frage wie der Sma ract SmarPod 110 45 der ALIO Industries Al HEX HR2 SS oder spezielle Systeme mit Gleichstromantrieb wie die Micos SpaceFAB SF 3000 BS Mittels Piezo Elementen k nnen Stellbewegungen im Subnanometerbereich realisiert werden Bewegungen gr er als zwei stellige Mikrometer werden in einem schrittbasierten Prozess durchgef hrt Im Falle des Smaract Systems ist der Piezo Aktor kraftschl ssig durch Reibung mit der Drehscheibe ver bunden und bewegt diese bei langsamer Ausdehnung Bei schneller Bewegung rutscht der Aktor an dieser durch ihre Massentr gheit vorbei und kann einen neuen Schritt ausf hren Auf Basis der Datenblattwerte f r einen Smaract SmarPod 110 45 wurde eine Berechnung des zu erwarteten Abweichungsvolu
204. wendig da sonst durch bersteuern der Arbeitsbereich wiederholt verlassen wurde so wohl vom Werkst ck weg als auch in die Kollision Im Kollisionsfall lud sich die parasitare Kapazit t im Eingangskreis des Verst rkers auf Spitzenspannung auf und der Sensor lieferte mehrere Millisekunden lang Vollausschlag bis die Kapazit t wieder entladen war Mit Einf h rung der 3D DSP Einheit kam zus tzlich eine neue Betriebsart hinzu eine M glichkeit zur Einzelpunktantastung In diesem schaltenden Betrieb ist der Sensor nur kurzzeitig in seinem Arbeitspunkt er wird an das Werkst ck angen hert bis er seinen Schwellwert erreicht und eine oder mehrere Koordinaten gespeichert werden Dies kann auch ohne R ckgriff auf eine Positionsregelung ber den Sensor erfolgen Insbesondere bei Werkst cken mit Abmessun gen im Millimeterbereich wie sie bei der Implementation des Rotationsprototyps vorkommen erlaubt diese Betriebsart einen signifikanten Zeitgewinn gegen ber einer scannenden Mes sung Anstatt durch Scanning auf eine geringe Scangeschwindigkeit wie z B 1 um s be grenzt zu sein kann bei Einzelpunktantastung der Wechsel zum n chsten Punkt mit hoher Geschwindigkeit z B 1 mm s erfolgen bei frei w hlbarem Punktabstand Der Vorteil von Scanning zeigt sich hingegen bei hoher lateraler Punktdichte von wenigen Nanometern 6 4 Ablaufsteuerung Zur vollst ndigen Integration von Drehachsen Sensor und Nanokoordinatenmessger t galt es noch diese ein
205. wendung in der Formpr fung von Oberfl chen beispielsweise Linsen und bei der Ermittlung von Oberfl chenkenngr en wie Rauheit oder Welligkeit nach DIN EN ISO 4287 2012 DIN EN ISO 13565 1 1998 und STOUT 1993 F r letztere Aufga ben sind mikrotaktile Systeme aufgrund ihrer Tastelementgr en nur eingeschr nkt geeig net Zu ber cksichtigender Aspekt insbesondere gegen ber mikrotaktilen Systemen ist die Eindimensionalit t der Richtungserfassung Im Gegensatz zu den dreidimensionalen Kraft sensoren von Tastsystemen kann die Auslenkung nur in einer Richtung erfasst werden In Verbindung mit einem Vorschubgerat zum Scanning ergibt sich somit nur ein 2 5D System Aufgrund dieser Tatsache wird ein fester Referenzantastpunkt an der Front der Kr mmung angenommen und eine seitliche Antastung kann nicht von einer regul ren unterschieden werden Bild 8 Ein Verlassen des Referenzpunktes f hrt daher zu einer Abweichung von der tats chlichen Oberfl che die bei einem Kontakt im sph rischen Bereich nach 5 berechnet werden kann Bei starker seitlicher Antastung unter Verlassen der sph rischen Front nimmt die Abweichung zudem stark zu Auf diese morphologische Filterung wird in DIN EN ISO 25178 601 2011 hingewiesen Gerade bei hohen Aspektverh ltnissen und einem Flanken kontakt steigen die auf Werkst ck und Spitze wirkenden Kr fte stark an und die Gefahr der Besch digung steigt Stand der Technik Seite 11 von 106 zu messender P
206. xialen Schirmung Dies senkt die Unsicherheit bei der Kalibrierung der Rotationsachsen weiter Weiterf hrende Ar beiten im Ausblick w re die Kombination des Rotationsprinzips mit einer computergest tzten Korrektur der Tastelementform um die H ufigkeit einer Winkelnachstellung zu reduzieren Zudem k nnen die Strategien Anforderungen von Rauheitsmessung ber cksichtigen wie z B unterbrechungsfreie Teilstrecken Des Weiteren kann die Simulationsumgebung auf die simulierte Messung von 3D Fl chen erg nzt werden um die bestehenden M glichkeiten der Rotationskinematik voll auszunutzen In diesem Schritt kann der Simulatorkern unter Ver wendung von Ans tzen die bei Simulation von 5 Achs Bearbeitungszentren zum Einsatz kommen aktualisiert werden Ans tze zur bertragung des Prinzips resultieren aus der durch Rotation gewonnenen 3D F higkeit 1D Sensoren mit hoher lateraler Aufl sung treten in Verbindung mit dem Verfah ren bei geeigneter Ansteuerung in direkte Konkurrenz zu den heute verf gbaren 3D Sensoren den mikrotaktilen Tastsystemen Auch eine Kombination des Rotationsprinzips mit mikrotaktilen Systemen bringt Vorteile durch die geschaffene Zug nglichkeit von Hinter schneidungen und die Messung in Mikrol chern Neben einer weiteren Optimierung des Prinzips erscheint die bertragung auf weitere Sensoren mit anderen Wirkungsprinzipien nur eine logische Konsequenz wie z B optische Punkt und Fl chensensoren und Rasterson denverfah
207. zeln funktionsf higen Komponenten in eine gemeinsame Ablaufsteuerung zu bringen Auch die NMM 1 wird ber USB angesteuert und bietet mehrere Varianten Kommandos entgegenzunehmen Die leistungsf higste Variante besteht in einer mitgeliefer ten Toolbox mit der Ger tekommandos direkt in Matlab aufrufbar sind Durch diesen ge meinsamen Nenner wurde die bergeordnete Ablaufsteuerung in MATLAB realisiert Die Ablaufsteuerung f hrt insbesondere folgende Funktionen aus Senden von Ger tekonfigurationen Kapitel 6 3 2 Aufruf von Positionier und Messbefehlen Kapitel 6 2 1 Empfang und bergabe von Koordinaten und R ckgabewerten Koordinatentransformationen Kapitel 7 1 1 Datenspeicherung Aufruf von Strategien Kapitel 4 3 Durchf hrung und kontrollierte Beendigung sich wiederholender Vorg nge Die Ablaufsteuerung setzt im Prinzip den Simulatorkern Kapitel 4 2 in einer Hardwareum gebung um Insbesondere die Einbindung der Strategien und deren diskrete Berechnungs vorschriften sind hier zu nennen ber den Prototypen und eine Zwischenversion auf Basis einer manuellen Drehachse wurde in SCHULER U A 2012B berichtet Korrektion systematischer Abweichungen der Rotationskinematik Seite 73 von 106 7 Korrektion systematischer Abweichungen der Rotationskinematik Zur Steigerung der Genauigkeit der Rotationskinematik sollen die auftretenden Positionsab weichungen reduziert werden Die Abweichungen lassen sich generell in erf

Dokument_4.

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