SensMiLi
Wegmess-System für Miniatur-Linearmotoren
Daniel Wibbing
Festo AG & Co. KG
Universität Stuttgart, IKFF
17.12.2012
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Inhalt
1. Motivation & Anforderungen
2. Mess-Prinzip
3. Demonstrator
4. Mess-Ergebnisse
5. Bewertung
6. Ausblick
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1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
1.1 Anwendungsbereich von Mini...
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1 µm 300 µsabsolutø16 mm50 mm 1 µm <1/3 Antriebs-
System
0 … 80 °C
1.2 Anforderungen
1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. De...
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2.1 Optisch Abbildende Wegmess-Systeme
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2.3 Prinzip: Codierung von absoluten Positionsinformation durch Beugungsmuster
Sensor-Ebene
+1. Beugungs-Ordnungen
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2.4 Unerforschte Potentiale
 Einfacher integrierbare Optik?
 Schnellere Positionserfassung?
 Effizientere Codierung?
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2.5 Steigerung der Code-Effizienz η
Frage: Mit welchem qn können ≥ 10 000 Code-Wörter erzeugt werden?
je größer desto be...
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2.6 Problem: Verlust der Information über die Anordnung der Gitter
1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mes...
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2.7 Lösung: Zyklische Codierung der Gitter-Positionen
1223 2 0 2Codewort:
1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator...
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2.8 Erhöhung der Positions-Auflösung in den Sub-Gitter-Bereich
0-5-10-15 5 10 15
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Grob-Posit...
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3.1 System-Aufbau
Demonstrator mit Bildsensor (1280x1024 px) 12 mm
Bildsensor
Spiegel
Kugellinse
Laserdiode
Führungssch...
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3.3 Maßstäbe
3.3.1 FIB-Maßstab [LFW, Uni Saarland]
Idee
• Keine Verbindungs-Technik. Keine Delamination.
• Identische T...
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3.3 Maßstäbe
3.3.2 Kunststoff Maßstab [HSG-IMAT, Uni Stuttgart]
Idee
• Serientauglich mit geringe Herstellungskosten.
•...
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3.2 Beugungsmuster bei Bewegung
1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausbli...
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4.1 Festo Prüfstand zur Qualifizierung von Wegmess-Systemen (PQW)
Referenz-Mess-System:
Laserinterferometer
Schrittmoto...
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Kenngrößen FIB-Maßstab Kunststoff-Maßstab Anforderung
-
Linearität [µm] 8,12 3,77 1,00
Mikrolinearität [µm] 4,87 2,90 -...
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Kenngrößen FIB-Maßstab Kunststoff-Maßstab
28,33 µm 23,02 µm -
Roll-Toleranz ±0,20° ±0,50°
Nick-Toleranz ±0,57° ±0,50°
G...
20
Gegenüber Anforderungen
 Genauigkeit hoch aber noch nicht ausreichend.
 Temperatur-Dehnungsfehler zu berücksichtigen....
21
6.2 Verbesserungs-Möglichkeiten
1. Maßstab-Qualität
2. Ovale oder rechteckige Beleuchtung.
3. Linearer Intensitätsverla...
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  1. 1. SensMiLi Wegmess-System für Miniatur-Linearmotoren Daniel Wibbing Festo AG & Co. KG Universität Stuttgart, IKFF 17.12.2012
  2. 2. 2 Inhalt 1. Motivation & Anforderungen 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick http://www.dansdata.com/images/blog/diffraction/halogen1280.jpg Inhalt 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  3. 3. 3 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick 1.1 Anwendungsbereich von Miniatur Linearmotoren:  Schlüssel-Technologie zur Erhöhung der Durchsatz-Raten (> 200 m/s2 ).  Anwendung in reinen Umgebungen:  Halbleiter-Industrie  Bio- und Medizintechnik  Electric- and Light Assembly (ELA)  Noch kein Wegmess-System auf dem Markt verfügbar, dass Anforderungen an Integration und Leistungsfähigkeit genügt.
  4. 4. 4 1 µm 300 µsabsolutø16 mm50 mm 1 µm <1/3 Antriebs- System 0 … 80 °C 1.2 Anforderungen 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  5. 5. 5 2.1 Optisch Abbildende Wegmess-Systeme  Binär codierte Abfolge reflektierender und nicht reflektierende Striche. (binäre Pseudo-Zufalls-Sequenz)  Gleichzeitige Beleuchtung einer bestimmten Anzahl von Strichen (Codewort).  Abbildung des Strichmusters auf Kamerachip.  Bilderkennung und Positionsberechnung. Strichfolge für grobe Absolutposition. Zwischenstrich-Position für feine Inkrementalposition. Quelle: www.renishaw.com 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick 1110011001 ► 230,000 µm ► + 5,739 µm = 235,739 µm  höchste Genauigkeit  kleiner Bauraum  verschmutzungsempfindlich
  6. 6. 6 α Δx α β+1 Δy g Laserstrahl Wellenlänge λ Gitter β+1 +3. Ordnung g +2. Ordnung +1. Ordnung 0. Ordnung -1. Ordnung -2. Ordnung -3. Ordnung m. Beugungsordnungen: x y 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick 2.2 Grundlage: Beugung von Licht an optischen Gittern βm =arcsin( m⋅λ g )
  7. 7. 7 2.3 Prinzip: Codierung von absoluten Positionsinformation durch Beugungsmuster Sensor-Ebene +1. Beugungs-Ordnungen Laserstrahl Maßstab 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  8. 8. 8 2.4 Unerforschte Potentiale  Einfacher integrierbare Optik?  Schnellere Positionserfassung?  Effizientere Codierung?  Robuster gegen Defokus-Toleranzen? Laserdiode Sensor-Matrix Linse Maßstab Kolbenstange 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  9. 9. 9 2.5 Steigerung der Code-Effizienz η Frage: Mit welchem qn können ≥ 10 000 Code-Wörter erzeugt werden? je größer desto besser je kleiner desto besser 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick 2^14 3^9 4^7 5^6 7^5 8^5 9^5 11^4 13^4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 q^n Code-Effizienz AnzahlSensor-Elemente η = Codeworte Sensorelemente = qn q⋅(n+2)
  10. 10. 10 2.6 Problem: Verlust der Information über die Anordnung der Gitter 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  11. 11. 11 2.7 Lösung: Zyklische Codierung der Gitter-Positionen 1223 2 0 2Codewort: 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  12. 12. 12 2.8 Erhöhung der Positions-Auflösung in den Sub-Gitter-Bereich 0-5-10-15 5 10 15 0 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Grob-Position + Δ = Fein-Position Simulation des Beugungsmuster mit Matlabx [µm] I(x) 0-5-10-15 5 10 15 Δ x [µm]-20 20 I(x) 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  13. 13. 13 3.1 System-Aufbau Demonstrator mit Bildsensor (1280x1024 px) 12 mm Bildsensor Spiegel Kugellinse Laserdiode Führungsschiene 0,2132,0010,33 12,54 8 µm 55 µm 3.2 Beleuchtung 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  14. 14. 14 3.3 Maßstäbe 3.3.1 FIB-Maßstab [LFW, Uni Saarland] Idee • Keine Verbindungs-Technik. Keine Delamination. • Identische Temperatur-Dehnung von Kolbenstange und Maßstab. Einfache Dehnungs-Kompensation. Führungsschiene Material: X5CrNi18-10 Wärmeausdehnung: ΔL = 16 ∙ 10-6 °C-1 ∙ 50 mm ∙ 40 °K ≈ 32 µm Maßstab Verfahren: Ionenstrahl-Schreiber (Focused Ion Beam, FIB) Gallium Ionen sprengen Stahlatome heraus. Strom: 6,5 nA Schreibdauer: 70 h 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick 10 µm 50 mm
  15. 15. 15 3.3 Maßstäbe 3.3.2 Kunststoff Maßstab [HSG-IMAT, Uni Stuttgart] Idee • Serientauglich mit geringe Herstellungskosten. • Einfachere Strukturierbarkeit des Materials. • Elastisches Material, dass sich Dehnung des Trägers anpasst. Führungsschiene Material: X210CrW12 Wärmeausdehnung: ΔL = 10,9 ∙ 10-6 °C-1 ∙ 50 mm ∙ 40 °K ≈ 22 µm Maßstab Material: TPE Vestamid E40-S3 nf E-Modul: 80 N/mm2 Reflexions-Schicht: Physical Vapor Deposition, Cr (30 nm), Au (58 nm) 5 µm 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick 50 mm 0,5 mm 50 mm
  16. 16. 16 3.2 Beugungsmuster bei Bewegung 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  17. 17. 17 4.1 Festo Prüfstand zur Qualifizierung von Wegmess-Systemen (PQW) Referenz-Mess-System: Laserinterferometer Schrittmotor Demonstrator SensMiLi Mess-Schlitten Potentiometer für PQW-Betrieb Infrarot- Kamera Spiegel Spindel-Abtrieb SpiegelLaserinterferometer: Zweifrequenz-Laserwegmess-System ZLM 700 Jenaer Messtechnik GmbH He-Ne-Laser: 632,8 nm Wellenlänge Auflösung: 2,5 nm Linearität: ±1,25 nm 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick Demonstrator
  18. 18. 18 Kenngrößen FIB-Maßstab Kunststoff-Maßstab Anforderung - Linearität [µm] 8,12 3,77 1,00 Mikrolinearität [µm] 4,87 2,90 - Wiederholgenauigkeit [µm] 3,90 2,59 1,00 „Hysterese“ [µm] -1,33 ±2,12 -4,39 ±2,06 - Auflösung [µm] < 1,00 - Rauschen [µm] Mittelwert ±Std.abw. Extremwert 0,59 ±0,70 4,40 0,56 ±0,44 1,52 4.2 Statische Kennwerte 4.2.1 Übersicht 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  19. 19. 19 Kenngrößen FIB-Maßstab Kunststoff-Maßstab 28,33 µm 23,02 µm - Roll-Toleranz ±0,20° ±0,50° Nick-Toleranz ±0,57° ±0,50° Gier-Toleranz ±0,50° ±0,50° z-Toleranz ±0,15 mm ±0,15 mm Defokus-Toleranz ±1,00 mm - RESOLUTETM max. Temperaturdrift bei Tmittel = 44 °C 4.3 Mechanische Toleranzen 4.3.1 Übersicht 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick Maßstab Laser Sensormatrix ΔL ΔT Δz Δx +1. Beugungsordnungen
  20. 20. 20 Gegenüber Anforderungen  Genauigkeit hoch aber noch nicht ausreichend.  Temperatur-Dehnungsfehler zu berücksichtigen.  Alle anderen Anforderungen erfüllbar. Gegenüber abbildender Optik  Einfachere Integration in den Motor.  einfache Sensor-Architektur.  schmaler, einspuriger Maßstab.  direkte Strukturierung der Kolbenstange als Maßstab.  Effizientere q-näre Codierung  erstmals Codierung von PZS mit Beugungsgittern!  geringere Kosten für Optik und Sensorik.  Schnellere Positionserfassung.  durch geringe Anzahl parallel prozessierbarer Photo-Dioden,  durch einfachen Decodierungs-Algorithmus,  für bessere Bewegungs-Regelung. 10 6 1,3 SensMiLi diffraktive Optik Renishaw abbildende Optik 36 17 16,4 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick
  21. 21. 21 6.2 Verbesserungs-Möglichkeiten 1. Maßstab-Qualität 2. Ovale oder rechteckige Beleuchtung. 3. Linearer Intensitätsverlauf der Beleuchtung. 4. Schutzschicht & Schmutzabstreifer auf Maßstab-Oberfläche. 5. Positions-Decodierung an zwei definiert beabstandeten Positionen. 6.1 Nächste Schritte  Maßstab-Technologie serientauglich  Sensorkopf als OptoASIC  Sensormatrix  Analog-Digital-Wandlung  Aufbau- und Verbindungstechnik 1. Motivation 2. Mess-Prinzip 3. Demonstrator 4. Mess-Ergebnisse 5. Bewertung 6. Ausblick Photodioden-Matrix Laserdiode Kugellinse Schutzglas Maßstab 10 6 1,3 ca. 7

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