1. SensMiLi
Wegmess-System für Miniatur-Linearmotoren
Daniel Wibbing
Festo AG & Co. KG
Universität Stuttgart, IKFF
17.12.2012

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
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
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
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
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1110011001 ► 230,000 µm
► + 5,739 µm
= 235,739 µm
 höchste Genauigkeit
 kleiner Bauraum
 verschmutzungsempfindlich

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
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2.2 Grundlage: Beugung von Licht an optischen Gittern
βm
=arcsin(
m⋅λ
g
)

7. 7
2.3 Prinzip: Codierung von absoluten Positionsinformation durch Beugungsmuster
Sensor-Ebene
+1. Beugungs-Ordnungen
Laserstrahl
Maßstab
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8. 8
2.4 Unerforschte Potentiale
 Einfacher integrierbare Optik?
 Schnellere Positionserfassung?
 Effizientere Codierung?
 Robuster gegen Defokus-Toleranzen?
Laserdiode
Sensor-Matrix
Linse
Maßstab
Kolbenstange
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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 besser je kleiner desto besser
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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
2.6 Problem: Verlust der Information über die Anordnung der Gitter
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2.7 Lösung: Zyklische Codierung der Gitter-Positionen
1223 2 0 2Codewort:
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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)
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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
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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
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10 µm
50 mm

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
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50 mm
0,5 mm
50 mm

16. 16
3.2 Beugungsmuster bei Bewegung
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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
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Demonstrator

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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
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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°
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

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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
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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