Wozu man genauer als nanometergenau arbeiten muss

Technische Produkte wie Smartphones oder Medizingeräte werden immer weiter miniaturisiert. In vielen Industriebereichen wächst daher der Bedarf an Präzisionsmaschinen, um kleinste Strukturen und Objekte hochgenau zu vermessen und zu bearbeiten. Diese Maschinen können Objekte nicht nur in kürzester Zeit auf den Nanometer genau und perspektivisch noch genauer positionieren. Sie können das auch in vergleichsweise großen Arbeitsbereichen von mehreren hundert Millimetern. Übersetzt in andere Dimensionen könnte man in Peru in eine Rakete steigen, die Zielkoordinaten des Parkplatzes am IMMS eingeben, losfliegen und schnell und sicher die anvisierte Parklücke treffen, solange sie bloß 60 cm breiter ist als die Rakete.

Neuartiges Regelungskonzept für hochdynamische Mehrkoordinaten-Direktantriebssysteme

So ein genaues Arbeiten erlauben hochdynamische Mehrkoordinaten-Direktantriebssysteme, wie sie im IMMS entwickelt werden. Diese Systeme werden dabei in einem geschlossenen Regelkreis betrieben. Hierfür berechnet ein komplexer Regelalgorithmus aus Messdaten zum Ist-Zustand des Positionierschlittens neue Sollwerte für die Antriebe.

Das neuentwickelte Regelkonzept mit erweitertem dynamischem Beobachter ermöglicht eine sehr effektive Kompensation von Störgrößen. Es erhöht somit die Antriebspräzision im dynamischen Betrieb deutlich.

Im Einzelnen müssen Störkräfte mit diesem neuen Ansatz nicht genau gemessen werden, um kompensiert werden zu können. Zudem passt sich die Regelung adaptiv an langfristige Veränderungen der Störungen an.

Neuer Störungsschätzer ermöglicht Kompensation von Störungen

Das neuartige Regelkonzept wurde für ein nanometerpräzises Antriebssystem mit drei Antriebs- und Führungselementen entwickelt. Diese Elemente erzeugen ähnlich einem Tripod vertikale Bewegungen sowie Kippungen um die horizontalen Raumachsen. Jedes dieser drei Elemente enthält neben der aerostatischen Führung zwei parallel wirkende Aktoren, die eine Vertikalkraft auf das bewegte Teil erzeugen und übertragen. Diese miteinander verkoppelten Einzelachsen werden dabei jeweils mit Einzelachsreglern mit den genannten Eigenschaften realisiert, was die Systemkomplexität senkt.

Das Neue im Regelkonzept ist der Störungsschätzer, welcher die das System störenden Kräfte und Momente in Echtzeit abschätzt. Basis für diese Schätzung sind speziell designte Modelle sowieso Messungen kurz vor der tatsächlichen Aktuierung. Mit diesen geschätzten Störungen können über den Regler die tatsächlich wirkenden Störkräfte kompensiert werden. Damit kann einem Übersprechen zwischen den Achsen und Fehlern entgegengewirkt und Störeinflüsse aus der Umgebung sowie aus dem Systeminneren entgegengewirkt werden.

Deutsches Patent: DE 10 2023 118 056 B3, IP verfügbar, Patentanmelder/-inhaber: IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH), Erfinder: Alex Smith Huaman Loayza.

Förderung:

Das Graduiertenkolleg 2182 „Spitzen- und laserbasierte 3D-Nanofabrikation in ausgedehnten makroskopischen Arbeitsbereichen“ (NanoFab) wird unter dem Förderkennzeichen DFG GRK 2182 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
https://www.imms.de/nanofab

Über das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH)

Das IMMS ist Gründungsmitglied der ELMUG eG und unterstützt Unternehmen, international erfolgreiche Innovationen für Gesundheit, Umwelt und Industrie auf den Weg zu bringen und begleitet sie von der Machbarkeitsstudie bis zur Serienreife. Es bringt Unternehmen mit anwendungsorientierter Forschung und Entwicklung in der Mikroelektronik, Systemtechnik und Mechatronik voran und transferiert Ergebnisse der Grundlagenforschung in Anwendungen. Am IMMS werden jährlich bis zu 30 Studentinnen und Studenten betreut und mit fundiertem Methodenwissen sowie über die Einbindung in die Praxis für einen Berufsstart in der Industrie und der anwendungsnahen Forschung befähigt. Auch auf diesem Weg stärkt das Institut die Betriebe in der Region. Das IMMS wurde 1995 als ein landeseigenes Unternehmen des Freistaats Thüringen gegründet und ist ein An-Institut der TU Ilmenau. Es arbeitet mit einem Team aus rund 90 Personen am Hauptsitz in Ilmenau und im Institutsteil in Erfurt. https://www.imms.de/