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Hexapod sorgt beim Asphären-Messen für hohe Positioniergenauigkeit

Messtechnik
Hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit

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Für ein neues berührungsloses Verfahren, mit dem sich Optiken, insbesondere Asphären präzise, schnell, flexibel und direkt in der Produktionslinie messen lassen, setzt Mahr Hexapoden ein. Diese können mit ganz unterschiedlichen Stellwegen die verschiedensten Lasten auf den Mikrometer oder sogar Nanometer genau positionieren.

„Im Gegensatz zu bestehenden Systemen, die eine Messzeit von mehreren Minuten benötigen, ermöglicht das Maropto TWI 60 die Vermessung gesamter Oberflächen in 20 bis 30 Sekunden“, erklärt Dr. Jürgen Schweizer, Produktmanager bei Mahr. Bereits während der Auswertung eines Prüflings, die typischerweise etwa 2 min dauert, kann der nächste Prüfling vermessen werden. Neben der geringen Vermessungsdauer punktet das System zudem durch Flexibilität. Vermessen werden können nicht nur Asphären, sondern auch andere Optiken mit von den Standardformen abweichenden Geometrien, sogenannte Freiformen. Dabei ist das System so robust, dass es direkt in der Fertigung aufgebaut werden kann.

Das Messsystem von Mahr arbeitet ähnlich wie ein „normales“ Interferometer, erfasst jedoch den Prüfling optisch nicht „auf einmal“ vollständig in einem Bild, sondern in vielen Subaperturen, die zu verschiedenen Zeiten aktiv sind. Die Erfassung des Prüflings „auf einmal“ würde bei Asphären und Freiformoptiken mit ihren relativ steilen Oberflächen nämlich ein Ineinanderlaufen der Interferenzmuster verursachen, welches anschließend nicht mehr aufgelöst werden könnte. Werden die einzelnen Subaperturen nun geometrisch verteilt aktiv geschaltet, treffen unterschiedlich gekippte Wellenfronten auf die Prüfoptik und zwar so, dass sich die entstehenden Interferenzmuster nicht überlappen. So erhält man letztlich von jeder Subapertur ein ungestörtes Interferenzmuster eines lokalen Teiles der Prüflingsoberfläche. Anschließend werden die einzelnen Interferenzmuster zu einem Gesamtmuster zusammengerechnet. Dieses repräsentiert die Oberfläche des (asphärischen) Prüflings und kann entsprechend ausgewertet werden.

Kalibrierung für jede Subapertur

Wie jedes Messgerät muss auch das Maropto TWI referenziert und kalibriert werden. Dazu wird eine hochgenau gefertigte Kugel bekannter Geometrie für jede Subapertur an eine Vielzahl von Positionen im Messvolumen gefahren und deren Oberfläche mit der jeweiligen Subapertur gemessen. Schließlich werden die individuellen Messungen ausgewertet, und für jede Subapertur wird ein Korrekturalgorithmus erstellt. „Da sich laterale Positionsfehler der Kalibrierkugel im Korrekturalgorithmus der jeweiligen Subapertur auswirken, muss die Kalibrierkugel präzise im Raum positioniert werden und ihre Position muss während der Messung stabil gehalten werden“, betont Schweizer. „Dieser Kalibrierprozess muss das Messvolumen abdecken und wird daher an sehr vielen Positionen im Messvolumen durchgeführt. Da jeder Kalibrierfehler in den späteren Messprozess eingeht, muss jede einzelne Position sehr exakt angefahren werden.“ Gefordert ist ein maximaler lateraler Positionierfehler von 5 µm bei einer Wiederholgenauigkeit von weniger als 0,5 µm. Um die hohen Anforderungen an den Positioniermechanismus im Messgerät sicherzustellen, hat sich Mahr für den Hexapod H-824 von Physik Instrumente (PI) entschieden. Beim eigentlichen Messvorgang muss dieser dann auch den Prüfling in fünf Freiheitsgraden stabil positionieren. Hierbei müssen Soll- und Ist-Position sehr genau übereinstimmen. So dürfen zum Beispiel Abweichungen bei der Kippung 60 µrad nicht überschreiten.

Dieser Anforderung wird der Hexapod mehr als gerecht. Er eignet sich für Stellwege bis ±22,5 mm entlang der translatorischen Achsen XY und bis ±12,5 mm in Z.. Die Aktorauflösung beträgt 7 nm. Die kleinste Schrittweite liegt bei 0,3 μm in Richtung der X-, Y- und Z-Achse, bei einer Wiederholgenauigkeit bis ±0,1 μm beziehungsweise ±2 μrad über den gesamten Stellweg.

Gegenüber seriellen Kinematiken haben Parallelkinematik-Systemen, zu denen die Hexapoden zählen, einige Vorteile: In einem seriellkinematischen Mehrachsensystem ist jeder Aktor genau einem Bewegungsfreiheitsgrad zugeordnet. Werden Positionssensoren integriert, sind diese ebenfalls jeweils einem Antrieb zugeordnet und messen nur die Bewegung in dem Freiheitsgrad der entsprechenden Stellachse. Alle unerwünschten Bewegungen in den anderen Freiheitsgraden, die zum Beispiel durch Führungsfehler der einzelnen Achsen entstehen, können nicht erkannt und ausgeregelt werden. Da bei Hexapoden alle sechs Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform wirken, können sich keine Führungsfehler addieren. Zu der präziseren Bewegung kommt die geringere bewegte Masse, da nur die Plattform bewegt wird. Daraus ergibt sich eine höhere Dynamik, eine deutlich bessere Bahntreue sowie Wiederhol- und Ablaufgenauigkeit für alle Bewegungsachsen. Weil es keine geschleppten Kabel gibt, ist die Präzision nicht durch Reibung oder Momente eingeschränkt. Außerdem bauen die Hexapoden sehr kompakt. ■

Mahr GmbH
Carl-Mahr-Str. 1
37073 Göttingen
Tel. +4955170730
www.mahr.com

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Auf der Römerstr. 1
76228 Karlsruhe
Tel. +4972148460
www.pi.de


Die Autorinnen

Doris Knauer
Markt & Produkte
Physik Instrumente (PI)

www.pi.de

Ellen-Christine Reiff
Redaktionsbüro
Stutensee


Webhinweis

Ein Video von Mahr zum Maropto TWI 60 mit dem Hexapod von PI sehen Sie hier: http://hier.pro/jt8ZA

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