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Oberflächenmesstechnik profitiert vom präzisen Positionieren

Motion Control
Oberflächenmesstechnik profitiert vom präzisen Positionieren

In der Oberflächenmesstechnik stehen ein eingeschränktes Sichtfeld des Sensors und die Größe der zu vermessenden Oberfläche stehen häufig im Widerspruch. Abhilfe verschaffen Positioniersysteme, die entweder den Sensor oder die Probe bewegen. Dabei beeinflusst die Positionier- und Ablaufgenauigkeit des Bewegungssystems die Messergebnisse.

Die meisten optischen Sensoren zur Messung der Oberflächenbeschaffenheit von Objekten verfügen lediglich über ein eingeschränktes Sichtfeld. Bei einer Oberflächenmessung außerhalb des Sichtfelds muss also entweder der Sensor oder das Objekt bewegt und positioniert werden. Es gilt, zwischen der Positionierung des Objekts und der Sensorbewegung zu unterscheiden, wobei die Positionierung selbst möglichst keinen Einfluss auf das Messergebnis haben darf. Je höher also die Sensorauflösung und Genauigkeit sind, desto präziser muss das Bewegungssystem sein. Neben der Präzision ist in vielen Anwendungen der Grad der Automatisierung eine weitere wichtige Anforderung.

Häufig wird die Oberflächenanalyse als Qualitätssicherungsprozess unmittelbar in die Produktionskette integriert. Man denke nur an die Halbleiterherstellung etwa bei der Wafer-Inspektion oder die Herstellung von Flachbildschirmen. Hier wird nach fast jedem Prozessschritt die Qualität beurteilt, wofür in der Regel eine vollautomatisierte Inprozess-Prüfung mit Objektzuführung, Messung und anschließender Weiterverarbeitung angestoßen wird.

Die Steuerung der Bewegungssysteme und die Synchronisation mit den Sensoren lassen sich allgemein unter dem Begriff Motion Control zusammenfassen. Das heißt, es geht um präzise Positionierung auf der einen und Motion Control auf der anderen Seite. Für die automatisierte Oberflächenmesstechnik, die einen hohen Durchsatz und maximale Genauigkeit erfordert, bietet Aerotech passgenaue Lösungen wie Linear- und Rotationstische sowie Steuerungen mit positionssynchronem Trigger des Sensors.

So handelt es sich bei der Surface Measurement Motion Platform SMP im Wesentlichen um eine Komposition verschiedener Rotations- und Linearversteller – allerdings in sehr kompakter, platzsparender Bauform. Das Positioniersystem eignet sich dabei besonders für die optische Vermessung von sphärischen und asphärischen sowie zylindrischen Oberflächen. Kernstück ist ein luftgelagerter Präzisionsrotationstisch, auf dem das Messobjekt entweder über ein Vakuum-Chuck oder eine Klemmvorrichtung befestigt wird. Der Sensor selbst kann in Y- und Z-Richtung linear justiert werden und zusätzlich mit einer weiteren Drehachse so gekippt werden, dass er immer senkrecht zur Tangentialebene des Messobjektes ausgerichtet ist. Über die Steuerungssoftware lassen sich verschiedene Oberflächensensoren einbinden. Der Controller verfügt hierfür sowohl über digitale als auch analoge Eingänge. Durch die Auswahl der Versteller lassen sich Oberflächen bis in den Submikrometerbereich messen. Besonders hilfreich ist das bei der präzisen Messung optischer Komponenten in Anwendungsbereichen von Spiegel- oder Linsenoptiken.

Hochleistungs-Rotationsachsen für Messungen im Nanometerbereich

Die neue Baureihe ABRX umfasst Drehtische mit luftgelagerten Rotationsachsen, die je nach Objektgröße und Belastbarkeit in drei Durchmessern zu 100, 150 oder 250 mm erhältlich sind. Der Rotationstisch wird direkt betrieben und kann dadurch Rotationsgeschwindigkeiten von bis zu 300 rpm erreichen.

Eine Besonderheit sind die Luftlager zur Minimierung von radialen und axialen Fehlern, die in einem Bereich von weniger als 25 nm liegen. Die Fehler lassen sich dabei in synchrone und asynchrone Fehler unterscheiden: Synchron sind die Fehler, die periodisch mit der Achsdrehung auftreten. Werksseitig hat Aerotech die Möglichkeit, die Abweichung zu vermessen, abzuspeichern und dann über eine Z-Achse in axialer Richtung oder X-Achse in radialer Richtung zu kompensieren beziehungsweise die Messwerte entsprechend zu korrigieren. Asynchrone Fehler sind hingegen mehr als Positionsrauschen zu betrachten und können nicht ohne weiteres kompensiert werden. Durch die Kompensation der Synchronfehler lassen sich die radialen und axialen Fehler allerdings deutlich unter 10 nm herabsenken. So eignet sich die ABRX-Baureihe besonders für Oberflächenvermessung im Nanometerbereich und natürlich auch als Erweiterung für die SMP-Messplattform.

Deutlich leichtere Steuerung von Positioniersystemen

Mit „Automation 1“ hat Aerotech außerdem eine neue digitale Steuerungsplattform entwickelt, die Anwendern im Messtechnikumfeld ein noch höheres Optimierungspotenzial in Bezug auf schnellere Bewegungs- und Einschwingzeiten, bessere Positionsstabilität sowie erhöhte Konturgenauigkeit bietet. Hilfreich für Anwendungen im Bereich Oberflächenmesstechnik ist vor allem die Verbesserung der Servo-Rate – also die Update-Rate der Position, die von 8 kHz auf 20 kHz erhöht werden konnte. Dadurch ist eine schnellere und noch genauere Positionierung des Sensorkopfes oder des Messobjekts möglich.

Schnellere IO-Signale garantieren zudem ein nahezu verzögerungsfreies Triggern der Messzyklen. Mit dem sogenannten Position Synchronised Output (PSO) kann der Messzyklus genau dann gestartet werden, wenn die definierte Position erreicht ist. Auch lässt sich eine kontinuierliche Messung anstoßen, bei der die Messwerte mit den Positionsdaten synchronisiert werden. Daraus resultieren erhebliche Vorteile gegenüber einer zeitlichen Triggerung, da die sonst auftretenden Beschleunigungen beziehungsweise Verzögerungen vernachlässigt werden können.

Das verbesserte Signalrauschverhältnis der auf der Automation-1-Plattform befindlichen Endstufen – egal ob analog oder digital – verfügt darüber hinaus über eine deutlich verbesserte In-Position-Stabilität. Das führt wiederum zu einem geringeren Positionsrauschen, was vor allem bei Messaufgaben im Submikrometerbereich relevant wird. Hinzu kommt ein faseroptisches Interface namens Hyperwire, das eine sehr schnelle Signalübertragung auch über weite Strecken gewährleistet und als optisches Signal nicht anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen ist. Ferner vereinfacht eine neue, intuitive Bedienoberfläche die Mensch-Maschine-Interaktion deutlich.

Dem Thema „Integration von Messsystemen in Positioniersysteme“ hat Aerotech eine eigene Applikationsgruppe gewidmet. Ein Beispiel aus der Praxis ist die Integration des aktuellen Keyence 3D-Profilometers. Die Oberflächenmessung wird hierbei über ein Lichtschnittverfahren (Lasertriangulation) erreicht. So lassen sich Konturen, Unebenheiten und Rauheiten von Bauteilen mit einer Auflösung von bis zu 1 µm messen. Keyence hat hierfür ein kompaktes Tischgerät im Sortiment, das mit einem manuellen oder optional auch mit einem schrittmotorbetriebenen XY-Tisch ausgestattet ist.

Erweiterte Verstellwege
und eine größere Z-Achse

In der neuesten Version wurde der Messbereich auf 200×100×50 mm vergrößert, was aber für einige Anwendungen – schon alleine aufgrund der Belastbarkeit des Tischs – immer noch nicht ausreichte. Sowohl von Anwendern als auch von Keyence selbst kamen deshalb Anfragen, inwieweit Aerotech hier eine bessere Lösung anbieten kann – und zwar in Form von erweiterten Verstellwegen, einer größeren Z-Achse sowie einer Granitbasis mit Tischuntergestell für eine höhere Belastbarkeit.

Aerotech hat dafür auf einem stabilen Granitportal eine Z-Achse mit bis zu 300 mm Verstellweg montiert. Der Messkopf wird von einem Adapterwinkel getragen. Für die Bauteil-Justage ist ein Kreuztisch auf einer Granitbasis montiert. Die XY-Achsen werden über einen Schrittmotorcontroller, der optional für den VR5000 3D-Profilometer erhältlich ist, angesteuert. Die Höhe der Z-Achse kann manuell über ein Handrad oder per Joystick eingestellt werden.

Eine noch tiefer gehende Integration ist mit dem 3D-Laserscanning-Mikroskop VK-X1000 von Keyence gelungen. Das Laborsystem wird ebenfalls zur Höhenprofilierung und Rauheitsmessung eingesetzt, bietet aber durch die höhere Auflösung Messmöglichkeiten im Submikrometerbereich, woraus allerdings auch höhere Anforderungen an das Positioniersystem resultieren. Auch hier gab es herstellerseitige Beschränkungen in Bezug auf Verstellwege und Belastbarkeit, die mithilfe von Aerotech gelöst werden konnten.

Beliebige Stellwege, Lasten und Achskonfigurationen sind realisierbar

So lassen sich mit den Laborsystemen beliebige Stellwege, Lasten und Achskonfigurationen verwirklichen. Über einen Z-Achsensensor kann außerdem ein Kollisionsschutz implementiert werden. Das Gesamtbild der zu messenden Oberfläche wird über die Aerotech-Software Laser Microscope Automation (LMA) abgebildet. Auch die meisten anderen Funktionen lassen sich über den LMA-Screen steuern wie etwa das Bewegen und Positionieren der Achsen, der Link zum Keyence-Viewer, ein Teaching-Verfahren für Messpunkte und auch ein Stitching-Verfahren, um die Messergebnisse anschließend aneinanderzusetzen. Auf diese Weise sind mit der LMA-Software Messaufgaben voll automatisiert über beliebig große Bauteildimensionen umsetzbar.

Auch lassen sich solche Integrationsformen für komplette Prüfmaschinen realisieren. Bei einem Kundenprojekt wurde als Sensor ein Laser-Linescanner verwendet. Die Messdaten werden erfasst und über eine Software mit den CAD-Daten verglichen. Spezielle Prüfmaße lassen sich in der Auswertung direkt visualisieren. Die Lösung ist vom TÜV abgenommen und garantiert somit die Einhaltung aller Maschinenrichtlinien sowie nationaler und internationaler Sicherheitsanforderungen. So sind die Systeme von Aerotech nahtlos in die Mess- und Prüfsysteme vieler Hersteller integrierbar. ■

Aerotech GmbH
Gustav-Weißkopf-Str. 18
90768 Fürth
Tel. +499119679370
www.aerotechgmbh.de


Der Autor

Norbert Ludwig
Geschäftsführer
Aerotech

www.aerotechgmbh.de


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