Entwurf einer modularen Steuerung für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen

Frank, Sebastian GND

Abstract Nanopositioning and nanomeasuring machines (NPM machines) are tools that can make manipulation at nanometer scales possible. Despite the large operational area of the specially constructed machines (the goal is 350mm x 350mm x 50mm), it is possible to position objects with an accuracy of only a few nanometers and to measure their dimensions to a similar resolution. The possible applications are not limited to the measurement of nano-structures; for instance, it is possible to manipulate very tiny object through the application of these nano-tools. By using software developed for the NPM machines, measurement specialists will be able to use the full capabilities of the machines without having to be become software specialists themselves. This paper describes the design and implementation of a modular control system for nanopositioning and nanomeasuring machines. Fundamental to the design of the system is the development of an NPM "instruction set", implemented using XML syntax, to direct the operation of the control software of the NPM machines. The XML data set is created using a graphical user interface-based editing program developed specifically to facilitate the use of NPM machines in measurement applications. With the aid of the editor, the operator can develop comprehensive measurement programs in an intuitive and easy to use manner. To facilitate the use of the graphical editor, numerous dialogs are available to assist in providing the necessary parameters to the instructions to be executed by the NPM machines. The resultant programs based on the NPM "instruction set" are also stored in XML, and are processed by an interpreter, developed for that purpose, that controls program flow and handles exceptions. This paper also deals with the issue of network control of NPM machines. The results of extensive research into the feasibility of the implementation of distributed applications led to the development of a web-service for the remote management of the operation of NPM machines. The feasibility of remote control was proven through the development of program that allows for manual control of NPM machines. The program also demonstrated the feasibility of real-time visualization of the state of NPM machines, in particular the position of the table. For the entire subject described, the required technologies will be described in detail.

Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) sind Werkzeuge, die den Zugang zum Nanometerbereich ermöglichen. Durch die spezielle Konstruktion der Maschinen ist es möglich, auch in großen Arbeitsbereichen (Ziel: 350 x 350 x 50 mm³), Objekte mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern zu positionieren und mithilfe geeigneter Messsysteme zu vermessen. Die denkbaren Einsatzgebiete sind dabei nicht auf die Vermessung nanostrukturierter Bauteile begrenzt, sondern dringen durch die Entwicklung geeigneter Nanowerkzeuge auch in den Bereich der gezielten Bearbeitung kleinster Objekte vor. Durch den Einsatz geeigneter Programme werden die Fachleute auf dem Gebiet der Messtechnik in die Lage versetzt, die Leistungsfähigkeit der NPM-Maschine auszunutzen, ohne selbst zu Softwarespezialisten werden zu müssen. Die vorliegende Dissertation zeigt die Ergebnisse des Entwurfs einer modularen Steuerung für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. Die wichtigsten Ergebnisse der Dissertation sind zunächst der vollständige Entwurf eines NPM-Maschinenbefehlssatzes auf der Basis des Datenformates XML. Dieser spezielle Datensatz bildet die Grundlage für einen grafischen Programmeditor zur Erstellung von Messprogrammen für NPM-Maschinen. Der Bediener kann mithilfe des Editors auf grafischem Wege, unterstützt durch entsprechende Dialoge zur Parametrierung der Befehle, umfangreiche Messprogramme erstellen. Diese werden ebenfalls in Form von XML-Dateien gespeichert. Die Abarbeitung der Messprogramme wird von einem neu programmierten Interpreter realisiert. Dieser dient der Steuerung des Programmablaufes und der Überwachung von Fehlerzuständen. Ein weiterer wichtiger Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Teleservicefunktionen für NPM-Maschinen. Die Ergebnisse zahlreicher Untersuchungen zu Technologien zur Realisierung verteilter Anwendungen führten zur Entwicklung eines Webdienstes, der der Maschinendiagnose dient. An einem weiteren Beispiel in Form einer Handsteuerung für die NPM-Maschine wurden die Möglichkeiten der Fernsteuerung und die Echtzeitvisualisierung des Maschinenzustandes demonstriert. Für alle aufgeführten Gebiete werden die damit im Zusammenhang stehenden Technologien ausführlich beschrieben.

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Frank, Sebastian: Entwurf einer modularen Steuerung für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. 2007.

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