Ein holistisches Konzept zur Entwicklung einer innovativen, umfassenden und multisensoriellen Steuerung für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen

Sparrer, Erik

The present work is a contribution to link the well-established nano-metrological sensor-actuator solutions with interaction concepts from the field of macroscopic coordinate metrology. Many aspects of both disciplines have methodological analogies and suggest the synergetic use of individual approaches of the macroscopic coordinate metrology for nano-metrological applications. Through the use of synergies the control of nano-positioning and nano-measuring machines is abstracted, whereby novel and pioneering operating concepts are created. In particular, the research work focuses on the question of whether and how the well-evolved controlling approaches for macroscopic dimensional measuring systems can be utilized with functionally similar, nano-metrology systems like nano-positioning and nano-measuring machines based on the generally accepted control interface Inspection plus plus for Dimensional Measurement Equipment (I ++ DME).The basic control concepts and procedures for measurement with macroscopic or nano-metrology systems are discussed. In particular, the importance and function of the control interface I++DME as well as an extension for optical sensors, the Optical Sensor Interface Standard (OSIS), are treated. Profound analyzes examine the suitability of the interfaces for the operation of nano-positioning and nano-measuring machine at the functional and information technological level. Up on these findings an adaptive, multi-layer interface concept for a control software is designed, covering nano-positioning and nano-measuring machines, additional metrological equipment, as well as tactile and optical sensors. All aspects regarding the integration of sub-systems are comprehensive analyzed and integrated into the modular solution concept. The resulting innovative holistic approach to transparently control nano-metrology multi-sensor measurements with nano-positioning and nano-measuring machines is gradually expanded in the course of the work and integrated into a functional demonstrator.The run-time behavior and metrological properties of the resulting interface software are extensively analyzed and evaluated with metrological experiments. As interoperability and universality to user software are central aspects of the implementation, the successful abstraction of a nano-positioning and nano-measuring machine as a generic metrology system is demonstrated with various commercial control programs for macroscopic coordinate measuring machines by means of the demonstrator. At last experimentally gained insight on the utilization workflow and the suitability of the control programs are summarized and discussed in a separate section.

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Verknüpfung von etablierten Sensor-Aktor-Lösungen der Nanometrologie mit Interaktionskonzepten aus dem Gebiet der makroskopischen Koordinatenmesstechnik. Viele Teilaspekte beider Disziplinen weisen methodische Analogien auf und legen die synergetische Nutzung einzelner Ansätze der Koodinatenmesstechnik im Rahmen nanometrologischer Anwendungen nahe. Durch eine mehrschichtige Abstraktion wird die transparente Steuerung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen ermöglicht, wodurch neuartige und zukunftsweisende Bedienkonzepte für die Nanometrologie entstehen. Insbesondere soll die Frage beantwortet werden, ob und wie die Ansätze zur Steuerung makroskopischer Messsysteme für die Nutzung mit dem funktionell ähnlichen, nanometrologischen System Nanopositionier- und Nanomessmaschinen auf Basis der allgemein anerkannten Steuerungsschnittstelle Inspection plus plus for Dimensional Measurement Equipment (I++DME) ermöglicht werden können.Die grundlegenden Steuerungsansätze und Verfahrensweisen zur Steuerung bzw. Messung von und mit makroskopischen bzw. nanometrologischen Systemen werden vorgestellt und erörtert. Insbesondere werden dabei die Bedeutung und Funktion der Steuerungsschnittstelle I++DME sowie einer Erweiterung für optische Sensoren, der Optical Sensor Interface Standard (OSIS), behandelt. Anschließend wird die Eignung der Schnittstellen für den Betrieb von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen umfassend auf funktionaler und informationstechnischer Ebene untersucht. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird ein frei skalierbares, auf mehrstufige Schnittstellenschichten gestütztes Konzept für eine Steuerungssoftware für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen, zusätzliche messtechnische Apparaturen sowie taktile und optische Sensoren entworfen. Alle Aspekte zur Integration von Teilsystemen werden umfassend analysiert und modular in das Lösungskonzept eingebunden. Das so entstandene innovative holistische Konzept zur transparenten Steuerung von nanometrologischen multisensoriellen Messungen mit Nanopositionier- und Nanomessmaschinen wird im weiteren Verlauf der Arbeit sukzessive ausgebaut und zu einem funktionstüchtigen Demonstrator integriert.Mit umfangreichen Analysen werden das Laufzeitverhalten, sowie die messtechnischen Eigenschaften der entstandenen Schnittstellensoftware ermittelt und mit metrologischen Experimenten bewertet. Einen zentralen Aspekt stellt die Interoperabilität und Unabhängigkeit der implementierten Steuerung von Anwendersoftware dar. Zur Demonstration der erfolgreichen Abstraktion des Systems Nanopositionier- und Nanomessmaschine als generisches Messsystem, werden verschiedene kommerzielle Steuerungsprogramme für makroskopische Koordinatenmessgeräte mit dem Demonstrator erprobt. Die im Verlauf dieser Experimente gewonnenen Erkenntnisse über den Arbeitsablauf zum Durchführen einer Messung und die Eignung der Programme für nanometrologische Anwendungen werden abschließend zusammengefasst und diskutiert.

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Sparrer, Erik: Ein holistisches Konzept zur Entwicklung einer innovativen, umfassenden und multisensoriellen Steuerung für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. 2015.

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