Das neue Positionierungssystem am Nanometerkomparator der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Köchert, Paul GND

Der Nanometerkomparator (NMK) ist ein nationales Normal der Bundesrepublik Deutschland zur metrologischen Weitergabe der Längeneinheit gemäß der Definition des Internationalen Einheitensystems. Er wird zur Kalibrierung von Strichmaßstäben, Photomasken und interferometrischen Messsystemen über eine Länge von bis zu 550 mm eingesetzt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Positionierungssystems für dieses Referenzsystem. Das Ziel ist eine Optimierung der Positionserfassung und eine präzisere Positionierung von Längenmaßverkörperungen im stationären und dynamischen Zustand. Bei der Konzeption des NMK wurde bereits auf die Einhaltung wesentlicher Designparadigmen im Präzisionsmaschinenbau geachtet, um minimale Messunsicherheiten zu erzielen. Um die Leistungsfähigkeit in dieser Hinsicht weiter zu erhöhen und somit steigenden Anforderungen zu entsprechen, wurden Antriebs-, Steuerungs- und Wegmesssystem weiterentwickelt und ihre Abstimmung optimiert. Das Fundament bildete die Entwicklung einer Auswerteelektronik für die interferometrischen Messsysteme am NMK, deren Auswerteverfahren an die Betriebsbedingungen am Nanometerkomparator angepasst wurde und ein Auflösungsvermögen im Sub-Pikometerbereich gewährleistete. Das bestehende Antriebssystem wurde durch einen Feintrieb ergänzt, um Störungen des Antriebssystems über eine feldkraftschlüssige Verbindung mit hoher Steifigkeit zu unterdrücken. Zur Bahnsteuerung der Achsbewegungen wurde ein dezentrales Steuerungssystem geschaffen, welches Rückkopplungsdaten von der Auswerteelektronik des im NMK integrierten Vakuum-Interferometers erhielt und mit einer Unterteilung von einem Pikometer verarbeitete. Die Lageregelung für die neu geschaffene Feintriebachse wurde mit einer iterativen Reglersynthese entworfen und führte zu einem zweistufigen Regelungskonzept. Untersuchungen des geschlossenen Regelkreises zeigen auf, dass niederfrequente Störungen in erheblichem Maße unterdrückt werden und die 127 kg schwere Vorschubmechanik mit Frequenzen von bis zu 145 Hz ausgeregelt wird. Anhand experimenteller Untersuchungen wurde ein signifikant verbessertes Positioniervermögen nachgewiesen, wobei Standardabweichungen im stationären und dynamischen Zustand von weniger als 0,3 nm erreichbar sind. Darüber hinaus wurde bei Vergleichsmessungen mit einem Encoder-System nachgewiesen, dass eine Wiederholbarkeit von 0,05 nm und eine Reproduzierbarkeit von 0,28 nm bei Anwendung eines ungetriggerten Aufnahmeverfahrens technisch umsetzbar sind. Es wird zudem gezeigt, dass sowohl die Anpassungen hinsichtlich der Positionserfassung als auch das neue Positionierungssystem zur Erzielung dieser Leistungsfähigkeit beitragen.

The Nanometer Comparator (NMC) is a national standard of the Federal Republic of Germany to disseminate the unit of length. The machine is utilized to calibrate line scales, photomasks and interferometric measuring systems up to a length of 550 mm. The subject of the present work is the development of a new positioning system of the NMC. The goal is to optimize the position sensing system and servo system in order to control the position of measurement objects in the sub-nanometer range under stationary and dynamic conditions. The NMC was conceptionally designed to comply with fundamental design paradigms in precision engineering to achieve minimal measurement uncertainties. In order to enhance the performance beyond that level, the drive, control and measurement systems were further developed, and their tuning was optimized. The development of a new phase evaluation electronics with resolving capabilities in the sub-picometer range paved the way for an upgrade of the driving system, which was supplemented by a redundant electromagnetic drive to suppress disturbances via a force transmission with high stiffness. For the path control of linear axis movements, a decentralized control system was applied to receive feedback data of the evaluation electronics with subdivisions of one picometer. These adjustments ensured that a precise positioning of measurement objects could be traced back to the vacuum interferometer, which was integrated into the machine structure of the NMC. The position control using a two-stage concept for the new fine drive axis was synthesized using an iterative control design approach. Investigations of the closed control loop show that low-frequency disturbances can be suppressed superiorly and that the 127 kg feed drive mechanism can be controlled with a bandwidth of up to 145 Hz. Experimental investigations demonstrate a significantly improved positioning capability. The positioning noise under stationary and dynamic conditions exhibits a standard deviation of less than 0.3 nm. Comparative measurements with an encoder system have revealed, that a repeatability of 0.05 nm and a reproducibility of 0.28 nm are technically feasible by means of a highly synchronous data acquisition method. Finally, it is also demonstrated that this level of performance is achieved by contributions of both the position sensing system as well as the servo system.

Cite

Citation style:

Köchert, Paul: Das neue Positionierungssystem am Nanometerkomparator der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Ilmenau 2019.

Access Statistic

Total:
Downloads:
Abtractviews:
Last 12 Month:
Downloads:
Abtractviews:

open graphic

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export