A lifting and actuating unit for a planar nanoprecision drive system

Gorges, Stephan GND

Ein wesentlicher Treiber in vielen heutigen Technologiebereichen ist die Miniaturisierung von elektrischen, optischen und mechanischen Systemen. Mehrachsige Geräte mit großen Verfahrbereichen und extremer Präzision spielen dabei nicht nur in der Messung und Qualitätssicherung, sondern auch in der Fabrikation und Manipulation von Nanometerstrukturen eine entscheidende Rolle. Die vertikale Bewegungsaufgabe stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Schwerkraft des bewegten Objektes permanent kompensiert werden muss. Diese Arbeit schlägt dafür eine Vertikalhub- und -aktuiereinheit vor und trägt damit zur Weiterentwicklung von Nanometer-Präzisionsantriebssystemen bei. Grundlegende mögliche kinematische Integrationsvarianten werden betrachtet und entsprechend anwendungsrelevanter Kriterien gegenübergestellt. Der gezeigte parallelkinematische Ansatz zeichnet sich durch seine gute Integrierbarkeit, geringe negative Einflüsse auf die umliegenden Systeme, sowie die Verteilung der Last auf mehrere Stellglieder aus. Folgend wird ein konstruktiver Entwicklungsprozess zusammengestellt, um diese favorisierte Variante weiter auszuarbeiten. Im Laufe dieses Prozesses wird die zu entwickelnde Einheit in das Gesamtsystem eingeordnet und ihre Anforderungen, Randbedingungen und enthaltenen Teilsysteme definiert. Die vertikale Aktuierung besteht dabei aus zwei Systemen: Einer pneumatische Gewichtskraftkompensation und einem elektromagnetischen Präzisionsantrieb. Das technische Prinzip der Hubeinheit wird erstellt und die Teilsysteme im verfügbaren Bauraum angeordnet. Daraus wird ein detailliertes Modell des pneumatischen Aktors abgeleitet, dieser dimensioniert und dessen Eigenschaften bestimmt. Die Ausdehnung dieses Teilsystems definiert die räumlichen Grenzen für den umliegenden Präzisionsantrieb. Zur Auslegung dieses Antriebs wird das Kraft-/Leistungsverhältnis als Zielgröße definiert. Mit Hilfe von numerischer Simulation und Optimierung werden Geometrien für verschiedenste Topologien entworfen und bewertet. Die geeignetste Variante wird mit allen Teilsystemen in eine Einheit integriert und auskonstruiert. Abschließend werden zukünftige Schritte für die Integration der Einheit in ein Präzisionsantriebssystem dargestellt und mögliche Anwendungsszenarien in der Nanofabrikation präsentiert.

A central driver in many of today's fields of technology is the miniaturization of electrical, optical and mechanical systems. Multi-axis devices with large travel ranges and extreme precision play a decisive role, not only in measurement and quality assurance, but also in the fabrication and manipulation of nanometer structures. The vertical movement task poses a special challenge, since the gravitational load of the moving object must be compensated permanently. This thesis proposes a vertically lifting and actuating unit and thus contributes to the further development of nanometer precision drive systems.
Basic possible kinematic integration variants are considered and compared according to application relevant criteria. The presented parallel kinematic approach is characterized by its good integrability, its minimal negative influences on the surrounding systems, as well as the distribution of the load to several actuators. Subsequently, a constructive development process is compiled to further develop this favoured variant. During this process the unit to be developed is integrated into the overall system. Further, its requirements, boundary conditions and subsystems are defined. The vertical actuation consists of two systems: A pneumatic weight force compensation and an electromagnetic precision drive. The technical principle of the lifting unit is developed and the subsystems are arranged in the available design space.
Based on this, a detailed model of the pneumatic actuator is created, its dimensions derived and properties obtained. These dimensions define the spatial limits for the surrounding precision actuator. For the design of this actuator, the force-power ratio is chosen as the objective quantity. Using numerical simulations and optimization, geometries for various topologies are created and evaluated. The most suitable variant is designed and integrated with all other subsystems into one unit. Finally, upcoming steps for integrating the unit into a precision drive system are outlined and possible future applications in the field of nanofabrication are presented.

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