Grundlegende Untersuchungen zum konstruktiven Aufbau von Fünfachs-Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (XXIV, 176 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 37)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
Die vorliegende Arbeit beinhaltet Realisierungsmöglichkeiten des konstruktiven Aufbaus von Fünfachs-Nanopositionier-und Nanomessmaschinen für die Messung und Fabrikation makroskopischer Objekte mit Nanometerpräzision. Mit zusätzlichen rotatorischen Freiheiten wird die Limitierung etablierter, überwiegend kartesisch operierender Nanopositionier-und Nanomessmaschinen (NPMM) hinsichtlich der Adressierbarkeit stark gekrümmter Objektgeometrien überwunden. Es werden modular variierte Maschinenkonzepte im Hinblick auf die Realisierung mehrachsiger Bewegungen und unter der Voraussetzung der Erweiterbarkeit kartesischer NPMMs systematisch entwickelt und auf der Grundlage eines Klassifizierungssystems evaluiert. Ein hohes Potential zeigen Varianten mit drei unabhängigen linearen Bewegungen des Objektes in Kombination mit zwei unabhängigen Rotationen des Tools um einen gemeinsamen Momentanpol, der dauerhaft mit dem Arbeitspunkt des Tools (TCP) und dem Abbepunkt der kartesischen NPMM übereinstimmt. Insbesondere die Rotation des Tools um die Hochachse der NPMM mittels Drehtisch in Kombination mit einer Rotation in der horizontalen xy-Ebene unter Verwendung eines Goniometers zeigen einen hohen Erfüllungsgrad. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wird ein derartiger Aufbau innerhalb einer NPMM erprobt, der die Rotationen eines Tools mit einer Masse < 2 kg gewährleistet. Eine asymmetrische Anordnung des Goniometers entlang dessen Hauptdrehachse erlaubt den Einsatz von Tools, deren Gestalt das Arbeitsvolumen des Goniometers überschreitet. Es sind Rotationsbereiche des Tools von 360˚ um die Hochachse der NPMM und Neigungen zur Hochachse von 90˚ möglich. Die Integration ultrapräziser Rotationseinheiten in die NPMM erfolgt unter Zuhilfenahme finite Elemente gestützter Modellbildung und daraus abgeleiteter Strukturoptimierung der Koppelstellen. Unter Anwendung von Laserinterferometern in Kombination mit einem geeigneten Retroreflektor im TCP werden Einflüsse der zusätzlichen rotatorischen Positioniersysteme, wie Verformungen und Positionierwiederholbarkeiten, in der NPMM in situ gemessen. Wie beispielhaft mit der Anwendung eines entwickelten Nanoimprinttools gezeigt, erlauben die erreichten Positioniereigenschaften eine Adressierung und Bearbeitung dreidimensionaler Körper mit stark gekrümmter Oberfläche. Ein entwickelter neuartiger Aufbau der Gesamtstruktur, bei dem für die kombinierte Messung der Positionierabweichungen Fabry-Pérot-Interferometer zur Anwendung kommen, gewährleistet den Einbezug der Rotationen in den geschlossenen Regelkreis, wodurch die Mess-und Bearbeitungsgenauigkeit erhöht und die Prozesszeit verkürzt werden. Die Interferometer erfassen die Positionierabweichungen gegenüber einem halbkugelförmigen Konkavspiegel, der mit dem metrologischen Rahmen der NPMM direkt verbunden ist. Abschließend werden Konstruktionsrichtlinien für die Entwicklung von Fünfachs-Nanopositionier-und Nanomessmaschinen zusammengefasst.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000376
Theoretical and experimental investigation of performance characteristics and design aspects of cross-spring pivots. - In: International journal of solids and structures, Bd. 185/186 (2020), S. 240-256
Cross-spring pivots have been widely employed over the last decades in a broad variety of precision engineering applications due to the high motion repeatability achieved thanks to the absence of stick slip and clearance. In this paper, the non-linear effect of the anticlastic curvature of the leaf-springs is considered for the accurate analytical modeling of the elasto-kinematic behavior of cross-spring pivots. Finite element analyses (FEA), based on a non-linear thin-shell model, are carried out in order to compare them with the analytical results for the main performance parameters of this type of device, i.e. center-shift, rotational stiffness and stress in the leaf-springs. Furthermore, an experimental setup is built to assess the applicability limits of both models. Finally, remarkable performance aspects of cross-spring pivots are discussed aiming for design improvements.
https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2019.08.023
Measuring and adjusting the stiffness and tilt sensitivity of a novel 2D monolithic high precision electromagnetic force compensated weighing cell. - Boulder, Colo. : NCSL International. - 1 Online-Ressource (1 Seite)Publikation entstand im Rahmen der Veranstaltung: Metrology in motion : NCSLI workshop & symposium, August 24-29, 2019
Further improvements in high precision mass comparison are a recent issue in the dissemination chain of the mass standard. One of the most precise methods of mass comparison is achieved by the use of high precision electromagnetic force compensated (EMFC) weighing cells as part of mass comparators. The mechanics of EMFC weighing cells are based on compliant mechanisms with concentrated compliances in form of flexure hinges. Total mechanical stiffness and tilt sensitivity are limiting factors with regard to the resolution of EMFC weighing cells. In order to optimize their performance, the stiffness and the tilt sensitivity of the systems need to be minimized. Due to manufacturing restrictions and robustness requirements, a further reduction of the thickness of the pivots is not desirable. In this paper, an alternative to reduce stiffness and tilt sensitivity by adding trim weights in combination with an astasizing adjustment is presented. Based on the results of the investigations, a new planar monolithic mechanism for an EMFC weighing cell is designed, providing the possibility to adjust trim masses. The new mechanism is set up and adjusted according to the developed mechanical model. A parameter combination for a total stiffness slightly above zero and a tilt sensitivity close to zero is found. For the evaluation of the adjustment success and the vacuum compatibility, the system is tested under high vacuum conditions.
https://doi.org/10.51843/wsproceedings.2019.13
Generation of a static torque in the range of 1 mNm to 1 Nm according to the Jokey-weight principle. - In: Messunsicherheit - Prüfprozesse 2019, (2019), S. 111-120
Neues Konzept für eine fünfachsige Nanomessmaschine. - In: Messunsicherheit - Prüfprozesse 2019, (2019), S. 131-138
Kraftgesteuerte Messzelle für Dilatometeranwendungen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2019. - 1 Online-Ressource (XVI, 168 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 32)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Werkstoffinnovation ist eine wesentliche treibende Kraft des 21. Jahrhunderts. Die Forschung und Weiterentwicklung von innovativen Materialien vergrößert stets deren Anwendungsbereich und den ressourceneffizienten Einsatz in technischen Gebilden. Dieser allgemeine Trend der Weiterentwicklung von Materialien führt zu höheren Anforderungen an Messgeräte, welche die zugehörigen Materialkenngrößen ermitteln. Im Bereich der Dilatometrie wird die Längenänderung von thermisch beeinflussten Materialien analysiert. Zukünftige und zum Teil bereits aktuelle messtechnische Anforderungen von z. B. weichen Materialien können mit bestehenden Möglichkeiten der technischen Realisierung nicht mehr sicher erfüllt werden. Hieraus leitet sich ein Handlungsbedarf hinsichtlich technischer und konstruktiver Weiterentwicklung ab. Ziel dieser Arbeit ist es, den aktuellen Entwicklungsstand zur messtechnischen Erfassung von thermisch induzierten Längenänderungen darzustellen und Möglichkeiten für dessen Weiterentwicklung zu erarbeiten. Hierzu wird das Arbeitsfeld begrifflich und inhaltlich abgegrenzt. Mithilfe einer Betrachtung des Standes der Technik werden Anforderungen für die Weiterentwicklung abgeleitet. Im Rahmen der konstruktiven Entwicklung spielt hierbei die Reduzierung wesentlicher Störeinflüsse auf die Längenänderung der Probe eine entscheidende Rolle. Ein besonderes Ziel besteht darin, den Krafteinfluss während der Längenmessung stark zu verringern sowie den Einfluss durch manuelle Bedienung zu eliminieren. In der vorliegenden Arbeit werden für die Entwicklung und Realisierung einer kraftgesteuerten Messzelle systematisch Lösungsräume erarbeitet sowie anschließend schrittweise hinsichtlich der Erfüllung der gegebenen Anforderungen untersucht und bewertet. Aus methodischer Sicht stellt diese Arbeit eine Vorgehensweise zur zielgerichteten Entwicklung einer kraftgesteuerten Messzelle dar. Die Funktionsfähigkeit des erarbeiteten Konstruktionsentwurfs wird durch experimentelle Ergebnisse im Rahmen des messtechnischen Nachweises bestätigt. Den Abschluss dieser Arbeit bilden sowohl eine Einflussgrößenanalyse als auch eine Zusammenfassung ermittelter charakteristischer Eigenschaften der Messzelle gefolgt von einem Ausblick zur Weiterentwicklung.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000443
Applications of a fiber coupled chromatic confocal sensor in nanopositioning and nanomeasuring machines :
Anwendungen eines fasergekoppelten chromatisch konfokalen Sensors in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 86 (2019), S. S17-S21
https://doi.org/10.1515/teme-2019-0041
In situ error measurement of serial rotational devices for the application in nano coordinate measuring machines :
In-situ-Messung von Bewegungsabweichungen serieller Rotationsachsen zur Anwendung in Nanomessmaschinen. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 86 (2019), S. S77-S81
https://doi.org/10.1515/teme-2019-0040
Synthesis method for compliant mechanisms of high-precision and large-stroke by use of individually shaped power function flexure hinges. - In: Advances in mechanism and machine science, (2019), S. 1569-1578
Optimization-based approach to the embodiment design of compliant mechanisms with different flexure hinges. - In: Advances in mechanism and machine science, (2019), S. 1579-1588