Hochpräzises Linsen-Messsystem mit innovativen Luftlagern und spezialisierten Messtechniken

ABTech Manufacturing konstruiert 5-Achsen-Plattform für Bearbeitungen im Nanometer- und Sub-Bogensekundenbereich, unter Verwendung hochpräziser ABTech Luftlager und berührungslosen SiGNUM™ Messsystemen von Renishaw.

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Die Luftlager-Technologien von ABTech

ABTech Manufacturing Inc. wurde von einem führenden Hersteller optischer CNC-Fertigungstechnologie kontaktiert, der höchst präzise und stabile Positioniersysteme für die Messung von konformen Optiken benötigte. ABTech hat sich auf kundenspezifische, höchstgenaue Luftlager und Bewegungssysteme spezialisiert. Um den hohen Kundenanforderungen in Bezug auf Positionierauflösung gerecht zu werden, wurde, wie so oft, die Lösung in Renishaws neuen hochauflösenden optischen Weg- und Winkelmess-Systemen gefunden. Das Unternehmen aus East Swanzey, New Hampshire in den USA, entwickelte eine optische Messplattform mit 5-Achsen. Die Plattform besteht aus drei linearen und zwei Rotations-Luftlager von ABTech und den höchst genauen Weg- und Winkelmesssystemen der SiGNUM™ Baureihe von Renishaw.

Position und thermischen Stabilität

Ken Abbott, Präsident von ABTech: „Hier handelte es sich um ein gemeinsames Entwicklungsprojekt mit unserem Kunden. Von ihm wurde das Konzept, die Steuerung und Software entwickelt, während das mechanische System - die Mehrachsen-Luftlagerplattform – von ABTech entwickelt und gebaut wurde.“

Für die Vermessung wird eine Linse auf dem hochpräzisen B-Achsen-Rundtisch platziert und mit einem berührungslosen, konfokalen Imaging-Sensor, der horizontal am Luftlager der Drehachse (C-Achse) angebracht ist, geprüft. Das konfokale Imaging führt mikrotopografisches Mapping der Linsengeometrie und -oberfläche durch.

Hierzu wird der konfokale Sensor normal (rechtwinklig) zu den zu messenden Oberflächenpunkten ausgerichtet. Die von ABTech entwickelte Plattform führt die anspruchsvolle Positionierung über koordinierte Bewegungen in bis zu fünf Achsen durch. Diese neue Generation der CNC-gesteuerten optischen Prüfsysteme benötigt in den drei Linearachsen eine Positionsauflösung von 5 nm. Die Auflösung der rotatorischen Bewegung beträgt 0,009 (C-Achse) bzw. 0,018 Bogensekunden (B-Achse). Die mikrotopografische Datenerfassung erfolgt automatisch über den berührungslosen Sensor mittels einer programmierbaren, auf 32-Bit Windows basierenden, Messsoftware.

„Die volumetrische Gesamtgenauigkeit des Systems wird durch den Kunden gemappt und korrigiert. Unsere wichtigste Anforderung in Bezug auf diese Anwendung bestand somit in der Wiederholbarkeit der Position und der thermischen Stabilität“, erklärt Herr Abbott. ABTech hatte folgende individuelle Positionsgenauigkeiten der Achsen zu erfüllen:

  • Linear — ±1 µm über den gesamten Arbeitsweg von 203 mm
  • Rotativ — ±1 Bogensekunde Gesamtfehler über 360°

Um diese Genauigkeit zu erreichen hat Abbott mit seinem Renishaw-Ansprechpartner, Tim Goggin, Kontakt aufgenommen. „Unsere Firma besteht seit gut 10 Jahren und wir haben von Anfang an Messsysteme von Renishaw verwendet“, so Abbott.

Hochgenaues, kompaktes Winkelmesssystem

Renishaw empfiehl ein Winkel-/Wegmesssystem der SiGNUM™ Baureihe – das leistungsstarke DSi Winkelmess-System mit zwei Abtastköpfen und das hochgenaue lineare Wegmesssystem RELM. Die SiGNUM™ Messsysteme bieten eine Genauigkeit besser ±1 µm, ±30 nm zyklischer Fehler und eine Auflösung von bis zu 5 nm/0,005 Bogensekunde. Die dynamische Signalkontrolle ermöglicht dem auf 20 µm basierenden Messsystem eine hohe Auflösung, ohne die für Systeme mit Glasmaßstab typischen Einschränkungen in Bezug auf Zerbrechlichkeit und Sauberkeit der Optiken. Gleichzeitig bieten sie eine hervorragende Systemstabilität in Produktionsumgebungen sowie eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Erschütterungen, Vibrationen und Temperaturen (bis 85 °C).

SiGNUM™ RELM hochgenaues, lineares Wegmess-System Der Invar-Maßstab des linearen RELM Messsystems war für ABTech von besonderer Wichtigkeit. Diese Legierung aus Nickel und Eisen bietet einen äußerst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (≈0,6 µm/m/°C, 0 °C bis 30 °C). „Da wir es hier mit einem Messsystem zu tun haben, waren wir natürlich extrem über die thermische Stabilität besorgt,“ erklärt Abbott. „Der Großteil der Maschine wurde aus Edelstahl, Granit und Keramik hergestellt, um thermische Ausdehnungen auf ein Minimum zu reduzieren. Der Maßstab aus Invar eignet sich perfekt für diese Anwendung.“

ABTechs Hauptauswahlkriterien für das Messsystem waren: Genauigkeit, Kosten, Anwenderfreundlichkeit und die Größe des Systems. Abbott betont: „Das Messsystem muss klein sein“. Mit einem Querschnitt von nur 0,059“ x 0,059“ (1,5 mm x 1,5 mm) erfüllt der 20 µm Invar-Maßstab diese Forderungen und liegt sogar unter dem Querschnitt eines Glasmaßstabes. Außerdem ist das Handling und die Installation einfacher und das Risiko, dass der Maßstab brechen könnte, besteht nicht.

Die im Maßstab integrierte optische IN-TRAC™ Referenzmarke von Renishaw ist in beide Verfahrrichtungen innerhalb des gesamten Temperatur- und Geschwindigkeitsbereiches wiederholgenau, ohne dabei die Gesamtbreite des Systems zu beinträchtigen. Beidseitige Endschalter sind ebenfalls verfügbar und können an der gewünschten Stelle platziert werden.

Installierte Gesamtgenauigkeit besser ± 1 Winkelsekunde

Für die rotatorische Positioniergenauigkeit wählte ABTech das DSi (Dual SiGNUM™ Interface) und das REXM Winkelmesssystem, Renishaws hochgenaue SiGNUM™ Messsystem für rotative Anwendungen. Mit einer installierten Gesamtgenauigkeit besser ±1 Bogensekunde kombiniert die DSi Konfiguration zwei Fehlerkorrigierende SiGNUM™ SR-Abtastköpfe mit einem höchstpräzisen REXM-Ring/Maßstab und bietet eine vom Anwender beliebig positionierbare propoZ™-Referenzmarke, die völlig unabhängig von Lagerspiel oder Spannungsschwankungen ist.

Die zwei Abtastköpfe befinden sich um 180° versetzt auf gegenüberliegenden Seiten, und eliminieren somit alle ungeraden harmonischen Frequenzanteile, einschließlich Exzentrizität und Lagerspiel. Durch die Kombination der Inkrementsignale der beiden SiGNUM™ Abtastköpfe durch das DSi und den Einsatz der patentierten Renishaw Referenzmarkengenerierung erscheint das System der Steuerung wie ein hochgenaues Winkelmess-System mit nur einem Sensor.

DSi und REXM höchstpräzises Winkelmess-System Eine weitere wichtige Komponente in Bezug auf die Genauigkeit ist der REXM-Ring, er besitzt einen stärkeren Querschnitt, um Montagefehler (außer Exzentrizität, die vom DSi korrigiert wird) zu minimieren. Sobald die Exzentrizität vom Interface eliminiert wurde, sind die einzigen verbleibenden Fehler kleinere, gerade harmonische Montageverzerrungen, Teilungsfehler und zyklische Fehler (Sub-Divisional Error - SDE), die mit ±0,5 bzw. ±0,03 Bogensekunden außergewöhnlich klein sind. Beim Einsatz des REXM-Rings mit dem DSi kann eine Installationsgenauigkeit kleiner als ±1 Bogensekunde erreicht werden. Im Markt befindliche DSi/REXM Messsysteme haben bereits Installationsgenauigkeiten von unter ±0,25 Bogensekunden erreicht.

Der einteilige REXM Edelstahlring ist mit Durchmessern von 52 mm bis 417 mm verfügbar und hat eine direkt am Umfang angebracht Teilungsperioden. Der Ring (die Maßverkörperung) wird direkt an der Rotorwelle befestigt, wodurch Umkehrfehler, Kupplungsverluste, Schwingungen, Torsion und andere Hysteresefehler, die bei gekapselten Winkelmess-Systemen üblich sind, vermieden werden.

Die gewünschte propoZ™-Referenzposition wird bestimmt, indem die Achse an die gewünschte Position verfahren und ein Set-up-Schalter betätigt wird. Auf diese Art und Weise ermöglicht die propoZ™-Technologie ein viel schnelleres, einfacheres und präziseres Ausrichten der Referenzposition, z. B. an den T-Nuten einer Werkzeugmaschine. Der gewählte Winkel wird dann im Speicher des DSi erfasst, wo die Ausgangsposition automatisch durch leistungsfähige Algorithmen fehlerkompensiert wird, um eine perfekte Winkelwiederholgenauigkeit sicherzustellen - selbst wenn das Zentrum der Rotationsachse bei ausgeschaltetem DSi verändert wird (Lagerspiel).

Beide, die Weg- und Winkelmesssysteme, haben dieselben Konstruktionsmerkmale des SiGNUM™-Systems, einschließlich der robusten, nach IP64 geschützten Abtastköpfe, der dynamischen Signalverarbeitung für höchste Zuverlässigkeit sowie des geringen zyklischen Fehlers (<±30 nm).

Die einzigartigen, patentierten optischen Systeme von Renishaw scannen und ermitteln den Durchschnitt vieler Teilungsperioden und filtern nicht-periodische Eigenschaften wie Schmutz, Staub und andere Verunreinigungen heraus. Durch die berührungslose Arbeitsweise der Abtastköpfe entsteht keinerlei Reibung, Hysterese oder Verschleiß.

Kompaktes Wegmess-System

Die kompakte Bauweise des Abtastkopfes von Renishaw passte mit den kompakten Größenvorgaben von ABTech überein. „Obwohl die 5-Achsen Plattform mit einer Breite von 1346 mm, einer Tiefe von 965 mm und einer Höhe von 1676 mm relativ groß ist, sind die einzelnen Achsen mit Motoren, Messsystemen und Luftlagerflächen vollgepackt“, betont Abbott. „Dank der kleinen Größe des Renishaw-Systems konnten wir die Größe der Luftlagerpolster maximieren, was zur Erreichung der benötigten hohen Steifheit und Genauigkeit äußert wichtig war.“ Die Winkel- und Wegmesssysteme teilen sich die gleichen miniaturisierten Abtastköpfe mit einer Größe von nur 14,8 mm x 36 mm x 16,5 mm (H x L x B). Der RELM Maßstab hat eine Breite von nur 15 mm und der REXM Maßstab von lediglich 10 mm.

Die leistungsstarke, PC-basierte SiGNUM™-Software ermöglicht eine umfassende Kalibrierung sowie eine Optimierung der Einrichtung mit Systemdiagnose in Echtzeit. Das SiGNUM™ Si Interface wird über ein USB-Kabel am PC angeschlossen. Eine Analyse des SiGNUM™ Si Interface steht dem Anwender jederzeit zur Verfügung und bietet Informationen bezüglich der Systemkonfiguration wie z. B. Auflösung, Zählerfrequenz sowie Warn- und Alarmmeldungen.

Die Software vereinfacht die Installation des Messsystems und bietet einen optischen Neigungsindikator zur Feineinstellung des Abtastkopfes; dies ist besonders bei Ringen mit kleinen Durchmessern nützlich. Integrierte LEDs auf dem Abtastkopf und am Interface bieten ein schnelles, visuelles Feedback und unterstützen so die Systemoptimierung und Systemdiagnose in Echtzeit.

Die Luftlager-Technologien von ABTech Es wird erwartet, dass das neue Messsystem, das erste Projekt zwischen ABTech und diesem Kunden, in der Standard-Produktpalette des Kunden aufgenommen und somit der Grundstein für eine fortwährende Geschäftsbeziehung gelegt wird.

Hochgenauen Luftlager- und mechanischen Lagersystemen

ABTech hat sich auf die Entwicklung und Produktion von kundenspezifischen, hochgenauen Luftlager- und mechanischen Lagersystemen, sowie auf komplette, schlüsselfertige Plattformlösungen für die Fertigung von Halbleitern und Optiken, spezialisiert. „Wir sind in unserer Verwendung von Luftlagern, mechanischen Lagern sowie der Entwicklung und Verwendung von Werkstoffen für die jeweilige Anwendung absolut flexibel,“ so Abbott. „Wir beschränken uns nicht auf festgesetzte Designs, Werkstoffe oder Arbeitsabläufe.“

Die Luftlager-Technologien von ABTech werden weltweit in Forschungsabteilungen, Universitäten und modernsten Fertigungsverfahren eingesetzt. Die kleinen Bauformen, die magnetisch vorgespannte Schlitten mit höchst genauen Führungen kombinieren, sind für die Herstellung von Optiken, in der Biomedizintechnik, beim Diamant-Drehen, in Wafer-Scan-Systemen, der Lithografie, Druckvorstufe (CTP), Messsysteme und für optische Positionierplattformen geradezu ideal. „Wir bieten den Konstrukteuren wichtige Platzersparnisse und gleichzeitig die benötigte Tragfähigkeit, Positionierpräzision, konstante Geschwindigkeit und Reibungslosigkeit im statischen Zustand,“ erklärt Abbott. „Unsere Plattformen sind für Reinraumumgebungen mit entsprechenden Werkstoffen, Reinigung der Komponenten sowie geschlossener Lüftung konzipiert.“

Laut Abbott wächst die Nachfrage nach kundenspezifischen Anpassungen und Miniaturisierungen, da Chips und Schaltkreise immer kleiner werden. „Sowohl Komponenten als auch deren Herstellungsverfahren werden kleiner und kleiner und fordern eine immer feinere Positioniergenauigkeit. Aus diesem Grund schätzen wir unsere Geschäftsverbindung mit Renishaw, wo die Produktentwicklung Schritt hält und man wie auf Knopfdruck die von uns benötigte Messsystemfähigkeit bereit hatte.“

Außerdem betonte Abbott: „Das beste Produkt der Welt ist ohne eine entsprechende technische Unterstützung im Rücken nutzlos. Obwohl wir ein kleineres Unternehmen mit Sonderprodukten sind erhielten wir von Renishaw eine erstklassige Unterstützung.“

Weitere Informationen über kundenspezifische Luftlager und Bewegungsplattformen von ABTech erhalten Sie von: www.abtechmfg.com.

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