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Wegsensor Optischer Messsensor mit Nanometer-Genauigkeit

| Redakteur: Jan Vollmuth

Der Wegmesssensor IDS3010 der Attocube Systems AG bietet für industrielle Anwendungen eine bislang unerreichte Auflösung von 1 Pikometer bei Messbereichen von wenigen mm bis 5 m. Zudem liefert die Sensorik die Positionsdaten von ruhenden und bewegten Objekten mit einer Frequenz von 10 MHz – und dringt damit in neue Dimensionen vor.

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Die IDS Sensorik kann Positionen direkt am Werkstück erfassen. Messfehler verursacht durch Elastizitäten und Verschleiß in Führungen und Lagerungen sowie Einflüsse von Temperaturdehnungen und Maschinenverformungen sind mit diesem System ausgeschlossen.
Die IDS Sensorik kann Positionen direkt am Werkstück erfassen. Messfehler verursacht durch Elastizitäten und Verschleiß in Führungen und Lagerungen sowie Einflüsse von Temperaturdehnungen und Maschinenverformungen sind mit diesem System ausgeschlossen.
(Bild: Wittenstein)

Klein, kleiner, ganz klein und noch viel kleiner: Präzisionsanforderungen bis in den Sub-Nanometerbereich sind in der Halbleiterfertigung, der Produktronik und der Optik üblich. Tatsächlich befindet sich auch der Maschinenbau längst auf dem Weg in die „Nanowelt“: Im Präzisionsgetriebebau sind höhere Teilungsgenauigkeiten ein geeignetes Mittel die inneren Kräfte an den Verzahnungen besser zu verteilen. Präziser gefertigte Zahngeometrien führen zu geringeren Spannungsspitzen und höherer Belastbarkeit. Auch in mehrreihigen Wälzlagern hängt die Verteilung der inneren Kräfte entscheidend von kleinsten Fertigungstoleranzen ab, weil diese Systeme statisch überbestimmt sind. Die Präzisionsfertigung und folglich auch die Messung im Sub-Nanometerbereich sind eine wichtige Voraussetzung, bestehende mechanische Systeme zu noch mehr Leistungsdichte zu entwickeln.

Grenzen bestehender Messsysteme überwinden

Zusätzlich verstärkt die Miniaturisierung von Produkten und Produktionsprozessen den Entwicklungsdruck von der Mikro- zur Nanodimension. Dieser Dimensionssprung muss auf breiter Basis und zu überschaubaren Kosten verfügbar gemacht werden, um die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte und eine leistungsstarke, zukunftsfähige Produktion sicherzustellen. Dies erfordert auf Seiten der Sensorik ein leicht integrierbares Ultrapräzisions-Messsystem, das die physikalischen und praktischen Grenzen bestehender Messsysteme überwindet.

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Zu diesen Messsystemen gehören etwa Glasmaßstäbe. Sie gelten in der Industrie aktuell als Benchmark und werden eingesetzt, wenn andere Messsysteme die geforderte Präzision nicht mehr erreichen. Aufgrund der Maßverkörperung auf dem Glasmaßstab stößt diese Messmethode im Submikrometer-Bereich herstellungsbedingt an ihre Grenzen.

Zu weit weg vom Ort des Geschehens

Diese und andere induktive Wegmesssysteme werden am Maschinenbett befestigt und befinden sich daher immer in einem gewissen Abstand parallel zum Werkstück. Die gemessene Position entspricht daher lediglich der Position des beweglichen Sensorkopfes, aber nicht exakt der Position des Werkstückes.

Ein weiteres Problem: Bis zum Werkstück addieren sich systematische Fehler wie beispielsweise Kippfehler durch Führungen und Lagerungen (Abbe-Fehler). Dazu addieren sich betriebsbedingte veränderliche Fehler, wie z. B. unterschiedliche Temperaturdehnungen, Maschinenverformungen aufgrund von Prozesskräften, Verschleiß und Schwingungen usw. Diese Abweichungen sind von den bekannten Wegmesssystemen mit Messpunkten nicht erfassbar. Daher würde eine Weiterentwicklung dieser Messsysteme bis in den Sub-Mikrometerbereich auch nicht zu einer höheren Positioniergenauigkeit von Werkzeugen oder Werkstücken führen.

Distanzmessung direkt auf das Target als Lösung

Die Lösung der genannten physikalischen und praktischen Grenzen bestehender Messsysteme besteht in einer Abkehr von deren Messprinzip und der Verwendung eines Messprinzips, das die Position von Werkstücken direkt erfassen kann. So werden die maschinen- und betriebsbedingten Messfehler von vornherein ausgeschlossen. Die aus der Forschung bekannten interferometrischen Messsysteme bieten die Möglichkeit, auf optische Weise Distanzen zu „Objekten“ direkt auf dem Target zu messen und erreichen Genauigkeiten bis in den Nanometerbereich. Allerdings sind sie extrem teuer, sehr groß, unhandlich, empfindlich und nicht für die Integration in Maschinen und Fertigungsprozesse geeignet. Bislang werden im industriellen Umfeld sogenannte Michelson-Interferometer lediglich für die Kalibrierung von Werkzeugmaschinen und Messmaschinen eingesetzt.

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