Positionieren Was die Präzisionspositionierung heute möglich macht

Der Trend in der Positionierung geht zu höheren Genauigkeiten bis in den Sub-Nanometerbereich bei Stellwegen bis zu einigen hundert Millimetern. Weder klassische Motor-Spindel-Antriebe, noch übliche Piezosysteme leisten dies. Physik Instrumente (PI) kann jetzt diese positioniertechnische Lücke schließen.

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Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG

Zur Mikropositionierung rechnet man grundsätzlich Bewegungen mit Auflösungen unter dem Mikrometerbereich und Stellwegen von einigen Millimetern bis zu einigen hundert Millimetern. Klassisch werden hierfür Antriebe mit Elektromotoren und Spindeln eingesetzt. Mit Piezoelementen, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung sehr präzise verformen, lassen sich Bewegungen mit Genauigkeiten von unter 1 Nanometer (0,001 µm) erzeugen; die Wege bei dieser so genannten Nanopositionierung sind jedoch auf etwa 1 Millimeter begrenzt.

Zwischen klassischen Motor-Spindel-Kombinationen, die die erforderlichen Stellwege bieten, und den bisher üblichen Piezosystemen, die die notwendige Genauigkeit liefern, klaffte damit eine positioniertechnische Lücke. Man musste in der Regel Kompromisse machen, weil sich kein wirklich passendes System finden ließ. Komplizierte Hilfskonstruktionen mehrerer Positioniersysteme mit komplexer separater Ansteuerlogik und aufwändigen Regelalgorithmen waren die Folge.

Das hat sich mittlerweile geändert. In enger Zusammenarbeit mit Anwendern aus recht unterschiedlichen Branchen konnte die in Karlsruhe ansässige Physik Instrumente (PI) diese positioniertechnische Lücke schließen:

Positionieren mit hoher Auflösung und großen Stellwegen

NEXLINE Linearantriebe, Piezo-Ultraschall-Linearantriebe und so genannte Hybridsysteme sorgen heute dafür, dass Anwender aus den unterschiedlichsten Bereichen auch dann eine „maßgeschneiderte“ Antriebslösung finden, wenn die Applikation höchste Auflösungen bei gleichzeitig großen Stellwegen verlangt. All den genannten Antriebsprinzipien ist eine hohe Steifigkeit eigen. Außerdem wird bei Stillstand stromlos eine hohe Haltekraft erreicht (Selbsthemmung). Dabei haben die drei piezobasierten Antriebskonzepte, die auf unterschiedlichen Grundprinzipien basieren, recht klar abgegrenzte Einsatzbereiche.

Piezo-Ultraschall-Linearantriebe, bei denen eine hochfrequente Oszillation der Piezokeramik die Vorschubkraft gegen eine Reinschiene erzeugt, gehören mit Auflösungen von 50 bis 100 nm (0,1 µm) in die Klasse der Mikropositioniersysteme. In vielen Anwendungen sind diese PILine-Antriebe eine interessante Alternative für die klassischen Elektromotor-Spindelkombinationen – vor allem wegen ihrer flachen, kompakten Bauform (Abb.2). Typische Einsatzbeispiele liefern Handling, Automation und Metrologie, die von der Kompaktheit sowie den hohen Geschwindigkeiten profitieren.

Ultraschallmotoren wirken ohne Zwischenelemente

Die patentierten Ultraschallmotoren wirken direkt ohne Zwischenelemente wie Spindeln oder Getriebe und sind umkehrspielfrei. Der Antrieb besteht aus einem Stator, der den piezokeramischen Oszillator enthält und einem als Reibschiene bezeichneten Läufer, der direkt am bewegten Teil eines Schlittens befestigt wird (Abb.3). Da weder Getriebe noch Rutschkupplungen benötigt werden, sind das Resultat leichte, wartungsfreie Antriebe, die sich für hohe Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 600 mm/s und Beschleunigungen bis 15 g eignen.

Die typischen Verstellwege liegen zwischen 18 und 100 mm. Da die Antriebe zudem in verschiedenen Integrationsstufen angeboten werden, lassen sie sich gut an die jeweilige Applikation anpassen.

Der RodDrive mit 7 N Kraft benötigt beispielsweise ein Einbauvolumen von nur 35 x 42 x 8 mm³ (ohne Reibschiene). Die miniaturisierte OEM-Version der Antriebe bietet mit 3,2 mm Stellweg bei 9 mm Länge ideale Voraussetzungen für mobile Lösungen, auch aufgrund der geringen Stromaufnahme von 150 mW (Abb.4). Die entsprechenden Treiberelektroniken konvertieren PWM-Signale oder analoge Eingangssignale in eine hochfrequente Spannung, die den Piezomotor zu Schwingungen anregt und somit die Bewegung ermöglicht.

Auch sie gibt es in verschiedenen Integrationsstufen, angefangen von „nackten“ OEM-Platinen über gehäuste Treiberboards, bis hin zum kompakten Controller.

Hybrid-Nanopositioniersystememe positionieren mit konstanter Geschwindigkeit

Soll mit hoher Auflösung linear und bei konstanten Geschwindigkeiten positioniert werden, bieten so genannte Hybrid-Nanopositioniersysteme ideale Voraussetzungen. Sie bestehen aus sehr präzisen mechanischen Linearverstellern mit integriertem Piezosystem und einer gemeinsamen Ansteuerung (Abb.5).

Durch die direkte Integration von Piezoaktoren in Stelltische werden große Stellwege bis zu mehreren 100 mm mit Auflösungen von wenigen Nanometern (typisch 2 nm, kleiner 0,1 nm möglich) und Verstellgeschwindigkeiten bis über 100 mm/s möglich. Beide Antriebssysteme werden dabei gemeinsam und kontinuierlich über denselben hochauflösenden Sensor geregelt. Über den gesamten Stellweg liegen die Wiederholgenauigkeiten dadurch bei etwa 30 nm, bei Einschwingzeiten von wenigen Millisekunden.

Diese Eigenschaften der Hybrid-Systeme fordern beispielsweise Anwendungen, bei denen z.B. die Position genau erfasst und später wieder angefahren werden muss oder wenn eine externe Positionsvorgabe exakt zu erreichen ist, z.B. in der Oberflächeninspektion, aber auch in der Mikroskopie und der Lasertechnologie. In der Weisslichtinterferometrie kann zur Messung der einzelnen Höhenprofile statt vieler kleiner Schritte (Step-and-Settle) auch eine konstante Rampe mit zeitlich aufgelöster Messung gefahren werden.

Dabei kommt es auf eine extrem konstante Verfahrgeschwindigkeit an, um jede Messungen präzise einer Höhe zuordnen zu können. Dies ist mit gestapelten Mikro- und Nanopositioniersystemen nicht möglich, allerdings mit Hybridsystemen, da bei diesen während des Verfahrens kontinuierlich die Position geregelt wird.

Die Hybrid-Nanopositioniersysteme sind heute in zwei Mikrostelltischen serienmäßig eingebaut. In einem Hochlast-Präzisionsversteller, der Lasten bis zu 20 kg über Distanzen bis 7 mm auch in vertikaler Richtung auf wenige Nanometer genau positionieren kann, und in einem Mikrostelltisch, der speziell für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt wurde. Er verfährt Lasten bis 20 kg mit Geschwindigkeiten von bis zu 125 mm/s. Der maximale Verstellweg beträgt 100 mm, die kleinste Schrittweite 8 nm. Durch höher auflösende optische Encoder sind entsprechend höhere Genauigkeiten möglich.

Linearantriebe mit kombinierten Piezoaktoren

Speziell im Hinblick auf große Stellwege und schwere Lasten bei gleichzeitig extremen Auflösungen von besser als 1 nm (0,001 µm) wurden die patentierten NEXLINE® Linearantriebe entwickelt (Abb.1), bei denen Piezoaktoren mit unterschiedlichen Bewegungseigenschaften miteinander kombiniert sind. Das Haupteinsatzgebiet dieser Antriebe ist die Halbleiterfertigung. Entsprechend angesteuert lässt sich damit atomgenaues Positionieren über große Stellwege und — nach Erreichen der Position — eine aktive Schwingungsdämpfung realisieren.

Der maximale Verfahrweg dieser Nanopositioniersysteme ist dadurch nicht vom stationären Antrieb selbst, sondern lediglich vom bewegten Gegenstück abhängig und damit theoretisch unbegrenzt. Dabei entwickeln die Antriebe zwar keine hohen Verfahrgeschwindigkeiten, aber dafür beachtliche Kräfte: Die aktive Stellkraft liegt bei maximal 400 N und die passive Haltekraft bei 600 N. Außerdem lassen sich mit den präzisen Antriebslösungen auch komplexe, mehrachsige Systeme realisieren, wie beispielsweise sechsachsige Hexapoden (Abb.1 links). Auch „exotischere“ Einsätze der Linearantriebe sind problemlos möglich, wie im Hochvakuum, bei stärksten Magnetfeldern oder in Helium-Atmosphäre.

Mit den drei vorgestellten Antriebskonzepten lassen sich damit für zahlreiche Applikationen maßgeschneiderte Positionierlösungen realisieren, die den applikationsspezifischen Anforderungen an Stellweg, Geschwindigkeit, Genauigkeit und benötigte Kraft Rechnung tragen. Die Entwicklung bei piezobasierten Antrieben ist damit jedoch keineswegs abgeschlossen. Neue Antriebskonzepte werden auch in Zukunft wieder von sich reden machen. Man darf also weiterhin gespannt sein, was die Präzisionspositionierung noch alles zu bieten hat.

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