Mechanical properties of an adjustable weighing cell. - In: Proceedings of the 19th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2019), S. 86-89
Tilt sensitivity modeling of a monolithic weighing cell structure. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 257-264
Optimization of compliant mechanisms by use of different polynomial flexure hinge contours. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 265-274
This paper presents the application of different polynomial flexure hinge contours in one compliant mechanism in order to increase both simultaneously the precision and the stroke of the output motion of compliant mechanisms. The contours of the flexure hinges are optimized in dependency of the required elasto-kinematic properties of the mechanism. This new approach for optimization is described in comparison to the use of identical common hinge contours. Based on previously optimized single polynomial flexure hinges, the validity of proposed guidelines is analyzed for a combination of several flexure hinges in two compliant mechanisms for linear point guidance. The rigid-body models of both mechanisms realize an approximated straight line as output motion. The compliant mechanisms are designed through the rigid-body replacement method and with different polynomial flexure hinges with orders varying from 2 to 16. The multi-criteria optimization is performed by use of non-linear FEM simulations. The derived values for the kinematic output parameters are compared for the ideal model and the optimized compliant mechanism. The results are discussed and conclusions for ongoing research work are drawn.
Compliant mechanisms for ultra-precise applications. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 249-256
This paper reports about enhanced compliant mechanisms with flexure hinge based on new analytic and/or FEM models that have been manufactured by state of the art wire EDM technology. Experimental proofs at test benches, equipped with ultra-precise interferometer based length and angular measurement systems, show first time the residual deviation to the intended path of motion with a resolution of nanometers/arc seconds. Theoretically determined and measured data are in good correlation. Repeatability limitations are rather more given by the residual noise of the overall test arrangement and mainly not by the mechanism itself.
Development of a changing interfacefor tools in nanofabrication machines with a highly reproducible position definition :
Entwicklung einer Wechselschnittstelle für Tools in Nanofabrikationsmaschinen mit hochreproduzierbarer Lagedefinition. - In: 5. IFToMM D-A-CH Konferenz 2019, (2019), S. 90-93
Im Stand der Forschung sind Wechselschnittstellen für Sensoren und Werkzeuge bereits in unterschiedlichen Maschinenklassen zu finden. Diese erfüllen jedoch nicht die geforderten höchsten Ansprüche an die Reproduzierbarkeit der Position für den Einsatz in Nanofabrikationsmaschinen. Kinematische Kopplungen zeigen aufgrund ihrer eindeutigen, kinematisch bestimmten Lagedefinition und einer hohen Reproduzierbarkeit eine gute Eignung für den Einsatz als Wechselschnittstelle in Nanofabrikationsmaschinen. Anhand von analytischen Berechnungen werden die wirkenden Kräfte und Verformungen der Koppelpunkte ermittelt. Für die Integration einer Justierung werden neue Anordnungen einer solchen kinematischen Kopplung untersucht. Da analytische und numerische Modelle die Reproduzierbarkeit nicht ausreichend genau abbilden können, wird ein geeigneter Messaufbau entwickelt. Dessen Eignung wird anhand einer dreidimensionalen, vektorbasierten Unsicherheitsanalyse nachgewiesen. Anschließend wird mittels der Ergebnisse der untersuchten Prototypen ein Modell zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Konstruktionsmerkmalen und Reproduzierbarkeit entwickelt.
https://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/DocumentServlet?id=48214
Untersuchung von Umlenkelementen zur Anwendung in der interferometrischen Längenmesstechnik. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2019. - 1 Online-Ressource (176 Seiten). - (Berichte aus dem Institut für Maschinen- und Gerätekonstruktion (IMGK) ; Band 33)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Aufgrund ihrer hohen Auflösung in Kombination mit einem großen Messbereich nehmen Interferometer eine Spitzenrolle in der Präzisionslängenmesstechnik ein. Sie müssen stets so angeordnet werden, dass der Messstrahl das Messobjekt auf geradem, unabgeschattetem Weg erreicht. Durch eine Umlenkung und Faltung des Interferometermessstrahls lassen sich Flexibilität des Aufbaus und Zugänglichkeit des Messobjektes verbessern. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Strahlumlenkelementen in interferometrischen Messanordnungen sowie die dadurch entstehenden Messfehler und Möglichkeiten ihrer Kompensation und Korrektur. Zunächst wird das grundlegende Messprinzip von interferometrischen Längenmessungen vorgestellt sowie auf mögliche Fehlerquellen insbesondere im Hinblick auf Strahlumlenkung hingewiesen. Es wird untersucht, wie sich die Änderung von geometrischen und Polarisationseigenschaften des Messstrahls durch ein Umlenkelement auf die interferometrische Messung auswirken. In dieser Arbeit werden verschiedene Modelle vorgestellt, mit denen die Lichtausbreitung und Polarisation sowie das geometrische Übertragungsverhalten von Umlenkelementen untersucht werden können. An Beispielen werden Einflussfaktoren herausgestellt, die auf die Polarisation des Lichtes wirken. Darüber hinaus wird deren Nutzung zur Kompensation von unerwünschten Polarisationsänderungen diskutiert. Eine Übersicht teilt reflektierende und refraktive Umlenkelemente auf Basis von Gemeinsamkeiten in Geometrie und Übertragungsverhalten in Kategorien ein. Der Fokus liegt dabei auf Invarianzachsen für Translation und Rotation der Elemente. Diese erlauben eine Bewegung der Umlenkelemente, ohne dass die untersuchte Funktionsgröße beeinflusst wird. Auf die Existenz und Lage dieser Achsen wird für jede Gruppe von Umlenkelementen hingewiesen. Zusätzlich erfolgt der Nachweis im Experiment, der das qualitative Übertragungsverhalten ausgewählter Umlenkelemente bestätigt. Schließlich werden die Erkenntnisse dieser Arbeit in Gestaltungsrichtlinien zusammengefasst, die den Anwender bei der Auslegung von Umlenkelementen für interferometrische Längenmesssysteme unterstützen.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000555
A method for the evaluation of the response of torque transducers to dynamic load profiles. - In: Acta IMEKO, ISSN 2221-870X, Bd. 8 (2019), 1, S. 13-18
http://dx.doi.org/10.21014/acta_imeko.v8i1.654
Modellierung der Drehsteifigkeit dünner Festkörpergelenke in der Präzisionsgerätetechnik. - In: Jahrbuch Optik und Feinmechanik, ISSN 0075-272X, Bd. 64 (2018), S. 139-165
Festkörpergelenke werden seit langem in verschiedensten Bereichen der Feinwerktechnik eingesetzt, besonders dort, wo erhöhte Anforderungen an die Präzision bestehen. Beispiele dafür sind Präzisionswaagen und Massekomparatoren, die bereits eine beeindruckende Leistungsfähigkeit erreicht haben. Dies ist nicht zuletzt auf die genaue Kenntnis der mechanischen Eigenschaften und deren Modellierung zurückzuführen. Dennoch ergeben viele in der Literatur verfügbare analytische Modellgleichungen zur Berechnung der Drehsteifigkeit der hier typischen, besonders dünnen Festkörpergelenke eine Abweichung von rund 10 % gegenüber dem 3D-Modell basierend auf der Finiten-Elemente-Methode. Dies wird anhand der genauen Betrachtung des Spannungszustandes im belasteten Gelenk aufgezeigt und ist ein relevanter Aspekt für die Entwicklung von Geräten für Präzisionsanwendungen und deren Justierung. Der Beitrag beleuchtet dieses Phänomen im Detail, zeigt Grenzen verschiedener Modellansätze in Abhängigkeit der Geometrie auf und bietet dem Leser einen Vorschlag zur präzisen Modellierung in einem großen Parameterraum an, die ohne eine aufwändige Finite-Elemente-Analyse auskommt.
On the design of long range multiaxial nanofabrication machines based on Cartesian nanopositioning systems with additional ultra precision rotations. - In: 33rd ASPE Annual Meeting, ISBN 978-1-887706-77-3, (2018), S. 527-532
As result of a comprehensive literature survey, the majority of nanopositioning and nanomeasuring machines (NPMMs) are based on three independent linear movements in a Cartesian coordinate system with a repeatability in the nanometer range. This in combination with the specific nature of sensors and tools (further on summarized as tool) limits the addressable part geometries. Depending on the tool in use, spherical and aspherical geometries as well as free-form surfaces cannot be measured or only to a certain limit. This article contributes to the enhancement of multiaxial machine structures by the implementation of rotational movements while keeping the precision untouched. A systematic parameter based dynamic evaluation approach was developed for the creation and selection of adequate machine structures for multiaxial nanopositioning systems (DOF>3). To support the selection, detailed parameter sets are generated containing explicit moving ranges, uncertainties, resolutions, reproducibilities and costs. The parameter sets are further detailed with derived characteristics such as deformations, vibrations or thermal influences due to the additional rotations based on FEA-models and verified experimental data. This approach is also applied to the rotation of the sample. The results are compared to those of the tool rotation and mixed versions. After all, the knowledge gained, is formed into general rules for the verification and optimization of design solutions for multiaxial nanopositioning machines. Out of these investigations, a rotation of the tool is a favourable solution. Kinematics with a high degree of fulfilment consider a common instantaneous center of rotation in the tool center point (T). Compared to a fixed tool position this leads to shifting deviations of (T) due to deformations of the frame depending on the actual mass distribution. In addition, deviations of (T) are caused by vibrations and thermal influences of the positioning system. The strict separation of the force frame and the metrology frame, thermal shielding and direct measuring systems for the deviation of (T) can compensate the effects that are dependent on the selected overall structure and positioning system.
Ultra precise motion error measurement of rotation kinematics for the integration in nanomeasuring and nanofabrication machines. - In: 33rd ASPE Annual Meeting, ISBN 978-1-887706-77-3, (2018), S. 122-126
The semiconductor industry has been done an incomparable progress during the last 60 years. With the ongoing reduction of the structure size by new fabrication techniques the nanomeasurement systems have also increased their performance [1]. Besides this development the measurement and fabrication of freeform surfaces, aspheric lenses or high aspect ratio structures are still highly challenging. There are different commercial and scientific approaches to measure on freeform surfaces [2, 3, 4, 5].