Standardmessmethoden für die Qualitätsprüfung von Positioniersystemen fehlen bislang. Dieses Manko kommt dann besonders zum Tragen, wenn in kleinsten Abständen - im Nanobereich - etwa die Ebenheit von Glas- oder Halbleitersubstraten überprüft werden soll. Die Präzision der Achsen in allen sechs Freiheitsgraden entscheidet in vielen Anwendungen über deren Qualitätserfolg.

Aus Sicht der Anwender sind messtechnische Spezifikationen/Prüfungen hinsichtlich Wiederholgenauigkeit und Ebenheit der Positioniersysteme sowie deren Auflösung, sprich kleinste Schrittweiten, sehr wichtige Kriterien für einen Qualitätsnachweis. Viele weitere Aspekte können anwendungsabhängig ebenfalls eine Rolle spielen. Das Dilemma ist nur: Es gibt derzeit noch keine anerkannte Standardmethode für die Spezifizierung und Vermessung von Positioniersystemen. Es obliegt den Herstellern, wie Genauigkeiten definiert und auch gemessen werden. Das Fehlen eines solchen Standardverfahrens birgt ein hohes Risiko für Missverständnisse. Sowohl auf Seiten des Anwenders als auch des Herstellers.

Standardmessmethoden fehlen

Wie wichtig eine klare Kommunikation und Definition der Begrifflichkeiten bei einer präzisen Anwendung ist, zeigt folgendes Beispiel: Vermessen werden sollen die Ebenheiten von Glas- oder Halbleitersubstraten mittels eines chromatischen Sensors. Jede motorisierte XY-Achse des Positioniersystems hat sechs Freiheitsgrade. Dies sind die linearen Ungenauigkeiten in den XYZ-Ebenen und ebenfalls die rotatorischen Ungenauigkeiten um die XYZ-Achsen, die als Pitch-, Yaw-, Roll- bzw. Nick-, Gier- und Roll-Fehler definiert werden. Sollten hier nur Ebenheit und Auflösung der Achsen spezifiziert werden, blieben viele Freiheitsgrade unberücksichtigt. Die Erfahrung der Ingenieure von Alio Industries zeigt, dass speziell die Geradlinigkeit (Yaw- bzw. Gier-Fehler) eine entscheidende Rolle spielen kann. Sollte z.B. das Höhenprofil einer Probe entlang einer ideal geraden Linie vermessen werden, so ist es wichtig, dass sich die Achse auch auf der Linie und nicht in einem Kreisbogen bewegt. Eine alleinige Ebenheitsdefinition der Achse wäre hier nicht zielführend.

Wichtig: Auflösung des Positioniertischs

Die Auflösung eines Positioniertischs kann in vielen Anwendungen maßgebend sein, wenn etwa in kleinsten Abständen statisch gemessen werden soll. Die in der Anwendung benötigte Auflösung der Achse wird oft mit der theoretischen Auflösung des Glasmaßstabs gleichgesetzt, die durch den Auslesekopf und den Teilungsträger definiert sind. Doch z.B. beim Verwenden von Linearmotoren, ist immer ein gewisses Maß an elektrischem Rauschen vorhanden. Bei sehr feinen Glasmaßstäben mit etwa 5 nm Auflösung bedeutet ein Rauschen von 10-20 nm ein großer Störfaktor bezüglich der Genauigkeit. Bei Schrittmotoren mit Spindelschrauben sind es Slip-Stick-Effekte, die oft das Erreichen der theoretischen Auflösung verhindern.

Bewegungsprofil der Applikation beachten

Einen enorm großen Einfluss auf die Eigenschaften von Positioniersystemen hat ebenfalls das Bewegungsprofil der Anwendung. Starke Beschleunigungen können beispielsweise zu Verwindungen von Achsen führen. Sollte dies bei der Auswahl einer Lösung nicht beachtet worden sein, die Ebenheit der Systeme jedoch eine kritische Rolle spielen, so kann dies zum Scheitern der Anwendung führen. Auch Schwingungen der Systeme sowohl bei Beschleunigungsvorgängen als auch durch Interferenzen können hier gravierende Auswirkungen haben. Diese potentiellen Störfaktoren lassen sich am einfachsten während der Designphase der Achsen vermeiden.
Letztlich ist auch der Arbeitszyklus der Achse neben den Umgebungsbedingungen ein weiterer wichtiger Aspekt. Sollten Systeme dauerhaft und schnell im 24/7-Betrieb eingesetzt sein, dann müssen Umgebungstemperatur sowie Eigenerwärmung der Motoren berücksichtigt werden. So lässt sich sowohl ein vorzeitiger Verschleiß als auch ein ungewünschter Verzug der Systeme verhindern.

Anwenderperspektive einnehmen

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Präzision der Achsen in allen sechs Freiheitsgraden in vielen Anwendungen erfolgsentscheidend ist. Dafür ist es sehr wichtig, Kenntnis über möglichst alle Anwendungsaspekte zu besitzen - etwa über das Bewegungsprofil. Hochpräzise Systeme werden beim Design unter Berücksichtigung aller Aspekte passend ausgewählt und bei Bedarf anwenderspezifisch abgeändert oder neu entwickelt. Bevor die Achsen ausgeliefert werden, ist auch deren Vermessung mittels Laserinterferometer bzw. kapazitiver Sensoren über den gesamten Verfahrweg ein Bestandteil der Qualitätsprüfung. Je nach Genauigkeit der Systeme wird dabei ein Punkt im Raum bzw. eine kugelartige Toleranz-Zone ermittelt. Der Ort und die Größe dieser Toleranz-Zone werden dabei exakt definiert. Laser 2000 sowie Alio bieten u.a. XY-Tische mit und ohne Apertur an, die auf alle sechs Freiheitsgrade vermessen und hochgenau eingestellt werden können. Sowohl sehr dynamische Achsen mit starken Linearmotoren, die sog. LM-Serie, als auch Systeme für langsamere Anwendungen mit etwas kostengünstigeren und nicht ganz so dynamischen Linearmotoren, die sog. CM-Serie, stehen in unterschiedlichsten Größen und Ausführungen zur Verfügung. Die Genauigkeiten, die mit diesen mechanisch gelagerten Systemen erreicht werden, entsprechen denen von gängigen luftgelagerten Systemen.

Unterstützung beim Tuning

In einigen Anwendungen ist es notwendig, die Performanz der Achsen nach der Installation zu optimieren. Gründe dafür können vielfältig sein, z.B. eine Veränderung des Gewichts der Proben oder wechselnde Umgebungseinflüsse. Auch ein modifiziertes Bewegungsprofil kann eine Optimierung des Designs oder des Tunings erfordern. Das Unternehmen bietet hier Applikationsunterstützung an. So können Steuerungseinflüsse (Tuning) gemeinsam mit dem Anwender durchgeführt und optimiert werden. Sollten Vermessungen der Achsen nach der Installation notwendig sein, beispielsweise im Sinne von Routine-Kontrollen, dann kann der Hersteller auch hier diese Vermessung vornehmen.