Präzisions-Positioniersysteme
Precision Motion Systems
Positioniersysteme mit höchster Präzision und Schnelligkeit sind eine Voraussetzung für eine Vielzahl von Anwendungen in der Hochtechnologie, wie beispielsweise Rastersondenmikroskopie, Nanomesstechnik, sowie Lithographiesystemen in der Halbleiterproduktion.
Eine typische Anforderung für Präzisionspositioniersysteme ist dabei ein sehr großer dynamischer Bereich von 5 bis zu 9 Größenordnungen, was eine besondere Herausforderung für den Design solcher Systeme darstellt. Hierbei müssen oftmals eine Präzision in Nanometerbereich und Bandbreiten im Bereich von einigen hundert Hertz bis zu einigen 10-kHz erreicht werden, wobei zugleich Stellbereiche von einigen 100 Millimetern und Positioniergeschwindigkeiten im Meter/Sekunden-Bereich erforderlich sind. Ähnliche Systemanforderungen gelten für die optische Verfolgung von Satelliten mit terrestrischen Teleskopen, um einen einen stabilen optischen Link mittels Laserstrahlen zu ermöglichen, wobei Winkelgeschwindigkeiten von einigen Grad/Sekunde bei einer Präzision von besser als 200 nano-Radianten erreicht werden müssen.
Für den Entwurf dieser Präzisions-Mechatronischen Systeme entwickeln wir Methoden, um eine maximale Systemperformanz mittels eines integrierten mechatronischen Designansatzes zu erreichen. Um derzeitige Leistungsgrenzen hinsichtlich Präzision und Bandbreite zu überwinden, umfasst unsere Forschung zur Feinpositionierung sowohl Hardware-Entwicklung und neue Aktuator- und Sensorsysteme, duale Aktuation und Überaktuation, moderne Materialien, wie auch Echzeit-Hardware in Kombination mit dem integrierten mechatronischen Entwurfsansatz. Hierzu verwenden und entwickeln wir neuartige Methoden zum Systementwurf und zur Systemanalyse, wie beispielsweise Dynamic Error Budgeting (DEB), um das Positioniersystem hinsichtlich des Zusammenspiels zwischen Regelungstechnik und mechatronischer Systemhardware zu optimieren. Zur Führung dieser Systeme verwenden und entwickeln wir moderne regelungstechnische Methoden, wie beispielsweise modellbasierte, datengetriebene, wie auch selbstlernende Steuerungsansätze, die spezifisch auf das entsprechende mechatronische System zugeschnitten sind.
Duale Aktuation ermöglicht eine Positionierung mit Nanometer-Präzision über einen Stellbereich von einigen100 Millimetern. Die Kombination eines Null-Steifigkeits-Aktuators für kurze Stellbereiche mit einem konventionellen Linearmotor ergibt ein Nano-Positioniersystem mit perfekter Vibrationsentkoppelung.
Die Forschung zur Präzisions-Mechatronik und Feinpositioniersystemen ist speziell für die Industrie im Hochtechnologie-Sektor in Europa von Interesse, weshalb wir mit verschiedenen österreichischen und internationalen industriellen Partnern auf diesen Gebieten zusammenarbeiten.