AdLaS – Adaptive mounting system with powerless gravity compensation for mirror segments in large telescopes

Projektschwerpunkte

• Aktive Unterdrückung von Bodenvibrationen durch Beschleunigungsfeedback
• Leistungslose Gravitationskompensation in einem beliebigen Arbeitspunkt mittels Elektropermanentmagneten
• Positionsregelung in sechs Freiheitsgraden

Beschreibung

Die Unterdrückung unerwünschter Vibrationen ist bei vielen Präzisionsanwendungen, sowohl in der Industrie als auch in der Forschung, unverzichtbar. Prominente Beispiele hierfür sind Wafer-Scanner, Rasterkraftmikroskope und große Spiegelteleskope. Da die hohen Anforderungen durch rein passive Systeme nicht erfüllt werden können, sind aktive Vibrationsisolationssysteme erforderlich. Motiviert durch die hohe Relevanz wurde in diesem Projekt ein Lagerungssystem für schwere Lasten mit einer schwebenden Plattform, aktiver Vibrationsunterdrückung und integrierter Gravitationskompensation entwickelt, implementiert und evaluiert.

Vier Segmente des Hauptspiegels des Extremely Large Telescope (ELT) (Quelle).

3D-Modell des Extremely Large Telescope (ELT). Der Hauptspiegel hat einen Durchmesser von 39,3 m und besteht aus 906 Segmenten (Quelle).

Die sechs Freiheitsgrade der schwebenden Plattform werden mittels Lorentz-Aktuatoren angesteuert. Um eine übermäßige Wärmeentwicklung zu vermeiden, die sich möglicherweise negativ auf empfindliche Messgeräte auswirkt, wurde eine leistungslose Gravitationskompensation vorgesehen. Hierzu kommen Elektropermanentmagnete (EPM) zum Einsatz, die im Vergleich zu anderen Ansätzen eine einfache Anpassung an die Nutzlast bei gleichbleibendem Arbeitspunkt ermöglichen.

Das 3D-Modell des Vibrationsisolationssystems zeigt die Basis (blau) und die schwebende Plattform (orange). Die Lorentz-Aktuatoren mit integrierten EPMs V1, V2 und V3 sind für die out-of-plane Freiheitsgrade z, α, β zuständig und Voice Coil-Aktuatoren H1, H2 und H3 für die in-plane Freiheitsgrade x, y, γ.

Ist der EPM vollständig deaktiviert, schließt sich der magnetische Fluss innerhalb des Stators und das bewegliche Joch wird nicht angezogen.

Ist der EPM aktiviert, schließt sich der magnetische Fluss über das bewegliche Joch, das angezogen wird.

Die Positionierung der Plattform erfolgt mittels einer dezentralen Regelung, was durch die Entkopplung der sechs Freiheitsgrade möglich ist. Die Auslenkung wird mit sechs Wirbelstromsensoren gemessen. Darüber hinaus ist die Plattform mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet. Dieser ermöglicht es, die effektive Masse der Plattform durch Rückkopplung der Beschleunigung zu erhöhen und dadurch die Übertragung von Bodenvibrationen zu reduzieren. Um die Bandbreite der Positionsregelung zu verringern, wurde die negative Steifigkeit der EPMs durch eine positive virtuelle Steifigkeit kompensiert.

Die sechs Aktuatoren und Wirbelstromsensoren sind jeweils um 120° versetzt angeordnet. In der Mitte der Basis und der Plattform sind Beschleunigungssensoren montiert.

Mit der dezentralen Positionsregelung konnte in den out-of-plane Freiheitsgraden eine Bandbreite von 60 Hz und in den in-plane Freiheitsgraden 20 Hz bei einer Auflösung von unter 100 nm erreicht werden. Für die Vibrationsisolation wurde die Durchtrittsfrequenz der Positionsregelung in vertikaler Richtung auf 6 Hz reduziert, wodurch Bodenvibrationen ab einer Frequenz von etwa 8 Hz mit -40 dB/Dekade gedämpft wurden. Durch die zusätzliche Beschleunigungsrückkopplung wurde die Durchlässigkeit um weitere 10 dB verringert. Die Gravitationskompensation war in der Lage eine Gesamtlast von 6,34 kg zu tragen, während der Leistungsverbrauch um 99 % gesenkt wurde.

Video Prototyp des Vibrationsisolationssystems mit einem montierten Spiegelsegment.

Anwendungen

• Lagerung von Spiegelsegmenten in großen Teleskopen
• Vibrationsisolation von empfindlichen Messgeräten (z. B. Rasterkraftmikroskop)

Videos und Publikationen

• Vibration Isolation and Positioning System With Zero-power Gravity Compensation
• Diplomarbeit

Förderung

Austria Wirtschaftsservice (AWS) Prototypenförderung (Projektname: AdLaS – Adaptive mounting system with powerless gravity compensation for mirror segments in large telescopes, Projektnummer: P2389218)