Entwicklung eines Konzeptes für einen Mikromanipulator mit Nanometergenauigkeit
Über dieses Buch
- Art: Diplomarbeit
- Autor: Oliver Riek
- Abgabedatum: September 1995
- Umfang: 203 Seiten
- Dateigröße: 9,0 MB
- Note: 2,1
- Institution / Hochschule: Berufsakademie Heidenheim Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-0588-5
-
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-0588-5 P - ISBN (CD) :978-3-8324-0588-5 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Riek, Oliver September 1995: Entwicklung eines Konzeptes für einen Mikromanipulator mit Nanometergenauigkeit, Hamburg: Diplomica Verlag
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Diplomarbeit von Oliver Riek
Einleitung:
Vor allem im Bereich der hochauflösenden Mikroskope wurden in den letzten Jahren die Vergrößerungs- und Auflösungsanforderungen immer weiter gesteigert und verbessert. Dadurch ist es notwendig geworden immer präzisere Manipulatoren zu entwickeln, die diesen gesteigerten Anforderungen genügen.
Zusammenfassung:
Bei der Diplomarbeit „Entwicklung eines Konzeptes für einen Mikromanipulator mit Nanometergenauigkeit“ soll ein Konzept erstellt werden, das verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eines hochgenauen x-/y- Tisches mit Nanometergenauigkeit liefert. In dieser ausgeführten Diplomarbeit wird der Konstruktionsprozess von der Aufgabenstellung über die Grundprinziplen bis zum ausführbaren Konzept dargelegt. Hierzu werden verschiedene Möglichkeiten für die Erstellung eines solchen Konzeptes aufgezeigt und untersucht. Die Ergebnisse werden später bei der Konstruktion eines hochgenauen x-/y- Tisches für ein hochauflösendes Mikroskop (Rasterelektronenmikroskop, Raster Tunnel Mikroskop oder ähnliches) verwendet.
Es werden dabei die Konstruktions- und Entwicklungsvorgänge in folgende Abschnitte unterteilt:
1. Analysieren der Aufgabe und festlegen der Anforderungen in einer Anforderungsliste.
2. Aufstellung von Grundprinzipien für eine Tischausführung Genauere Untersuchung von verwendbaren Tischausführungen.
4. Aufstellung von Grundprinzipien für die lineare Bewegung.
5. Genauere Untersuchung von nutzbaren Linearbewegungsprinzipien.
6. Kombination der Lösungsprinzipien zu verschiedenen Konzepten.
7. Auslegung der geeignetsten Konzepte.
8. Konstruktionszeichnungen für die geeignetsten Konzepte.
9. Zusammenfassung.
Inhaltsverzeichnis:
| I. | Einleitung | 1 |
| 1.1 | Erklärung des Begriffs „Mikromanipulator mit Nanometergenauigkeit“ | II |
| 1.2 | Einsatz eines „Mikromanipulators mit Nanometergenauigkeit“ | II |
| II. | Verwendete Formelzeichen und Begriffe | III |
| 1. | Analysieren der Aufgabe und festlegen der Anforderungen in einer Anforderungsliste | 1 |
| 1.1 | Aufgabenstellung | 1 |
| 1.2 | Anforderungsliste | 2 |
| 2. | Aufstellung von Grundprinzipien für eine Tischausführung | 3 |
| 2.1 | Bewertung der Tischausfühtungen | 7 |
| 2.2 | Bewertungstabelle für die verschiedenen Tischausführungen | 8 |
| 2.3 | Ausführung der x-/y-Verstellung in einer oder in zwei Ebenen | 10 |
| 2.3.1 | x-/y-Tisch mit zwei Verstellebenen | 10 |
| 2.3.2 | x-/y-Tisch mit einer Verstellebene | 10 |
| 2.3.3 | Übergang von zwei Verstellebenen mit je einer Verstellrichtung auf eine Verstellebene mit zwei Verstellrichtungen | 11 |
| 3. | Genauere Untersuchung von verwendbaren Tischausführungen | 12 |
| 3.1 | Berechnung der linearen Federgelenkführung | 12 |
| 3.1.1 | Berechnung eines Federelements | 13 |
| 3.1.2 | Berechnung des Durchbiegungsverhalten in z-Richtung | 14 |
| 3.1.2.1 | Bestimmung der Massenschwerpunkte der einzelnen Bestandteile und des gesamten Massenschwerpunktes | 15 |
| 3.1.3 | Dynamisches Verhalten - Eigenfrequenz | 18 |
| 3.1.3.1 | Eigenfrequenz in x-Richtung | 18 |
| 3.1.3.2 | Eigenfrequenz in y-Richtung | 19 |
| 3.1.4 | Spannungsnachweis für die Federelemente | 20 |
| 3.1.4.1 | Freigeschnittenes Federelement mit zugehörigen Schnittgrößendiagrammen | 20 |
| 3.1.4.2 | Scherspannung | 21 |
| 3.1.4.3 | Biegespannung | 22 |
| 3.1.4.4 | Vergleichsspannung | 22 |
| 3.1.5 | Wärmeausdehnung | 22 |
| 3.2 | Berechnung der Parallelführung | 23 |
| 3.2.1 | Berechnung der Federn | 24 |
| 3.2.2 | Berechnung des Durchbiegungsverhalten in z-Richtung | 25 |
| 3.2.2.1 | Bestimmung der Massenschwerpunkte der einzelnen Bestandteile und des gesamten Massenschwerpunktes | 26 |
| 3.2.3 | Dynamisches Verhalten - Eigenfrequenz | 29 |
| 3.2.3.1 | Eigenfrequenz in x-Richtung | 30 |
| 3.2.3.2 | Eigenfrequenz in y-Richtung | 30 |
| 3.2.4 | Spannungsnachweis für die Federn | 31 |
| 3.2.4.1 | Freigeschnittene Feder mit zugehörigen Schnittgrößendiagrammen | 31 |
| 3.2.4.2 | Scherspannung | 33 |
| 3.2.4.3 | Biegespannung | 33 |
| 3.2.4.4 | Vergleichsspannung | 33 |
| 3.2.5 | Wärmeausdehnung | 34 |
| 3.3 | Berechnung des Monolithic Parallel Spring Mechanism | 34 |
| 3.3.1 | Berechnung der Federn | 35 |
| 3.3.2 | Berechnung des Durchbiegungsverhalten in z-Richtung | 36 |
| 3.3.2.1 | Bestimmung der Massenschwerpunkte der einzelnen Bestandteile und des gesamten Massenschwerpunktes | 37 |
| 3.3.3 | Dynamisches Verhalten - Eigenfrequenz | 40 |
| 3.3.3.1 | Eigenfrequenz in x-Richtung. | 41 |
| 3.3.3.2 | Eigenfrequenz in y-Richtung | 42 |
| 3.3.4 | Spannungsnachweis für die Federn | 42 |
| 3.3.4.1 | Freigeschnittene Feder ci mit zugehörigen Schnittgrößendiagrammen | 43 |
| 3.3.4.2 | Scherspannung | 44 |
| 3.3.4.3 | Biegespannung | 44 |
| 3.3.4.4 | Vergleichsspannung | 44 |
| 3.3.4.5 | Zug-Spannungsnachweis für die Verbindungsfedern vi | 45 |
| 3.3.5 | Wärmeausdehnung | 45 |
| 4. | Aufstellung von Grundprinzipien für die lineare Bewegung | 46 |
| 4.1 | Verschiedene Varianten einer Linear verstellung für kleine Verstellwege | 46 |
| 4.2 | Vorbewertung der Lösungsprinzipien | 60 |
| 4.3 | Bewertungstabelle für verschiedene Linearbewegungsprinzipien | 61 |
| 5. | Genauere Untersuchung von nutzbaren Linearbewegungsprinzipien | 70 |
| 5.1 | Federgelenk | 70 |
| 5.2 | Durchbiegung von Trägern | 71 |
| 5.2.1 | Statisch gelagerter Träger mit überstehenden Enden | 71 |
| 5.3 | Behälter unter Innendruck | 73 |
| 5.3.1 | Dickwandige Behälter unter Innendruck | 74 |
| 5.3.2 | Dünnwandige Behälter unter Innendruck | 75 |
| 5.3.3 | Federbalgelement | 77 |
| 5.3.4 | Kombination von Druckdose und Federbalgelement zu einem Druckelement | 80 |
| 5.4 | Verstellung über Materialausdehnung | 81 |
| 5.5 | Piezoelektrische Translatoren | 82 |
| 5.5.1 | Piezöelektrischer Effekt - Inverser piezoelektrischer Effekt | 82 |
| 5.5.2 | Niedervolt- und Hochvolt-Piezotranslatoren | 83 |
| 5.5.3 | Verschiedene Bauformen von piezoelektrischen Translatoren | 83 |
| 5.5.3.1 | Stapelbauweise | 83 |
| 5.5.3.2 | Streifenbauweise | 84 |
| 5.5.3.3 | Röhrchenbauweise | 85 |
| 5.5.3.4 | Hybrid Bauweise | 85 |
| 5.5.3.5 | Bimorphe Bauweise | 86 |
| 5.5.4 | Ausdehnung von piezoelektrischen Translatoren | 86 |
| 5.5.5 | Piezoregelung | 88 |
| 5.5.5.1 | Meßsystem mit Wirbelstromsensoren | 89 |
| 5.5.5.2 | Meßsystem mit kapgzitiven Sensoren | 89 |
| 5.5.5.3 | Meßsystem mit Astigmatismussensor | 89 |
| 5.6 | Piezotranslator und Linearmotor | 91 |
| 5.7 | Piezotranslator in Hybrid-Ausführung | 92 |
| 5.8 | CMA-Linearmotor | 92 |
| 5.8.1 | Arbeitsprinzip eines CMA-Linearmotors | 93 |
| 5.9 | Inchworm-Linearmotor | 94 |
| 5.9.1 | Arbeitsprinzip eines Inchworm-Linearmotors | 94 |
| 5.10 | Piezo-Flex Hebelübersetzung | 95 |
| 5.11 | Bewertung der untersuchten und beschriebenen Lösungsprinzipien | 96 |
| 5.12 | Bewertungstabelle für die untersuchten und beschriebenen Lösungsprinzipien | 97 |
| 6. | Kombination der Lösungsprinzipien zu verschiedenen Konzepten | 100 |
| 6.1 | Kombinationsmöglichkeiten mit der linearen Federgelenkführung | 101 |
| 6.1.1 | Lineare Federgelenkführung mit Druckverstellung | 101 |
| 6.1.2 | Lineare Federgelenkführung mit Inchworm-Linearmotor | 101 |
| 6.1.3 | Lineare Federgelenkführung mit CMA-Linearmotor und Sensor | 103 |
| 6.1.4 | Lineare Federgelenkführung mit Linearmotor und aufgestecktem Piezotranslator | 103 |
| 6.2 | Kombinationsmöglichkeiten mit der Parallelführung | 104 |
| 6.2.1 | Parallelführung mit Druckverstellung | 104 |
| 6.2.2 | Parallelführung mit Inchworm-Linearmotox | 105 |
| 6.2.3 | Parallelführung mit CMA-Linearmotor und Sensor | 106 |
| 6.3 | Kombinationsmöglichkeiten mit dem Monolithic Parallel Spring Mechanism | 107 |
| 6.3.1 | Monolithic Parallel Spring Mechanisin mit Druckverstellung | 107 |
| 6.3.2 | Monolithic Parallel Spring Mechanism mit Inchworm-Linearmotor | 108 |
| 6.3.3 | Monolithic Parallel Spring Mechanisin mit CMA-Linearmotor und Sensor | 109 |
| 6.3.4 | Monolithic Parallel Spring Mechanisin mit Linearmotor und aufgestecktem Piezotranslator | 110 |
| 6.3.5 | Monolithic Parallel Spring -Mechanism nur mit Piezotranslator | 110 |
| 6.4 | Bewertung der verschiedenen Konzepte | 111 |
| 6.5 | Bewertungstabelle für die aufgeführten Konzepte | 112 |
| 6.6 | Geeignetste Konzepte für die Ausführung eines „Mikromanipulators mit Nanometergenauigkeit“ | 116 |
| 7. | Auslegung der geeignetsten Konzepte | 117 |
| 7.1 | Bestimmung der Abmessungen für die lineare Federgelenkführung | 117 |
| 7.2 | Nachrechnung der gefährdeten Querschnitte | 120 |
| 7.2.1 | Freigeschnittenes Federelement mit zugehörigen Schnittgrößendiagrammen | 120 |
| 7.2.2 | Scherspannung | 121 |
| 7.2.3 | Biegespannung | 122 |
| 7.2.4 | Vergleichsspannung | 122 |
| 7.3 | Maximale Wärmeausdehnung der einzelnen Bestandteile der linearen Federgelenkführung | 123 |
| 7.4 | Durchsenkung der einzelnen Bestandteile und Gesamtdurchsenkung | 124 |
| 7.5 | Dynamisches Verhalten - Eigenfrequenz | 127 |
| 7.5.1 | Eigenfrequenz in x-Richtung | 127 |
| 7.5.2 | Eigenfrequenz in y-Richtung | 128 |
| 8. | Konstruktionszeichnungen für die geeignetsten Konzepte | 130 |
| 8.1 | Konstruktionszeichnung für die lineare Federgelenkführung - X Y-Tisch | 131 |
| 8.2 | Konstruktionszeichnung für das Konzept 1.2a - Vorschlag I | 132 |
| 8.3 | Konstruktionszeichnung für das Konzept 1.2b - Vorschlag II | 133 |
| 9. | Zusammenfassung | 134 |
| 10. | Literaturnachweis | 136 |
| Anhang |
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Riek, Oliver September 1995: Entwicklung eines Konzeptes für einen Mikromanipulator mit Nanometergenauigkeit, Hamburg: Diplomica Verlag
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