Mechatronic design of a modular three-axis slider system for high-precision positioning applications

Abstract

Hassas mühendislik alanındaki teknolojik ilerlemeyi takiben mikro/nano-mühendislik uygulamalarına olan ilgi artmış, son yıllarda mikro/nano-boyutlu birçok süreç ve ürün geliştirilmiştir. Mikro/nano boyutlarda işlem yapabilmekiçin kullanılacak makinaların yüksek doğruluk ve hassasiyete sahip mikro/nano-pozisyonlama cihazları içermesi gerekmektedir. Bu tezde bir üç eksenli mikro/nano-pozisyonlama cihaznın mekatronik tasarımı detaylı bir biçimde anlatılmaktadr. Ayrıca, nanometre seviyesinde hassasiyet degerlerine ulaşabilmekiçin dört evreli enkoderlerin mevcut çözünürlük değerlerinin arttırlmasını sağlayan uyarlamalı bir metod sunulmaktadır.Mikro/nano-pozisyonlama cihazlarının performans karakteristiği genellikle eksenlerin konumlama hassasiyetleri, hareket aralığı, maksimum hız ve ivmelenmeleri olmaktadır. Bu sebeple, bu tezde bahsedilen tasarımda eyleyici olarak üstün karakteristiklerinden dolayı sürekli mıknatıs lineer motorlar (PMLM) seçilmiştir. Ayrıca, kullanıcıya uygulamalarda esneklik sağlaması ve sistemkontrolünü kolaylaştırması amacıyla burada sunulan mikro/nano-pozisyonlama sisteminin tasarımı yapılırken modülerite ana kriterler arasında tutulmuştur. Modüler tek eksenli kızak sisteminin tasarımından sonra bu kızaklardan üçtanesinin birbirine dik olarak montajı ile üç eksenli pozisyonlama cihazı oluşturulmuştur. Bu tasarımda geri besleme sensörü olarak lineer optik enkoderler kullanılmıştır. Geliştirilen sistemin hareket aralığı her eksende 120mm'dir.Mevcut lineer optik enkoderlerin ölçüm çözünürlükleri 1 mikrometre olduğundan mikron altı seviyelerdeki pozisyonlama uygulamaları için enkoderlerin çözünürlükleri yazılım üzerinde arttırılmalıdır. Bu amaçla, dört evreli enkoderlerin mevcut çözünürlüklerini arttırmak üzere geliştirilen yeni bir metod bu tezde sunulmaktadır. Bu metod uyarlamalı sinyal düzeltme ve interpolasyon aşamalarından oluşmaktadır. Enkoder sinyallerindeki büyüklük farkları, ortalama değer sapmalarıve dört evreli faz farkı hataları üssel unutmalı ve sıfırlamalı tekrarlamalı en küçük kareler yöntemi (RLS) kullanılarak düzeltilmektedir. Düzeltilmiş sinyallerin interpolasyonu ise çevrim dışı oluşturulmuş bir hızlı erişimli taramalıtablo sayesinde yapılmaktadır. Bu tablo ile orijinal enkoder sinyalleri ile yüksek dereceli sinuzoidler arasında doğrusal eşleştirme yapılmıştır. Yüksek dereceli sinuzoidlerin ikili pulslara dönüştürülmesi sonucunda pozisyon bilgisi elde edilmiş olur. Sunulan metod kullanılarak 1 mikrometre orijinal çözünürlüğü olan bir enkoder ile 10nm'lik ölçüm çözünürlüğü elde edilmistir. Önerilen metodun etkinliğini gösteren deneyler tez içerisinde verilmiştir. Metodun doğrulaması elde edilen en yüksek çözünürlük dahil olmak üzere çeşitli çözünürlük değerleri için başarıyla yapılmıştır. Maksimum interpolasyon sayısını sınırlandıran pratikteki kısıtlamalar da detaylıca incelenmiştir.

Following the recent improvements in precision engineering related technology, interest for micro/nano-engineering applications are increased and various micro/nano-scale operations and products are developed. For micro/nano-scaleapplications, high-precision equipment including micro/nano-positioning devices with high accuracy and precision are required. In this thesis, mechatronic design of a three axes micro/nano-positioning device is discussed in detail. In order to satisfy nanometer level precision, an adaptive method to increase the available measurement resolution of quadrature encoders is presented.Performance characteristics of micro/nano-positioning devices usually include positioning accuracy of their each individual axis, operation range, maximum velocity and maximum acceleration. For this reason, permanent magnet linearmotors (PMLM) are chosen as actuators in the presented design due to their outstanding characteristics. Moreover, in order to provide high-flexibility in terms of applications and simplify the control of the system, modularity is one of the main concerns while designing the micro/nano-positioning system presented here. Building the modular single axis slider system, three axes positioning device is constructed by assembling three of them perpendicularly. In this design, linear optical encoders are used as feedback sensors. Movement range of the designedsystem is 120mm in each direction.Since the available linear optical encoders have measurement resolution of 1 micrometer, resolution of them is to be improved in software for sub-micron level positioning applications. For this purpose, a new method to increase the availablemeasurement resolution of quadrature encoders is presented in this thesis. This method features an adaptive signal correction phase and an interpolation phase.Imperfections in the encoder signals including amplitude differences, mean offsets and quadrature phase shift errors are corrected by using recursive least squares (RLS) with exponential forgetting and resetting. Interpolation of the corrected signals is accomplished by a quick access look-up table calculated offline to satisfy linear mapping from available sinusoidal signals to higher order ones. With the conversion of the high-order sinusoids to binary pulses, position information is derived. By using the presented method, 10nm measurement resolution is achieved with an encoder with 1 micrometer off-the-shelf resolution. Experiment results demonstrating the effectiveness of the proposed method are presented. Validation of the method is accomplished for several cases including the best resolution obtained. Practical constraints limiting the maximum interpolation number are also discussed in detail.