Möglichkeiten und Grenzen der Herstellung optischer Flächen auf schrittmotorgetriebenen Drehmaschinen

  • Im Rahmen dieser Arbeit ist eine existierende, hochpräzise Mehrachsendrehmaschine untersucht worden. Die Drehmaschine ist durch einen unkonventionellen Aufbau in der Summe als neuartig zu benennen. Vom Üblichen abweichende Führungen (Doppelprismenführungen als berührende Gleitführungen statt Wälzführung oder berührungsfreie Gleitpaarung) werden durch schwingungsanregende Motoren (Schrittmotoren statt Servomotoren) angetrieben. Durch den Einsatz von Schrittmotoren wird die Position der Achsen gesteuert und nicht geregelt, eine Anzeige der Achsstellungen wird nur zur Arbeitserleichterung bei der Einstellung von Referenzpunkten verwendet. Aufgrund der Unkonventionalität des Maschinenaufbaus bestand trotz grundsätzlich nachgewiesener Eignung zu höchst präziser Fertigung Unsicherheit hinsichtlich erreichbarer Oberflächengüte und Formtreue für typische Bearbeitungsaufgaben der Metalloptikherstellung. Die Eignung der Maschine zur Herstellung einer weiteren Kategorie höchst präziser Optikelemente, Gitter oder allgemeiner Mikrostrukturen, wurde in der Vergangenheit zwar immer wieder gefordert, postuliert und teilweise auch nachgewiesen, eine Grenze der auf dieser Maschine möglichen Mikrostrukturgenauigkeiten ist jedoch bisher nicht nachgewiesen worden. Zur Erlangung besserer Planungssicherheit für die Weiterentwicklung und auch tägliche Arbeit mit dieser Maschine wurde eine mathematische Beschreibung inkl. Fehlerbetrachtung der Werkzeugposition in Abhängigkeit der Achsstellungen erstellt. In diese Fehlerbetrachtung fließt mit der praktischen Ausrichtung und Justierung der Maschine ein wichtiger genauigkeitsbestimmender Arbeitsschritt ein. Weitere Fehlerfaktoren, z.B. thermisch induzierte Positionsfehler und Schwingungen, wurden in den auftretenden Wirkungen beobachtet und angegeben. Dieses mathematische Modell und die Fehlerbetrachtung werden auf beispielhafte, typische Bearbeitungsaufgaben aus dem Bereich der Metalloptiken (Spiegel: Planflächen, sphärisch konkave Flächen, asphärisch konkave Flächen) und zusätzlich Gitter als Mikrostrukturierung angewendet. Es wird die aus dem mathematischen Modell abgeleitete Vorhersage erreichbarer Oberflächen / Rauheiten mit den tatsächlich erreichten Werten verglichen. Dieser Vergleich stützt bei Planflächen, Sphären und Asphären das Modell, gleichzeitig kann nur geringes Verbesserungspotential ausgemacht werden. Bei Gittern stützt der Vergleich im Betriebsmodus kontinuierliches Vorschubdrehen ebenfalls das Modell, jedoch kann aus Modell und Praxis Verbesserungspotential durch kleinere Winkelschritte der Antriebsmotoren abgeleitet werden. Die Grenze des Modells wird bei der Gitterherstellung durch nicht kontinuierliches Vorschubdrehen (Burst-Mode, Feuerstoß-Vorschub) aufgezeigt: Diese Betriebsart regt mit harten Stößen die gesamte Maschine zu deutlichen Schwingungen an und überfordert zusätzlich die Gleiteigenschaften der Führungen, so dass entgegen theoretischer Vorhersagen eine deutliche Verschlechterung der Konstanz der Grabenabstände realisiert wird. Die gesammelten Erkenntnisse führen im Kapitel Ausblick zu einer Vielzahl an Verbesserungsmöglichkeiten. Letztendlich wird prinzipbedingt eine Schwäche bei der Mikrostrukturierung nachgewiesen, wodurch sich hier das höchste Verbesserungspotential ableiten lässt. Bei realistischer Betrachtungsweise wird jedoch eine Empfehlung zur Bearbeitung kontinuierlicher Oberflächen erkannt werden. Hier liegt das Verbesserungspotential allerdings vorwiegend in einer Rationalisierung der Programmierung und Achssteuerung für häufig wechselnde Prototypen, also auf wenig wissenschaftlichem Gebiet. Als Fortführung dieser Arbeit wird das Aufstellen und Überprüfen eines thermischen Modells der Maschine empfohlen. Hieraus könnten nicht nur weitere Verbesserungsmöglichkeiten abgeleitet werden, darüber hinaus sind die beim Aufstellen und Überprüfen des thermischen Modells gefundenen Kenntnisse schon jetzt im Bereich der UP-Fertigung wichtig und werden weiter an Bedeutung gewinnen.
  • The objective of this work was to examine an unconventional high-precision multi-axis turning machine. The stages of this machine differ from those commonly employed (double prism slideways in form of touching guide slide bearings instead of ball bearings or non-contacting hydro/aerostatic bearings) and are driven by oscillation stimulating motors (stepper motors instead of servomotors). By using stepper motors, the position of the slides is steered rather than regulated, and a position display is only used to allow for easy adjustment of reference points. Although in principle proven to be suitable for high-precise manufacturing, it was uncertain if the surface quality and shape accuracy required for typical machining tasks in metal optic production could be attained due to the unconventional design of the machine. The suitability of the machine for the production of high-precision optical elements, gratings or general microstructures, has been consistently postulated and partly proven in the past; however, the limit of precision of microstructure production that can be achieved on this machine was not known. To obtain better planning reliability for further development of the machine, as well as for daily work with it, a mathematical description, including error analysis of the tool position in dependency of the stage positions was made. The practical alignment and justification of the machine components is an important precision defining work step that is reflected in the error analysis. Additional error factors, e.g. oscillations and thermally induced position errors, were observed and documented as they appeared. This mathematical model and the error analysis were applied to exemplary, typical machining tasks of metal optic production (mirrors: plane, spherical and aspherical) and to gratings as example for microstructures. The prediction of attainable shape accuracy / surface roughness derived from the mathematical model is compared to the values actually reached. The comparison supports the model for plain areas, spheres and aspheres, but at the same time only limited improvement potential could be determined. When producing gratings in the “continuous feed” machine mode, the comparison also supports the model; however possibilities for improvement by using smaller angle steps of the driving motors can be derived from both model and practice. The limit of the model is identified when producing gratings with non-continuous turning (burst mode feed, burst of synchronized steps pushing the slide): This mode of operating with hard shocks oscillates the entire machine and overstrains the gliding properties of the stages, resulting in a clear deterioration of the constancy of the groove distances, which was not predicted by the model. The collected findings are the basis for a variety of improvement possibilities described in the chapter “Ausblick” (Outlook). A general weakness in producing precise microstructures is proved, so that in theory this area offers the greatest potential for improvement. A practical approach however will recommend the machining of continuous surfaces. Here, the potential for improvement lies mainly in the rationalization of programming and motion controls for frequently changing prototypes. As a continuation of this work, building and checking a thermal model of the machine is recommended, which could lead to the identification of further improvement possibilities. Furthermore, the knowledge that can be gained by building such a model is already valuable in the area of ultra-precision manufacturing at present and will continue to gain in importance.

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Manfred Bobertag
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-19707
Advisor:R. Haberland
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2006
Year of Publication:2006
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2006/06/19
Tag:Hochleistungsoptik ; Metalloptik ; Mikrozerspanung ; Schrittmotor; Spiegel
GND-Keyword:Diamant ; Dissertation ; Optik ; Spanende Bearbeitung
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $