WHITEPAPER – So misst PI - Teil I-- Claus Mansmann --So misst PI - Teil I
Messumgebung / Messmittelportfolio / DatenauswertungPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
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WHITEPAPER – So misst PI - Teil I-- Claus Mansmann --Für PI ist jede Vermessung und Qualifizierung eines
Positionierund
Bewegungssystems
sowie
deren
Aufzeichnung ein Instrument der Qualitätssicherung. So wirdsichergestellt, so dass nur Produkte das Haus verlassen, dieinnerhalb der zugesicherten Spezifikationen liegen. Für die
Qualifizierung, sowie für die End- und Freigabeprüfungen allerBewegungs- und Positioniersysteme sind hochpräzise
Messungen erforderlich. Die Auswahl der Messumgebung
und der Messmittel werden dabei an die Anforderungen derjeweiligen Produktlinie angepasst.
Kriterien für die Auswahl sind die gewünschte Auflösung,Messgenauigkeiten, Toleranzen und Abtastraten. Daneben
spielt die Stabilität des Messaufbaus über die Zeit eineentscheidende Rolle und stellt besondere Anforderungen an
die Vermeidung von Drifteffekten z.B. durch entsprechende
Temperatur- und Schwingungsisolation.

Fig. 1 Blick in ein sechsfach isoliertes Nanometrologielabor. Die
Vermessung geschieht vollautomatisch unter kontrollierten
Umgebungsbedingungen.

Anzahl derMesslabore

1 Messumgebung
1.1

Messlabore

Alle Präzisionsmessungen werden auf schwingungsisolierten
Honeycomb-Tischen durchgeführt. Das Fundament jedes
Messraums ist wiederum vom übrigen Gebäude entkoppelt
und unterdrückt so seismische Einflüsse. Alle Messlabore sindklimatisiert.

VCKlassifizierung*Am Hauptsitz der Physik Instrumente (PI) in Karlsruhe stehen
215 spezielle Messlabore mit insgesamt über 750 m
Grundfläche zur Verfügung. Fünf Messlabore mit
vorgelagerten Bereichen zur Vortemperierung haben einespezielle seismische, elektromagnetische und thermischeIsolierung, die eine Temperaturstabilität besser als 0,25 Kelvinin 24 Stunden gewährleistet. Damit sind Messgenauigkeiten
bis in den Picometerbereich möglich. Langzeitmessungenbezüglich der Positionsstabilität sind nur unter solchen
Voraussetzungen möglich.

GesamtKlimatisiert
undseismisch
einfachentkoppelte
Grundfläche

Mehrfachseismisch,akustisch undthermischisolierte
Grundfläche

VC-D, VC-E,VC-F, VC-G

VC-G, VC-H, VC-I

282 m

2-

282 m

5276 m10481 m

15675 m22Fig. 2 Verfügbare Messlabore.
*Die VC-Klassifizierung ist für alle Räume unterschiedlich. Einfach
seismisch entkoppelte Räume erreichen die Klassen VC-D bis VC-G.
Das entspricht maximalen Vibrationen <6,25 µm/s imFrequenzbereich 1 bis 100 Hz. Mehrfach seismisch entkoppelte
Räume erreichen die Klassen VC-F bis VC-I. Das entspricht
maximalen Vibrationen <0,78 µm/s im Frequenzbereich 1 bis 100Hz.

Fig. 3 Temperaturstabilität eines Messraums über mehrere Tage

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WHITEPAPER – So misst PI - Teil I-- Claus Mansmann --1.2

Messtechnik in derProduktionsumgebung

Spezielle UmweltbedingungenIn der (Groß-)Serienfertigung wird ein Großteil derMessungen direkt in der Produktionsumgebung vorgenommen. Dadurch können Abweichungen im Prozessschnell festgestellt werden, was Ausschuss oder Kosten fürNacharbeit vermeidet.
PI entwickelt hierfür voll- und halbautomatische Mess- undPrüfplätze, die vor ihrem Einsatz in der Fertigung mit Hilfe
einer
Messsystemanalyse(„GageRepeatability&Reproducibility“) auf ihre Eignung validiert werden.

Messmittel

Temperaturbereich

FeuchtebereichPrüfraumvolumen

Klimakammer-72 °C bis+180 °C

10 ... 95 %rel.

190 / 275 l

Kryogenkammer

77 °K bis 300°K-21,2 lVakuumkammer

20 °C bis ca.
70 °C-98 / 106 l

Glovebox-ca. 5 ppm

748 l

1.4

Spezielle VorrichtungenEine Hub- und Kippvorrichtung mit einer Belastbarkeit von
5000 kg ermöglicht die Qualifikation von Positioniersystemen
unter beliebigen Winkeln, bei applikationsspezifischerAusrichtung und Last.

Fig. 4

Blick auf die halbautomatisierten
Großserienproduktion

Prüfplätze

füreine1.3Übersicht für Messmöglichkeiten unter
speziellen definierten
Umweltbedingungen

Die Qualifizierung eines Zwei-Tonnen-Hexapod setzt voraus,
dass für die Vermessung von Massen bis zu fünf Tonnen
sicher aufgebracht werden können. In der Schwerlasthalleüberspannen drei Brückenkräne den Arbeitsbereich undheben
undbefördern
dieKomponenten
derPositioniersysteme.

Im umfassend ausgestatteten Applikationslabor ist eineVielzahl
vonMessungenunter
speziellen
Umgebungsbedingungen möglich.
-11hPaVakuumkammern mit einem Basisdruck bis 10ermöglichen Funktionstests und Restgasanalysen. Je nachAnwendung ist nicht nur der Druckbereich, sondern auch dieerlaubten Reststoffe innerhalb der Vakuumkammer
entscheidend, wie beispielsweise in der Kristallographie oder
Optikbeschichtung.
Kryogenkammern für Messungen bei bis zu 77 °K(KondensationspunktStickstoff)ermöglichen
dieInbetriebnahme und Funktionsprüfung bei extrem niedrigen
Temperaturen.

Fig. 5

Am Standort in Karlsruhe dient eine Hub- und Kippvorrichtung
der spezifisch an die Applikation angepassten Vermessung bzw.
dem Qualifizieren von Produkten. Hier wird ein Hexapod mit Last
interferometrisch vermessen.

Auch Langzeituntersuchungen und die Überprüfung derLebensdauer sind unter diesen speziellen Bedingungenmöglich.

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WHITEPAPER – So misst PI - Teil I-- Claus Mansmann --2 Messmittel
Alle Messmittel sind durch eine Kalibrierung rückgeführt undsomit für Messungen mit geringsten Unsicherheiten geeignet.
Damit ist zu jedem Zeitpunkt die Übereinstimmung zwischen
dem Messergebnis und dem tatsächlichen Wert
gewährleistet, und zwar nachvollziehbar mit Bezug auf einen

2.1

nationalen oder internationalen Standard. Sehr häufig
kommen interferometrische Messsysteme zum Einsatz, diesich besonders durch hohe Auflösung, kurze Messzeit undeine berührungslose, verschleißfreie Messung auszeichnen.
Nicht alle Messmittel stehen an jedem Standort in jederAuflösung zur Verfügung.

Messmittel nach MessgrößeLänge / Weg
Messmittel

Messprinzip

Auflösung/DPMI

Messbereich

Taktile Messtasterinduktiv (inkrementell)bis 5 nmbis 50 mm

Laserinterferometer

optisch (inkrementell)bis 0,151 nm

bis 10 m

Vibrometer

optisch (Dopplereffekt)

2 nm

40 mm

Multisensor-Messmaschine

optisch und taktil

0,1 µm

300 mm × 300 mm ×160 mm

CNC Koordinatenmessmaschine

inkrementeller Taster mit
Glasmaßstab

0,1 µm

900 mm × 1800 mm ×800 mm

PISecakapazitiver Sensor

0,001 % des Stellwegs

bis 100 µm

Messmittel

Messprinzip

Auflösung/DPMI

MessbereichLaserinterferometer

optisch (inkrementell)bis 34 nrad

± 0,11°

Autokollimator (AKF)

optisch (Autokollimation)

bis 0,05 arcsec± 0,29° (bis zu ± 2,3°)

Winkelmessgerät / Rotationsencoder

inkrementell

bis 0,4 arcsec

360°

Messmittel

Messprinzip

Geschwindigkeitsauflösung

Vmax

Laserinterferometer

optisch (inkrementell)bis 10 nm/s

bis 4 m/s

Vibrometer

optisch (Dopplereffekt)bis 0,005 µm/s

bis 10 m/s

WinkelGeschwindigkeit

Oberflächenbeschaffenheit / Oberflächenebenheit
Messmittel

Messprinzip

Auflösung/DPMI

MessbereichWeißlichtinterferometer

optisch (inkrementell)

λ/25

80 mm × 80 mm

Weißlichtinterferometer

optisch (scannende WeißlichtInterferometrie)bis 1 nm

Z=70 mm
X=38 mm
Y =28 mm

Laser Scanning Mikroskop

bei glatten Oberflächen

optisch

X=100 mm; Y=100 mm;
1× - 8× Objektiv

Exzentrizität / Taumeln
Messmittel

Messprinzip

Auflösung/DPMI

Messbereich

Static Spindle Analyser

kapazitiv

80 µV/µm

Low ±125 µm
High ±6,5 µm

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WHITEPAPER – So misst PI - Teil I-- Claus Mansmann --3 Auswertung der Messdaten

Messgrößen zu überprüfen
Verschiedene Exportfunktionen

Die Qualifikation und Auswertung der Messgrößen von PI
Produkten orientiert sich an den Normen DIN ISO 230-2 undder VDI/DGQ 3441.
Die Qualifizierungsdaten sind für jedes einzelne Produkt
jederzeit nachvollziehbar. Die Messdaten sind inDatenbanken erfasst und werden zur Prozesskontrolle
herangezogen. Die Rückverfolgbarkeit bis auf die Ebene vonEinzelprodukten ist besonders interessant für die Produktion
von Großserien.
Bei vielen Systemen, wie z.B. Hexapoden oder Piezosystemen
wird das Messprotokoll zur Auslieferung beigelegt. Damit
kann kundenseitig jederzeit nachvollzogen werden, wie die
Leistungsfähigkeit des Systems vor Auslieferung war, undwelche Systemkomponenten zusammen gehören.

Fig. 7

Beispiele von VisualisierungenMessergebnisse

3.2

Mess-SoftwareausderDatenbank

fürDie Software zur Steuerung der voll- oder halbautomatischenMess- und Prüfplätze, entwickelt PI im eigenen Haus.
Sämtliche Messmittel können direkt von der Software
konfiguriert und ausgelesen werden, sodass es keine
unnötigen Fehlerquellen bei der Messwerterfassung bis hin
zur Ablage in Datenbanken und der Protokollerstellung gibt.

Fig. 6

Typisches Messprotokoll der Linearität und Impulsantwort eines
Piezosystems

3.1

Erfassen der Messdaten und statistische
Prozesskontrolle

FürdieSoftwareentwicklung
werdenaktuelle
Entwicklungsstandards,
wie
Versionskontrollsysteme,
Bugtracker,
automatisierteBuild-Systeme,
statische
Codeanalysen, UnitTests und CodeReviews eingesetzt. Somit
ist sichergestellt, dass die Software jederzeit rückführbar unddie Qualitätsstandards eingehalten werden.

Die Messdaten werden in Echtzeit automatisch übertragen, ineiner Datenbank abgespeichert und von dort in einer
webbasierten Benutzeroberfläche visualisiert. Der Zugriff auf
die Controlcharts und das Analysetool erfolgt über gängige
Webbrowser. Die Fachexperten haben sofort Zugriff auf alleProzessdaten und können bei Bedarf unmittelbar eingreifen.





Automatische Speicherung der Messdaten nach jederMessung
Realtime-Anzeige der Messwerte in Regelkarten
Multiregelkarten für maximale Prozesskontrolle
Dynamische Berechnung von Warn- und Eingriffgrenzen
Download der Rohdaten und Kundenprotokoll
Berechnung Prozessfähigkeit Cpk-Level
Pareto Chart für Prozessanalyse und Optimierung
Correlation Chart um die Abhängigkeit zweier

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Standardisierte
Prozesskontrolle
mit
Dokumentation der individuellen Messprotokolle

vollständiger

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WHITEPAPER – So misst PI - Teil I-- Claus Mansmann --Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe
Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen
Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise
Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt undfertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder
Motorantrieben. Eine kontinuierliche Entwicklung neuartiger
Antriebskonzepte, Produkte und Systemlösungen und über200Technologiepatentekennzeichnen
heute
dieUnternehmensgeschichte. Dabei entwickelt, fertigt undqualifiziert PI alle Kerntechnologien selbst: Von
Piezokomponenten,-aktoren
und-motoren
undmagnetischen Direktantrieben über Luftlager, Magnet- und
Festkörperführungen bis hin zu Nanometrologie-Sensoren,
Regeltechnik und Software. PI ist dadurch von den am Marktverfügbaren Komponenten unabhängig, um seinen Kunden
die fortschrittlichsten Lösungen anzubieten. Die hohe
Fertigungstiefe ermöglicht dabei eine vollständige
Prozesskontrolle, um flexibel auf die Marktentwicklungen undneue Anforderungen zu reagieren. Durch die Übernahme derMehrheitsanteile an ACS Motion Control, einem weltweit
führenden Entwickler und Hersteller modularer Motion
Controller für mehrachsige Antriebssysteme, kann PI
außerdemmaßgeschneiderte
Komplettsysteme
fürindustrielle Anwendungen liefern, die höchste Präzision undDynamik fordern. Mit vier Standorten in Deutschland undfünfzehn
ausländischen
Vertriebsund
Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe internationalvertreten.

WP4011D Messtechnik Messumgebung 04/2018 Änderungen vorbehalten. © Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2018Über PI

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