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Wie die Resonanzfrequenz die Leistung eines Nanopositioniertisches bestimmt

24.03.23

Es wird allgemein angenommen, dass die Kenntnis der Resonanzfrequenz eines Nanopositioniertisches einen genauen Hinweis auf seine Leistung gibt, insbesondere auf seine dynamische Leistung. Einfach ausgedrückt bedeutet eine höhere Resonanzfrequenz eine schnellere Bewegung der einzelnen Tischachsen. Leider ist es, wie bei vielen Dingen im Leben, selten so einfach!

In der Praxis wird die Resonanzfrequenz durch mehrere Faktoren bestimmt. Diese wirken sich alle auf die Leistung des Tisches aus und müssen daher gleichermaßen berücksichtigt werden, bevor die richtige Auswahl eines Nanopositioniersystems getroffen werden kann. Zu diesen Faktoren gehören:

Die für den Bau des Positioniersystems verwendeten Materialien, wie z. B. die Materialsteifigkeit und -dichte, beeinflussen die Resonanzfrequenz. Ein Material mit geringer Dichte hat eine höhere Resonanzfrequenz, da seine bewegte Masse gering ist; fügt man jedoch eine Last hinzu, fällt die Resonanzfrequenz schnell ab. Im Vergleich dazu behält ein Tisch mit hoher Steifigkeit, selbst wenn er aus einem schweren Material hergestellt ist, seine Resonanzfrequenz viel besser bei.
Die auf den Nanopositioniertisch aufgebrachte Last, die die belastete Resonanzfrequenz definiert und normalerweise als erste Resonanz für jede Achse angegeben wird.
Die Steuer- und Rückkopplungselektronik, die für die Kontrolle von Faktoren wie der Auswirkung der ersten und zweiten Resonanz auf die dynamische Position jeder Achse des Nanopositioniertisches entscheidend ist.
Das Gesamtsystem, d. h. das Positioniersystem mit all seinen Befestigungselementen und das Gerät, an dem es angebracht ist, da jede Komponente eine andere Resonanzfrequenz haben kann.

Die Konstruktion von Nanopositionierergeräten

Aus der obigen kurzen Aufzählung wird deutlich, warum die bloße Betrachtung der Resonanzfrequenz jeder Achse kein genaues Bild von der Leistung des Nanopositioniersystems liefert. Sie erklärt auch, warum es in vielen Fällen unerlässlich ist, jedes System an die spezifischen Anforderungen der einzelnen Anwendungen anzupassen.

So müssen beispielsweise die Konstruktionsmaterialien und das Design des Tisches so gewählt werden, dass die Resonanzfrequenzcharakteristik für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Ein Schlüsselfaktor bei dieser Berechnung ist die verwendete Last auf dem Nanopositionierer. Aus diesem Grund konzentrieren sich Prior / Queensgate in vielen Datenblättern auf die Leistung unter Last, da dieses Kriterium die praktische Verwendung des Positioniersystems besser widerspiegelt. Generell gilt: Je größer die auf den Positioniertisch wirkende Last ist, desto niedriger wird die Resonanzfrequenz des Nanopositionierers Unsere hohe Steifigkeit des Piezos bedeutet, dass sich die Resonanzfrequenz bei einer Laständerung weniger stark ändert und daher jede dynamische Abstimmung weniger empfindlich auf Laständerungen reagiert.

Digitale Steuerung

Die fortschrittliche digitale Steuerung der einzelnen Nanopositionierungsstufen ist von entscheidender Bedeutung. Sie ermöglicht es insbesondere, die Leistungsmerkmale des Systems in Bezug auf Geschwindigkeit, Auflösung und Nutzlast genau abzustimmen und gleichzeitig unerwünschte Resonanzfrequenzeffekte zu eliminieren.

Wir erreichen dies durch eine Kombination aus maßgeschneiderten Software-Algorithmen und Notch-Filtern. Letztere ermöglichen es uns, Signale innerhalb eines eng definierten Frequenzbandes zu dämpfen. So können wir die Auswirkungen von Frequenzen, die in der Nähe der Resonanzfrequenz liegen, minimieren und die Auswirkungen der ersten und zweiten Frequenzen auf die dynamische Positionierung effektiv reduzieren.

Außerdem verfügt Prior / Queensgate über eine Reihe von Algorithmusmodulen zur Optimierung der der Leistung des Positioniersystems. Algorithmen zur Geschwindigkeits- und Beschleunigungssteuerung ermöglichen es, unsere Tische mit viel höheren Betriebsbandbreiten zu betreiben als Geräte, die sich ausschließlich auf die Positionssteuerung verlassen. Letztere verwenden zwar eine PID-Regelung zur Steuerung der Position, diese kann jedoch keine ausreichende Genauigkeit für die Steuerung von Hochgeschwindigkeitsbewegungen bieten. In einer Situation, in der die Steuerung innerhalb einer Bewegung erforderlich ist, um genaue Wellenformen oder Rampen zu erzeugen, ist die bessere Steuerung erforderlich. Mit der Trajektoriensteuerung kann jede Tischachse schnell in eine auf wenige Nanometer genaue Position gebracht werden, ohne dass der Tisch in Resonanz gerät. Mit diesen Steuerungsmethoden ist eine Bandbreite von mehr als 50 % der Resonanzfrequenz möglich, verglichen mit nur etwa 10 % bei einer klassischen PID-Steuerung.

Darüber hinaus hat Prior / Queensgate vor kurzem ein Resonanzerkennungssystem für viele unserer Nanopositioniertische eingeführt, das jedes System vor potenziellen Schäden schützt, indem es es abschaltet, sobald eine Tischachse zu schwingen beginnt.

Die richtige Wahl treffen

Unsere elektronischen Nanopositioniersteuerungen sind so konzipiert, dass sie genau auf die Eigenschaften unserer verschiedenen Tischmechanismen und Aktoren abgestimmt sind, um die höchsten Standards in Bezug auf Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der mehrkanalige Controller NPC-D-6000 beispielsweise kann bis zu drei Piezoaktoren und zwei- oder dreiachsige Nanopositioniergeräte mit einer Positionierauflösung im Pikometerbereich steuern. Alternativ kann die NPC-D-5200-Serie genutzt werden. Die Controller mit geschlossenem Regelkreis für Piezoaktoren, eignen sich ideal zur Optimierung der Leistung von Hochgeschwindigkeitstischen und, berechnen automatisch bis zu 120.000 Positionsmesswerte des Tisches pro Sekunde.

Die Auswahl der besten Kombination aus Nanopositioniertisch und Steuerungstechnologie für genau Ihre spezielle Anwendung ist nicht immer einfach. Wie wir bereits dargelegt haben, sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, von denen die Resonanzfrequenz nur einer ist; Hysterese, Einschwingzeit, Anstieg und Nichtlinearität sind nur einige der Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Sie alle zusammen können sich auf die Leistung, Auflösung und Wiederholbarkeit der einzelnen Tische auswirken – und damit auf die Qualität der wissenschaftlichen Arbeit, für die ihre Mikroskopeinheit verwendet wird.

Deshalb ist es wichtig, ein System zu wählen, das speziell für Ihre Anwendung entwickelt wurde, und sie mit einem Hersteller zusammenzuarbeiten, der über das Wissen, die Erfahrung und die Ressourcen verfügt, um Ihnen die beste Wahl zu ermöglichen.

Prior Scientific ist seit über 100 Jahren in der Feinmechanik tätig und Queensgate verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Nanopositionierung (1978). Wir verfügen über die Forschungs- und Fertigungskapazitäten und die Produkte – sowohl Standard- als auch Sonderanfertigungen und OEMs -, um Ihnen die größtmögliche Auswahl an Optionen zu bieten und Sie und Ihr Team mit engagierter technischer und kommerzieller Unterstützung zu versorgen.