Ontwerpopdracht MEONCursus FMT Mechatronica HvU 2004/2005

Ontwerp van een REMA

Danny van Rekum

Herman Steunenberg

Ellart Meijer

Opdrachtomschrijving

• Maak een unit die de belichting van een wafer doseert, waarbij zowel positie als hoeveelheid licht moet worden gestuurd. In Z-richting wordt een scannende beweging gemaakt en in Y-richting wordt voor de scan de breedte ingesteld.

Ontwerpeisen

Z (Scanrichting) Y X

Levensduur 3E8 bewegingen 3E8 bewegingen -

Contaminatie - - -

Scansnelheid 0.5m/s - -

Positienauwkeurigheid < 5µm <5 µm -

Bereik 50 mm 25 mm -

Belasting omgeving - - -

Acceleratiebereik 10 mm - -

Tijdsconstante 5T => 10 mm 5T => 10 mm -

Insteltijd - 25 mm/10s -

Lichtonderbreking - - 0.5 mm

Buitenafmetingen 150 mm 160 mm 100 mm

Belicht oppervlak 30 mm 60 mm -

Blad-overlap 0 0 -

Minimale spleet - 10 mm -

Licht golflengte 365 nm

Lichtvermogen 0.5 W/mm2

Grafische voorstelling

Y=160mm

Z=

150m

m

30+

5mm

60mm

10mmacceleration

30+

5mm

10mmacceleration

25+5mm 25+5mm

10mmacceleration

Vastlegging van vrijheidsgraden

Y

X

Z

Y-bladen

Vrijgegeven translatie

Vrijgegeven rotatie

Vastgelegde translatie

Vastgelegde rotatie

Y

X

Z

Z-bladen

Y-bladen:

Thermische uitzetting in Z vrijgeven

Aandrijfrichting in Y vrijgeven

Z-bladen:

Thermische uitzetting in Y vrijgeven

Aandrijfrichting in Z vrijgeven

Keuze matrixA

andr

ijvin

g

gele

idin

g

mot

ore

n

wa

rmte

tran

spor

t

posi

tiem

etin

g

mat

eria

len

cont

rol

krac

ht o

p o

mg

evin

g

schroefspil kogelrechtgeleiding DC koelen met water weerstand keramiek analoog lage bewegende massasnaar as-glijbus stappenmotor koelen met lucht licht aluminium digitaal massa-evenwichtband flexures voice coil niet koelen stroom rvs stroomsturing hoge massa behuizingnok "aandrijving" lineair geleiding glasliniaal koper spanningssturing krachtlus in aandrijvingvoice coil lucht peltier encoder op motor zilver opzetprofiel vd beweginglucht hydraulisch stralinghydraulisch piezo(stepper) convectiestangen

Luchtlager scanbladen

Lucht uit

Lucht in

Lucht uit

Lucht in

Luchtlager Y

Luchtlagers

Lucht lager Y1Lucht lager Y1

Lucht lager Z2Lucht lager Z1

0,5 mm

Thermische uitzetting

Let erop dat uitzetting niet tot verplaatsing of rotatie leidt

dL= L * dT * αalu

dL= 80 mm * 60K * 8.2E-6 /K = 0,03984 mm

Stijfheid van de veer moet lager zijn dan de lagerstijfheid.

Hiermee word voorkomen dat de constructie overbepaald is.

Overbepaaldheid opgeheven, ingeboet op kantelstijfheid

Koeling

Gebruik van buigstijfheid ter compensatie van de zwaartekracht

½ Fz-

comp

F

z

½ Fz-

comp

In

Uit

Koeling d.m.v. water, 0.359 liter/sec.

Temperatuur uitgaand water: 82 °C

Gemiddelde temperatuur: 52 °C

Uitvoering gaslager

De diameter van de as bepaalt voor een groot deel de stijfheid van het lager. Het lijkt dus goed een zo dik mogelijke as te kiezen. Hiermee neemt echter ook de diameter van de lagerbus toe en dus de massa.

Lucht wordt door as geblazen, hierdoor zijn geen slangen nodig om de luchtlagers te voeden. Door de openingen van het lager op een gunstige plaats te leggen kan het lager verplaatsen zonder dat de uitstroom opening in de as vrij komt.

Enkelvoudig radiaal gaslager (tribologie.nl)

ps/pa=6 <10

K

B/D=1.8 =18 10-6 Pa.s

D=12 10-3 m kp =2.5 10-15 m2 R =287

c=4 10-6 m T=293

F*0.162 s=10.4 mm

S=10.5 N/µm M =0.15 10-5 kg/s

F=21 M =0.08 liter/min.

Solve:

animation of pressure distribution

S=F/e [N/µm]

e=zakking tgv load

Berekening luchtlager

Symbols (reference)B Bearing width [m]D Shaft diameter [m]c radial clearance  ()R) [m]p

spressure supply [bar]

p

aatmospheric pressure [bar]

k

ppermeability [m2]

 

eccentricity ratio e/c [ - ]e eccentricity [m]s thickness porous ring [m]  

gas viscosity [Pas]

F Load [N]F*

Load number F/ A(ps-pa), A=BD [ - ]

M gas flow[kg/s]

S Stiffness coëfficiënt = F/e[N/m]

$ pressure ratio =0.5 [ - ], relative eccentricity e/c=0.5 [ - ]

Massa en krachten

Massa blad + 2 geleidingen:

H=55mm, B=65mm, T=10mm

Dichtheid Al2O3: 4*103Kg/m3

V=21*103 mm3 => 83 gram

Water: 12 gram

2 geleiding:

10 x 8 x 65 => m = 30 gr/st

Totaal: 155 gram

Scanbladen bewegen in Z, dit houdt in dat ze in het ergste geval tegen de zwaartekracht in moeten versnellen.

FValversnelling: 0.2kg * 9.81 m/s2 = 2N

Versnelling: in 2T van 10 mm, van 0 tot 0.5 m/s

Eenparig: 500 mm/s in 4 mm

s=1/2 v t2 => 0.004 = 1/2*0.5*t2 => t = 0.008 s

s = ½ a t2 => 0.01 = ½ a 0.0082 = a = 125 m/s2

Benodigde kracht om lineair te versnellen:

Ftrek= m*a + FValversnelling = 125 m/s2 * 0.2 kg = 25 N + 2 N = 27 N

Extra massa:

-Opnemer liniaal

-Band

-Bandbevestiging

-Koelslangen

Benodigde lagerstijfheid

Voor de zekerheid is de massa van het blad 200 gr gekozen en de versnelling lineair. Met de gevonden trekkracht en de momentenstelling is een lagerstijheid van 68,7 N/1 µm nodig.

27 N

80mm

55m

m

70mm

M1=27*70 = 1890 Nmm

F1=1890/(55/2) / 2 = 68,7 N

M2=27*0 = 0 Nmm

F2 = 0/(55/2) = 0 N

F2

M1 F1

Doordat er buiten het zwaartepunt wordt getrokken ontstaat er een moment op de lagers. De kracht die nuop de hoek van het lager ontstaat moet de lagerstijfheid kunnen opvangen.

Met de gegeven lagerstijfheid leidt dit tot een rotatie van het lagerblad van: xF1 = F1/S = 68,7 / 87 = 0,78 μm

xF2 = F2/S = 0 / 87 = 0 μm

Dit leid tot een scheefstand over de opening (60mm) van:

(0,78 + 0) * 60 / 80 = 0,59 μm per scanblad

Snaaraandrijving

Is 180 graden omwikkeling voldoende om de versnellingskrahcten op te kunnen nemen?

σtrek

σbuig=d/D

Ftrek

Dwiel

σbuig

ddraad

Spring steel Value min max

Tensile Strength, Yield, MPa -- 1590 2750Modulus of Elasticity, GPa 210 -- --

RVS 304Tensile Strength, Ultimate, MPa -- 485 --Tensile Strength, Yield, MPa -- 170 --Modulus of Elasticity, GPa 200 -- --

TitaniumTensile Strength, Ultimate, MPa 830 -- --Tensile Strength, Yield, MPa 760 -- --Modulus of Elasticity, GPa 117 -- --

De rek die optreedt in de band is:

L = 250mm

E = 117E3 N/mm2

A = 0.05 x 2 = 0.1mm2

Cband = E*A / L = 46.8 N/mm

Rek = Fversnelling / cband = 26N / 46.8N/mm = 0.556mm

Vastlegging van vrijheidsgraden

• Ontkoppelen aanhechting band op bladen– 2x torderen, je behoud je oppervlak– Insnoering geeft te hoge spanningen

Bandwiel

30m

m

6mm

26m

m

3mm

8mm

10mm

3mm

Traagheid wiel:

Jholle cininder = 1/12 m (3R2 + 3r2 + L2)

Materiaal Al: c = 2.7E-6 g/mm3

V1= ¼ pi (D2 – d2) = ¼ pi (302 – 262) = 1759

M=4.75gram

J1=1990

V2= ¼ pi (D2 – d2) = ¼ pi (302 – 262) = 1441

M=3.89gram

J2=701

V3= ¼ pi (D2 – d2) = ¼ pi (302 – 262) = 346

M=0.93gram

J3=25

Mtot =(V1+V2+V3)*ρ= 9.57g

Jtot = 2716 gmm2

Materiaalkeuze

Bij buigen en trekken aan dezelfde snaar moet voorkomen worden dat de maximale spanning wordt overschreden door de som van de buig- en trekspanning.

Uitgaande van de formule: Fmax = σtoelaatbaar * t * b – t2 * b * E/D wordt de over te brengen trekkracht F bij gegeven roldiameter en bandbreedte maximaal als: σbuig = σtrek = σtoel / 2

Voor maximale trekkracht:

Ftrek = σtrek * A => maximale σ voor een minimaal oppervlak

Voor een zo klein mogelijke roldiameter:

t/D = ε = σbuig / E => D = t * E / σbuig => Een grote σ en een kleine E

Spring steel Value min max

Tensile Strength, Yield, MPa -- 1590 2750Modulus of Elasticity, GPa 210 -- --

RVS 304Tensile Strength, Ultimate, MPa -- 485 --Tensile Strength, Yield, MPa -- 170 --Modulus of Elasticity, GPa 200 -- --

TitaniumTensile Strength, Ultimate, MPa 830 -- --Tensile Strength, Yield, MPa 760 -- --Modulus of Elasticity, GPa 117 -- --

Uit de tabel hiernaast blijkt dat de kleinste E /σ van deze drie materiaalsoorten met verenstaal wordt bereikt: 132 Titanium wijkt er niet veel van af met 154

Tabelwaarden verkregen bij www.matweb.com

Motortype

Motormontage

50mm

44.6mm

Koppel van motor wordt opgenomen in omgezette bladveer

Vastleggen rotatie

GPA16A 29:1 + RE-max 17 4.5W 21V

20-SIMulatie en conclusie

regelversterker

u

i

omega

T

v F

vF

omega

T

omega

Tv

Fv

Fv

Fv

Fv

Fomega

Tomega

T

MotionProfile1

PIDcontroller

Controller1PlusMinus1

K

Gain1

ModulatedVoltageSource1

DCMotor1

F

Zwaartekracht

P

PositionSensor1

1

i

Maxon_GP_16A

Stijfheid_band_RStijfheid_band_L J

Traagheid_bandwie_RBandwiel_2Bandwiel_1

m

Massa_schermJ

traagheid_bandwiel_L

J

Rotortraagheidsmoment