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