iENA-Silbermedaille für Beobachter der Atome

Das IMMS-Patent „Positionierungssystem mit einem Regler sowie Verfahren zu dessen Konfiguration“ wurde am 12.12.2024 zur Thüringer Auszeichnungsveranstaltung des PATON | Landespatentzentrum Thüringen an der Technischen Universität Ilmenau im Wettbewerb der Erfindermesse iENA mit einer Silbermedaille geehrt. Das PATON hatte Ende Oktober stellvertretend für den Erfinder Alex Huaman die Arbeit auf der iENA in Nürnberg in den Wettbewerb eingebracht.

Technische Produkte wie Smartphones oder Medizingeräte werden immer weiter miniaturisiert. In vielen Industriebereichen wächst daher der Bedarf an Präzisionsmaschinen, um kleinste Strukturen und Objekte hochgenau zu vermessen und zu bearbeiten. Diese Maschinen können Objekte nicht nur in kürzester Zeit auf den Nanometer genau und perspektivisch noch genauer positionieren. Sie können das auch in vergleichsweise großen Arbeitsbereichen von mehreren hundert Millimetern. Übersetzt in andere Dimensionen könnte man in Peru in eine Rakete steigen, die Zielkoordinaten des Parkplatzes am IMMS eingeben, losfliegen und schnell und sicher die anvisierte Parklücke treffen, solange sie bloß 60 cm breiter ist als die Rakete.

So ein genaues Arbeiten erlauben hochdynamische Mehrkoordinaten-Direktantriebssysteme, wie sie im IMMS entwickelt werden. Diese Systeme werden dabei in einem geschlossenen Regelkreis betrieben. Hierfür berechnet ein komplexer Regelalgorithmus aus Messdaten zum Ist-Zustand des Positionierschlittens neue Sollwerte für die Antriebe.

Das neuentwickelte Regelkonzept mit erweitertem dynamischem Beobachter ermöglicht eine sehr effektive Kompensation von Störgrößen. Es erhöht somit die Antriebspräzision im dynamischen Betrieb deutlich.

Im Einzelnen müssen Störkräfte mit diesem neuen Ansatz nicht genau gemessen werden, um kompensiert werden zu können. Zudem passt sich die Regelung adaptiv an langfristige Veränderungen der Störungen an.

Das neuartige Regelkonzept wurde für ein nanometerpräzises Antriebssystem mit drei Antriebs- und Führungselementen entwickelt. Diese Elemente erzeugen ähnlich einem Tripod vertikale Bewegungen sowie Kippungen um die horizontalen Raumachsen. Jedes dieser drei Elemente enthält neben der aerostatischen Führung zwei parallel wirkende Aktoren, die eine Vertikalkraft auf das bewegte Teil erzeugen und übertragen. Diese miteinander verkoppelten Einzelachsen werden dabei jeweils mit Einzelachsreglern mit den genannten Eigenschaften realisiert, was die Systemkomplexität senkt.

Das Neue im Regelkonzept ist der Störungsschätzer, welcher die das System störenden Kräfte und Momente in Echtzeit abschätzt. Basis für diese Schätzung sind speziell designte Modelle sowieso Messungen kurz vor der tatsächlichen Aktuierung. Mit diesen geschätzten Störungen können über den Regler die tatsächlich wirkenden Störkräfte kompensiert werden. Damit kann einem Übersprechen zwischen den Achsen und Fehlern entgegengewirkt und Störeinflüsse aus der Umgebung sowie aus dem Systeminneren entgegengewirkt werden.

Deutsches Patent: DE 10 2023 118 056 B3, IP verfügbar, Patentanmelder/-inhaber: IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH), Erfinder: Alex S. Huaman.