Nové směry ve vývoji velmi přesných

V ČR bylo v roce 2003 480 SMS, nyní přes 1000
Nové směry ve vývoji velmi přesných
souřadnicových měřicích strojů
Z toho 60 % dotykových
• Metrologie měřidel délek,
• Seminář, Brno, 10. 9. 08
Jednotka délky
Zdroje celkové nejistoty
Metr je vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299792458 s.
chyby způsobené
fluktuací teploty
•
•
•
Realizace metru podle této definice se děje dvěma způsoby:
První je z doby letu světla podle vzorce pro rovnoměrný přímočarý
pohyb s = c . t
Druhým způsobem, interferometricky na základě superpozice
referenční a měrné větve, přičemž se využívá vlnové podstaty
světla. V obou případech je třeba koherentního zdroje záření.
Nejčastěji jím bývá laserový paprsek o určité vlnové délce (ve
viditelné oblasti záření např. 633 nm červený, 612 nm oranžový, 543
nm zelený a další), přičemž jeden ze základních požadavků je
vysoká stabilita frekvence. U státních etalonů délky se dosahuje
frekvenční stability v řádu 1.E –11 až v řádu 1.E –13
chyba kalibrační
procedury
21 geometrických
chyb 3D stroje
ANIMACE
Výpočet
EXCEL
Chyba dotyku
diagram znázorňující superpozici dílčích chyb
Zdroje celkové nejistoty
chyby způsobené
fluktuací teploty
chyba kalibrační
procedury
Schéma návaznosti
21 geometrických
chyb 3D stroje
Chyba dotyku
diagram znázorňující superpozici dílčích chyb
1
Zdroje celkové nejistoty
chyby způsobené
fluktuací teploty
chyba kalibrační
procedury
21 geometrických
chyb 3D stroje
Chyba dotyku
diagram znázorňující superpozici dílčích chyb
Kalibrace dotyku
• Measurement of 1 mm calibration sphere
Calibration sphere roundness
after error separation: 40 nm
21 geometrických chyb
Optické měřicí stroje
WERTH video check HA 800x400x200 mm v odd. technické délky ČMI
2
Bitmapová grafika
Odchylka tvaru
• Ke zobrazení využívá mřížku bodů
(PIXEL – obrazový bod).
• Kvalita závisí na počtu bodů
• Využívá se pro: monitory, CCD senzory,
fotografie
Odchylka tvaru
•
Odchylky tvaru ve Virtuálním měřicím stroji
•
Obrázek: tvary.png
•
Obrázek je možné objednat
na adrese http://www.iigdt.com/id34.htm
Základna
UKÁZAT
VYZKOUŠET
Obrázk z1.jpg a z22.gif
Odchylka tvaru - normy
Rovnoběžnost
Přímost (ISO 12780),
Kruhovitost (ISO 12181),
Rovinnost (ISO 12781),
Válcovitost (ISO 12180).
3
Rovnoběžnost
Design : separate metrology frame
probe
Metrology
frame
xyz-stage
mirror table
granite base
suspension frame
3D Nanometre metrology
Zeiss F25
• Mitutoyo Legex 574
– Range X,Y,Z : 510, 710, 460
– E1 = 0,35 + L/1000 µm
• Multi-sensor machine
• 3D Mikrotaster
• Zeiss Carat UPMC 850
– Range X,Y,Z : 850, 1150, 600
– E1 = 0,7 + L/600 µm
3D Abbe
IBS PE : Isara
Sios : NMM
Panasonic : UA3P
Stationary probe, moving table
Mitutoyo NanoCord
• Resolution 1 nm
• Range 300 x 200 x 100 mm
• Machine uncertainty
– E1 = 0,2 + L/1000 µm
Table position measured in 3D Abbe
using plane mirror interferometers
4
Sios : NMM-1
• Range 25 x 25 x 5 mm
• Resolution 0,1 nm
• No Probe
• No CMM software
3D Nanometre metrology
• Werth VideoCheck V HA
– Range X,Y,Z : 400, 250, 150
– E1 = 0,25 + L/900 µm
• Mahr OMS 400
– Range X,Y,Z : 450, 400, 300
– E1 = 0,9 + L/600 µm
IBS Precision Engineering : Isara
• Range 100 x 100 x 40 mm
• Measuring uncertainty :
U1 = 15 nm (X & Y)
U1 = 25 nm (Z)
U3 = 30 nm (3D)
NIST
• Molecular Measuring Machine M3
• 3D Abbe
• Workpiece weight : max. 6 kg
• Temperature : 20°C ± 0,5°C
Analogue nanometre probes
•
•
•
•
Capacitive measurement system
Parallel kinematics
Probe radius 150 µm
Stiffness : 10 N/m
Isotropic
• Moving mass 370 mg
• Resolution 1 nm
UNIVERSAL AND FLEXIBLE 3D COORDINATE METROLOGY
FOR MICRO AND NANO COMPONENTS PRODUCTION
CALL FP6-2004-NMP-NI-4
INTEGRATED PROJECT (IP) - 026717-2
Applied on Isara
5
Nano CMM Project in Figures
Project Challenges
• 4½ Project (2006-2011).
Design Criteria - Optical Probes
optical point and area probes alone
effective tip diameter: 300 nm
aperture half-width: 45º
working distance: >5 mm (3 mm)
z-measuring range: 1
µm - 10 µm
Z uncertainty: 10 nm - 50 nm
XY (lateral) uncertainty: 200 nm (300 nm)
true 3D uncertainty: 200 nm (300 nm)
• 15 Partners.
• Budget ≈ 10.000.000
• 6 Countries.
• Nano-Metrology Market estimates: $US 200 billion.
• Microsystems Technologies market grow: 20% rate per annum.
note:
stitching of
optical point and area probes in XYZ Cartesian system with stitching
point clouds taken in diffetrue 3D uncertainty: 200 nm (300 nm)
rent orientations (with anistrotropic uncertainty) imoptical point and area probes in XYZ AB coordinate system
proves (averages) resolution true 5-axis uncertainty: 100 nm (200 nm)
• Intensive High-tech SME involvement
Nano CMM Team
Project Challenges
Participant Role
Participant Nº
Participant Name
Country
CO
1
UNIMETRIK
ES
CR
2
MAHR
DE
CR
3
IBS PE
NL
CR
4
SIOS
DE
CR
5
TRIMEK
ES
CR
6
DATAPIXEL
ES
CR
7
NASCATEK
DE
CR
8
NOLIAC
DK
CR
9
PHILIPS DAP
NL
CR
10
PTB
DE
CR
11
TEKNIKER
ES
CR
12
INNOVALIA
ES
CR
13
CMI
CZ
CR
14
DTU
DK
CR
15
ILLMENAU IPM
DE
Project Challenges
Design Criteria - Tactile Probes
Design Criteria - Probe Charger Probe Tip Changer & Rotary Stage
XYZ positioning alone
(corner cube object carrier, laser interferometers, pitch/yaw/roll compensation)
1D static:
10 nm
3D static within 20mm x 20mm x 10mm:
25 nm
vibration in slow scanning motion:
25 nm RMS
vibration in stand still:
10 nm RMS
engage/
disengage
probe
probe changer and probe tip changer
repeatability:
20
µm
dual axis
rotary stage
fiducial
marks
object
rotary axes alone
3D uncertainty static
within 20mm x 20mm x 10mm:
Drift, thermal stability
of entire system within 10 min:
of each component within 10 min:
stylus changer
on probe head
nano tubes
20
µm
50 nm
25 nm
stylus
in use
Conclusions
• Nano-CMM will provide the micro-manufacturing
industry with similar facilities as known from
traditional industries
• Nano-CMM will allow Europe to maintain
worldwide leadership in metrology at the nano
and micro level.
• Nano-CMM provide an excellent business
opportunity for high-tech SME.
6
Nano CMM
Měření skleněným optickým vláknem
Normy vztahující se k souřadnicovým
měřicím strojům:
Optické měřicí stroje
• ISO 10360-1:2000 – Geometric Product Specifications (GPS) – Acceptence and
reverification tests for CMM, Part 1: Vocabulary,
• ISO 10360-2:2000 – Geometric Product Specifications (GPS) – Acceptence and
reverification tests for CMM, Part 2: CMMs used for measuring size,
• ISO 10360-3:2000 – Geometric Product Specifications (GPS) – Acceptence and
reverification tests for CMM, Part 3: CMMs with the axis of a rotary table as the fourth axis,
• ISO 10360-4:2000 – Geometric Product Specifications (GPS) – Acceptence and
reverification tests for CMM, Part 4: CMMs used in scanning measuring mode,
• ISO 10360-5:2000 – Geometric Product Specifications (GPS) – Acceptence and
reverification tests for CMM, Part 5: CMMs using multiple-styus probing systems,
WERTH video check HA 800x400x200 mm v odd. technické délky ČMI
• ISO 10360-6:2000 – Geometric Product Specifications (GPS) – Acceptence and
reverification tests for CMM, Part 6: Estimation of errors in computing Gaussian associated
features.
Multisenzorový souřadnicový měřicí stroj
WERTH
•
•
•
•
•
•
WERTH video check HA 800 x 400 x 200 mm
s parametry měření:
Nejlepší měřicí schopnost (MPE)
Při oboustranném měření (bidirectional)
E1:(0.50 + L/900) µm
Tento stroj získal k využívání Český metrologický institut a iniciuje tím
zahájení výzkumu v oblasti submikronové dimensionální metrologie, ale i
pokrytí potřeb průmyslu ČR.
4. seminář Českého metrologického institutu
•
22.října 2008 v Praze
•
Novotného lávka 5, v Praze 1,
•
Doba trvání 9.30 – 16.00
•
•
Název semináře”
Úvod do měření dílů mikro a
nano technologií
s použitím souřadnicových
měřicích strojů dotykových,
optických a
multisenzorových
včetně Nano cmm – stroje
pro měření dílů mikro a nano
technologií
•
•
7