Ontwerpopdracht MEON Cursus 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 - Contaminatie Scansnelheid 0.5m/s Positienauwkeurigheid < 5µm <5 µm Bereik 50 mm 25 mm Belasting omgeving Acceleratiebereik 10 mm Tijdsconstante 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 Minimale spleet Licht golflengte 365 nm Lichtvermogen 0.5 W/mm2

Grafische voorstelling Y=160mm acceleration 10mm 30+5mm 10mm acceleration Z=150mm 60mm 25+5mm 25+5mm 30+5mm 10mm acceleration

Vastlegging van vrijheidsgraden Vrijgegeven translatie Vrijgegeven rotatie Vastgelegde translatie Vastgelegde rotatie Z X Z-bladen Y Z-bladen: Thermische uitzetting in Y vrijgeven Aandrijfrichting in Z vrijgeven Y-bladen: Thermische uitzetting in Z vrijgeven Aandrijfrichting in Y vrijgeven Z X Y-bladen Y

Keuze matrix

Luchtlager scanbladen Lucht uit Lucht in

Luchtlager Y

Luchtlagers Lucht lager Y1 Lucht lager Y1 Lucht lager Z1 0,5 mm Lucht lager Z1 Lucht lager Z2

Thermische uitzetting Stijfheid van de veer moet lager zijn dan de lagerstijfheid. Hiermee word voorkomen dat de constructie overbepaald is. 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 Overbepaaldheid opgeheven, ingeboet op kantelstijfheid

Koeling In Uit Koeling d.m.v. water, 0.359 liter/sec. Temperatuur uitgaand water: 82 °C Gemiddelde temperatuur: 52 °C Gebruik van buigstijfheid ter compensatie van de zwaartekracht ½ Fz-comp Fz

Uitvoering gaslager 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. 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.

Enkelvoudig radiaal gaslager (tribologie.nl) animation of pressure distribution Symbols (reference) B Bearing width [m] D Shaft diameter c radial clearance  ()R) ps pressure supply [bar] pa atmospheric pressure kp permeability [m2]   eccentricity ratio e/c [ - ] e eccentricity s thickness porous ring 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 B/D=1.8 ps/pa=6 =18 10-6 Pa.s <10 D=12 10-3 m kp =2.5 10-15 m2 R =287 c=4 10-6 m T=293 K Solve: F*0.162 s=10.4 mm S=F/e [N/µm] e=zakking tgv load S=10.5 N/µm M =0.15 10-5 kg/s F=21 M =0.08 liter/min. Berekening luchtlager

Massa en krachten Massa blad + 2 geleidingen: H=55mm, B=65mm, T=10mm 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 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 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. M1=27*70 = 1890 Nmm F1=1890/(55/2) / 2 = 68,7 N M2=27*0 = 0 Nmm F2 = 0/(55/2) = 0 N 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 27 N 70mm F2 M1 55mm F1 80mm

Snaaraandrijving Is 180 graden omwikkeling voldoende om de versnellingskrahcten op te kunnen nemen? σbuig=d/D σbuig Dwiel ddraad Ftrek 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 σtrek

Vastlegging van vrijheidsgraden Ontkoppelen aanhechting band op bladen 2x torderen, je behoud je oppervlak Insnoering geeft te hoge spanningen

Bandwiel 10mm 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 3mm 6mm 26mm 30mm 3mm 8mm

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 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 Koppel van motor wordt opgenomen in omgezette bladveer 44.6mm Vastleggen rotatie 50mm GPA16A 29:1 + RE-max 17 4.5W 21V

20-SIMulatie en conclusie