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Die
Erfindung betrifft einen mechatronischen Wechseladapter zur flexiblen
Befestigung von Nanorobotik-Modulen innerhalb einer Vakuumkammer,
insbesondere betrifft die Erfindung einen Wechseladapter, der ein
Nanorobotik-Modul vorzugsweise in einem Arbeitsgang elektrisch verbindet
und mechanisch hochpräzise
geführt
spielfrei befestigt.
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Vakuumkammern
im Sinne dieser Erfindung können
sowohl unter Vakuumbedingungen verschiedenster Arbeitsdrücke, als
auch oder unter Schutzgasen betrieben werden, wie es bei Reinstraumkammern üblich ist.
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Nanorobotik-Module
werden hierbei definiert als Aktoren mit Positionierauflösung im
Nanometerbereich und Hüben
bis in den cm-Bereich, wie zum Beispiel Linearantriebe, Positioniertische,
Drehantriebe, Drehtische, Schwenkmodule, Greifer beispielsweise
mit beweglichen Backen, sowie mehrachsige Antriebe bzw. Manipulatoren
und die Kombination aus solchen Modulen zu Systemen mit vielen Freiheitsgraden
der Bewegung. Einige dieser Aktoren können mit Wegmessung ausgestattet
sein, sodaß sie
auch absolut positionieren können.
Zu dieser Nanorobotik können
auch diverse Sensoren gehören,
welche in Aktormodulen integriert sind, von Aktoren bewegt werden
oder einfach so ein Bestandteil von Nanorobotik-Modulen sind. Zu diesen Nanorobotik-Modulen
gehören
zumeist sogenannten „Endeffektoren". Dies sind Objekte,
die von diesen Nanorobotik-Modulen
bewegt werden. Solche Objekte können
beispielsweise Werkzeu ge wie Spitzen, Schneiden oder Greifer sein – oder es
handelt sich um Sensoren zur Messung von Kenngrößen. Endeffektoren können auch
Kombinationen von Werkzeugen und Sensoren sein.
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Nanorobotik-Module
sind also Systeme, die mindestens 1 Kabel zur Stromversorgung pro
Antrieb plus eine gemeinsame Rückleitung
benötigen.
In der Regel werden jedoch weit mehr Kabelverbindungen benötigt, insbesondere
wenn Sensoren enthalten sind. Kraft-messende Cantilever benötigen beispielsweise
bereits 4 Leitungen. Und hochauflösende Positionssensoren benötigen bis
zu mehr als 10 Leitungen. Daher ist es naheliegend, daß Nanorobotik-Module
in einer meist schwer zugänglichen
Vakuumkammer einmalig fest installiert werden und die teils umfangreichen
Kabelsets von diesen Modulen ausgehen und zu Kammerdurchführungen
verlegt werden.
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Nachteil
dieser Standardlösung
ist, daß vom Bedienpersonal
durchzuführende
Arbeiten am Nanorobotik-Modul, beispielsweise der Austausch oder die
Wartung eines Endeffektors, mit hohem Aufwand verbunden sind. Die
Nanorobotik-Module sind in meist relativ kleinen mit hochempfindlichem
Equipment gefüllten
Vakuumkammern schwer zugänglich, und
der Handhabungsraum ist äußerst begrenzt.
Außerdem
ist die Sicht im Inneren solcher Kammern stark behindert durch das
installierte Equipment. Platz für
Mikroskope zur Erfassung von Details ist meist nicht vorhanden.
Jede falsche Handbewegung kann teure Geräte beschädigen. Das präzise Justieren
von teils sehr kleinen und extrem empfindlichen Endeffektoren an
den Nanorobotik-Modulen ist unter so erschwerten Bedingungen kaum
möglich.
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Viel
einfacher wäre
es, wenn das gesamte Nanorobotik-Modul außerhalb der Vakuumkammer zur
Verfügung
stände.
Alle Komponenten wären leicht
zugänglich,
und Hilfsmittel jeder Art ständen leicht
zur Verfügung.
Dies ist aber auf Grund der Vielzahl von elektrischen Verbindungen
an diesen Nanorobotik-Modulen, die in der Kammer bis zu den Durchführungen
verlegt sind, quasi unmöglich:
Eine
Verlängerung
dieser Kabelsätze,
so weit daß die Nanorobotik-Module an Ihren Kabeln
hängend
aus der Vakuumkammer herausgenommen werden könnten, ist keine praktikable
Lösung:
Alle Operationen müßten im
Freiraum direkt vor der Kammeröffnung
stattfinden, ein Ort der kaum angemessene Arbeitsbedingungen mit
Unterstützung
von Geräten
wie Lampen, einem Tisch, Klemmen zur Fixierung, Mikroskopen, Werkzeugen
usw. bietet. Außerdem müsste nach
Abschluß der
Arbeiten das viel zu lange Kabelset wieder irgendwo in der Vakuumkammer verlegt
werden, ohne daß es
Gefahr läuft,
sich in beweglichen Objekten wie beispielsweise fahrenden Probenbühnen zu
verheddern. Erfahrungsberichte von Anwendern einer solchen Lösung zeigen,
daß es oft
zur Beschädigung
dieser zu langen Kabelsets kommt – und damit zu schwer lokalisierbaren
Funktionsstörungen.
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Ein
Ersatz der umfangreichen Kabelsätze durch
einen in der Vakuumkammer nahe bei dem Nanorobotik-Modul befestigten
Datenbus- Konverter könnte prinzipiell
aus vielen Kabeln wenige machen. Eine Funkübertragung aus der Kammer heraus scheidet
aus, da Vakuumkammern eine perfekte elektromagnetische Abschirmung
darstellen und Funkwellen nicht hindurch lassen. Und die Reduktion der
vielen Kabel über
Datenbus-Konverter klappt auch nur mit Digitalleitungen und sehr
simplen unempfindlichen Analogsignalen. Die meisten Signale von
und für
Nanorobotik-Module sind allerdings anderer Natur:
Stromzuführungen
für Antriebe
benötigen
relativ hohe Leistungen, die sich über ein Datenbussystem nicht
erzeugen lassen. Außerdem
sind relativ hohe Spannungen erforderlich, die ebenfalls nicht Datenbuskompatibel
sind.
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Sensoren,
beispielsweise für
die Wegmessung der Antriebe, benötigen
diverse hochempfindliche Analogsignale, die realistisch nicht in
Vakuumkammern auf Buslevel konvertiert werden können.
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Endeffektoren
erzeugen oder messen extrem empfindliche Analogsignale, die eine
aufwendige Signalauswertung erfordern, welche nicht realistisch
in der Vakuumkammer nahe bei dem Nanorobotik-Modul realisiert werden
kann.
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Damit
gesamte Nanorobotik-Module auch außerhalb der Vakuumkammer zur
Verfügung
stehen können,
müßten sie
also schnell, einfach und sicher aus der Vakuumkammer entfernbar
sein, ohne daß sie
an einem Kabelset hängend
im Bewegungsraum eingeschränkt
sind. Also muß eine
mechanisch lösbare
Befestigung in der Kammer geschaffen werden sowie zu sätzlich ein
elektrisches Stecksystem mit sehr vielen Steckkontakten. Je mehr
Kabelbaum am Nanorobotik-Modul hängt,
desto gefährdeter
sind die vielen Kabeladern. Je größer der Stecker ist, der am Ende
dieses Kabelbaums hängt,
desto gefährdeter ist
das gesamte Nanorobotik-Modul. Je mehr Pole ein elektrischer Stecker
hat, desto mehr Kraft ist für den
Ein- und Aussteckvorgang
erforderlich. Ein Ruck beim Ausstecken dieses Steckers irgendwo
im Inneren der Vakuumkammer kann diverse Zerstörungen an Kammerequipment und
Nanorobotik-Modul verursachen, ist also mindestens so unsicher wie
die Manipulation am in der Kammer verbleibenden Manipulator selber.
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Auch
die mechanisch lösbare
Befestigung des Nanorobotik-Moduls muß in der Kammer extreme Anforderungen
erfüllen:
bei fixiertem Zustand darf keinerlei mechanisches Spiel Vibrationen
in das Nanorobotik-Modul einkoppeln: bei massiver Befestigung liegen
die Vibrationen im Schnitt bei Werten kleiner 10 Nanometer, was
ein muß für die nano-Präzision des
Nanorobotik-Moduls ist. Auch sollte die Positionierung nach Aus-
und Einbau möglichst
exakt am gleichen Ort enden, damit die Position des am Nanorobotik-Modul
befestigten Endeffektors an gleicher Stelle bleibt. Damit scheiden
simple Fixierungen wie beispielsweise nur mit Schrauben und Gewinden aus:
das Spiel in den Gewinden verhindert bereits ein exakt reproduzierbares
Positionieren.
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Auf
Grund von obiger Argumentation ist also der Gedanke, komplette Nanorobotik-Module
leicht, sicher und schnell aus Vakuumkammern ausbauen zu können, eher
abwegig.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mechanische und elektrische
Verbindungstechnik derart weiterzubilden, dass damit der einfache,
sichere und schnelle Ausbau von kompletten Nanorobotik-Modulen aus
Vakuumkammern ermöglicht
wird.
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Diese
scheinbar unlösbare
Aufgabe enthält mehrere
im Folgenden beschriebene Problemstellungen und ihre Lösung dazu:
Das
Zusammenführen
von elektrischen Steckverbindern mit vielen Kontakten erfordert
eine freie Justage der Position zueinander, bis jeder Kontakt exakt
vor seinem Gegenstück
schwebt. Beim Zusammenstecken muß gewährleistet sein, daß keinerlei
Querkräfte
auf das Stecksystem ausgeübt
werden, da diese die Kontakte oder das ganze Stecksystem beschädigen können. Gleiches
gilt im eingesteckten Zustand, auch dann dürfen keine Querkräfte auftreten.
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Die
Nutzung eines elektrischen Stecksystems für die mechanische Fixierung
des Nanorobotik-Moduls ist ungeeignet, da elektrische Steckkontakte
in der Regel mit Federn ausgestattet sind, nicht spielfrei sind,
nicht auf der Skala weniger Nanometer vibrationsarm sind, sowie
keine reproduzierbare Endposition besitzen.
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Die
mechanische Fixierung des Nanorobotik-Moduls mit einer stabilen
Schwingungs- und spielfreien Befestigungseinheit erfordert eine
Fixierung mit relativ hohem Andruck in eine genau definierte Position.
Würde die
elektrische Verbindung und mechanische Fixierung in einem Schritt passieren,
so folgen aus obigen Forderungen zwei mögliche Prozesse, die beide
in der Regel zum Bruch des Stecksystems führen:
Zuerst wird der
elektrische Stecker mit seiner Vielzahl von Kontakten nach freier
Justage seiner Position in sein Gegenstück geschoben. Anschließend wird
das gesamte Modul mechanisch so fixiert, daß das Nanorobotik-Modul vibrationsfrei
an genau vordefinierter Position geklemmt ist. Diese mechanische Fixierung
erzeugt eine Relativbewegung zwischen Stecker und Buchse, sodaß sich dort
hohe Querkräfte
aufbauen können,
die den Stecker zerstören
oder ihn zumindest schwergängig
machen und den Verschleiß erhöhen.
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Geht
man umgekehrt vor, so müßte die
mechanische Befestigungseinheit des Nanorobotik-Moduls an ihrer
reproduzierbaren Position mechanisch fest fixiert werden, und während dieser
Fixierung schiebt sich der elektrische Stecker mit seiner Vielzahl
von Polen in sein Gegenstück.
Da bei diesem Prozeß aber
die mechanisch reproduzierbare Positionierung ein freies Justieren
von Stecker und Buchse zueinander unmöglich macht, besteht die hohe Wahrscheinlichkeit,
daß zumindest
einige der Kontaktstifte nicht in Ihr Gegenstück finden, sondern sich verkanten
und das Stecksystem mit der hohen Kraft des mechanischen Fixierprozesses
zerstört
wird.
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Überraschender
Weise stellte sich in diversen Versuchen und Prototypen eine Vorgehensweise heraus,
die obige Probleme lösen
kann. Somit wird ein mechatronischer Wechseladapter in Vakuumkammern
ermöglicht,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Nanorobotik-Modul 2 damit
in der Vaku umkammer 1 mechanisch fixiert und elektrisch
verbunden wird. Anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen wird im Folgenden
die Erfindung näher
erläutert:
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1 schematisch
der Aufbau klassischer mechanischer Befestigungen und elektrischer
Stecksysteme in Vakuumkammern
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2 schematisch
der Aufbau des erfindungsgemäßen Mechatronischer
Wechseladapters, der mechanische und elektrische Verbindung in einem
Arbeitsgang löst
bzw. fixiert.
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Die
im Folgenden beschriebene Vorgehensweise ermöglicht die Erstellung eines
mechatronischen Wechseladapters in Vakuumkammern nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Nanorobotik-Modul 2 damit
in der Vakuumkammer 1 in einem Arbeitsgang mechanisch fixiert
und elektrisch verbunden wird. Die mechanische Fixierung muß dabei
an einer möglichst
reproduzierbaren Position erfolgen, möglichst schwingungsfrei und
stabil sein. Um dies zu erreichen kann man einen mechatronischen
Wechseladapter in Vakuumkammern nach einem der Ansprüche 1–2 so realisieren,
dass die mechanische Fixierung eine mechanisch hochpräzise Führung mit
Präzision
besser 100 Mikrometer, vorzugsweise im Bereich weniger Mikrometer
enthält, ein
Spiel und Vibrationen von weniger als einem Mikrometer, vorzugsweise
im Bereich unter 100 Nanometer aufweist, und aus stabilem metallischem
oder keramischem Material besteht.
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Eine
mögliche
Auslegungsart ist der Verzicht auf die freie Justage von Stecker 5 und
Buchse 6 bei jedem Steckvorgang. Dies ist scheinbar unmöglich, wird
aber realisierbar, indem diese freie Justage einmalig für jeden
neu konstruierten mechatronischen Wechseladapter stattfindet: der
elektrische Stecker 5 oder sein Gegenstück 6 oder beide werden
mechanisch lose gehalten, beispielsweise über eine nur sehr locker fixierte
Verschraubung. Damit bleiben die Steckeinheiten zueinander beweglich.
Nun wird das mechanische Stecksystem 3 des Nanorobotik-Moduls 2 vibrationsfrei
an genau vordefinierter Position mit einer mechanischen Fixierung 4 arretiert.
Da die elektrischen Steckmodule 5 und 6 sich relativ
kraftfrei bewegen lassen, können
sie den dabei auftretenden Scherkräften gefahrlos ausweichen.
Nun werden Stecker 5 und Gegenstück 6 noch einmal aneinander gedrückt, um
auch die elektrische Verbindung vollständig und sicher herzustellen.
Anschließend
werden elektrischer Stecker 5 und sein Gegenstück 6 einmalig
mechanisch in dieser Idealposition fixiert, ohne daß dabei
erneut Querkräfte
auftreten. Dies ist aus obigen Gründen genauso schwierig wie
beim Fixieren des mechanischen Wechseladapters 3. Da diese
Grundjustage nur einmal erfolgen muß, kann der Aufwand dafür auch erheblich
höher sein.
Eine Variante der kraftfreien Fixierung dieser Optimalposition ist
die Verwendung von Vakuum-tauglichem Kleber. Dieser Kleber muß mechanisch
so stabilisiert sein, daß er
nicht beim Betrieb des Wechseladapters weggesprengt wird. Eine Lösung dafür ist die
Erzeugung von Spalten, die mit dem Kleber gefüllt werden: Eine Seite der
Klebestelle fixiert den Stecker 5 bzw. sein Gegenstück 6,
die andere Seite schließt
mit einem massiven Block ab, der nicht beweglich ist. Eine oder
mehrere dieser „unverrückbaren" Klebestellen halten
Stecker bzw. Gegenstück
in ihrer Idealposition und können
trotzdem auch hohen Einsteckkräften standhalten.
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Eine ähnliche
Auslegungsart mit Verzicht auf die freie Justage von Stecker 5 und
Buchse 6 bei jedem Steckvorgang beginnt wie oben beschrieben
mit der kraftfreien Fixierung von Stecker 5 bzw. Gegenstück 6 mittels
einfachen Klebepunkten. Diese Fixierung ist provisorischer Natur
und soll nur ausreichen, damit eine Kraft ausübende feste mechanische Fixierung
von Stecker 5 bzw. Gegenstück 6 diese nicht beim
fixieren aus der Idealposition bewegt. So kann eine mechanisch stabile
Fixierung erreicht werden, auch wenn die Klebestellen den Einsteckkräften nicht auf
Dauer standhalten könnten.
Diese provisorische Klebefixierung könnte prinzipiell auch durch
mechanisches Klemmen oder beispielsweise magnetisch erfolgen, wenn
es gelingt solche Fixierungen ohne Verrutschen der Komponenten auszuführen.
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Um
beide obige Auslegungsarten zu erreichen wird ein mechatronischer
Wechseladapter in Vakuumkammern nach einem der Ansprüche 1–3 realisiert,
dadurch gekennzeichnet, dass Stecker 5 und Buchse 6 der
elektrischen Verbindung so präzise in
dem mechatronischen Wechseladapter zueinander ausgerichtet sind,
daß beim
Einsteckvorgang eine Selbstzentrierung erfolgen kann und beim mechanischen
Fixieren keine oder nur geringe Scherkräfte auf die elektrische Steckverbindung
ausgeübt werden.
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Eine
ganz andere Auslegungsart vermeidet den hohen einmaligen Aufwand
der präzisen
Erstjustage mit anschließender
Fixierung. Bei dieser Lösungsvariante
wird eine Mechanik konstruiert, die seitlich zur Steckrichtung in
einem nur ganz geringen Bereich schwimmend gelagert ist. Um diese
Auslegungsart zu erreichen kann man einen mechatronischen Wech seladapter
in Vakuumkammern nach einem der Ansprüche 1 bis 4 realisieren, dadurch
gekennzeichnet, dass Stecker 5 und Buchse 6 der
elektrischen Verbindung derart zueinander schwimmend gelagert sind,
daß beim
Einsteckvorgang eine Selbstzentrierung erfolgen kann.
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Das
Spiel des schwimmenden Bereichs ist so groß zu wählen, daß die Verschiebung während der
Fixierung der mechanischen Befestigungseinheit 3 des Nanorobotik-Moduls 2 an
ihre reproduzierbare Position kraftfrei ermöglicht wird. Das Spiel des schwimmenden
Bereichs ist gleichzeitig so klein zu wählen, daß die Selbstzentrierung des
Steckers 5 zum Gegenstück 6 noch
zuverlässig
funktioniert. Die verwendeten Komponenten sind so zu wählen, daß obige
zwei Begrenzungen für
den schwimmenden Bereich sich nicht gegenseitig ausschließen. Vorteilhaft
ist es, daß der
mechatronische Wechseladapter in Vakuumkammern nach Anspruch 5 dadurch
gekennzeichnet ist, dass die schwimmende Lagerung so wenig Spiel
hat, daß Stecker 5 und
Buchse 6 sich noch sicher selbst zentrieren können, aber
gleichzeitig so viel Spiel hat, daß beim mechanischen Fixieren keine
oder nur geringe Scherkräfte
auf die elektrische Steckverbindung ausgeübt werden.
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Vorteilhaft
ist weiterhin beim mechatronischen Wechseladapter in Vakuumkammern
nach Anspruch 1–6,
die Auslegung der mechanischen Befestigungseinheit 3 mit
Gegenstück 3 des
Nanorobotik-Moduls 2 in einer Weise, daß bereits nach einfachem Einschieben
der Befestigungseinheit 3 in ihr Gegenstück das Nanorobotik-Modul 2 sicher
von selber seine Position hält.
Damit ist es möglich,
das Nanorobotik-Modul 2 mit nur einer Hand schnell und
einfach einzustecken, wenn nötig
es loszulassen, beispielsweise mit der Hand umzugreifen und das
Nanorobotik-Modul 2 falls erforderlich anschließend zusätzlich zu
fixieren.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit die Realisierung eines mechatronischen Wechseladapters, bei dem
die vibrationsfreie mechanische Fixierung auf Optimalposition in
einem Arbeitsgang mit der Herstellung der elektrischen Verbindung
erfolgen kann.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, daß dieser
mechatronische Wechseladapter in Vakuumkammern nach Anspruch 1–8 auch
in Aufbauten außerhalb
des Vakuums verwendet werden kann, sodaß das Nanorobotik-Modul zwischen
Vakuumkammeranwendung und Luftanwendung umgesteckt werden kann,
vorzugsweise ohne daß dabei
Kabelbäume
aus der Vakuumkammer entfernt werden müssen. Vorteil ist dabei der
flexible Einsatz des zumeist teuren Nanorobotik-Moduls in zwei verschiedenen
Umgebungen: Innerhalb der Vakuumkammer und beispielsweise an Luft
in einer Rahmenkonstruktion, die ebenfalls den ortsfesten Teil des
Wechseladapters und einen fest verlegten Kabelbaum bietet. Wenn
die beiden Kabelbäume
von Vakuumkammer und Luftaufbau auch noch zur gleichen Elektronik
führen
und dort nach Bedarf umgesteckt werden, ergibt sich ein doppelt nutzbares
System zum Preis von einem plus Kabelbaum und ortsfester Teil des
Wechseladapters. Wobei letztere Komponenten den geringsten Kostenanteil
darstellen.