Mechatronic design of a modular three-axis slider system for high-precision positioning applications
Yüksek hassasiyetli pozisyonlama uygulamaları için modüler üç-eksenli kızak sisteminin mekatronik tasarımı
- Tez No: 313501
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. MELİH ÇAKMAKÇI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Hareket denetimi, Modüler tasarım, Optik sensörler, Pozisyonlama, Uyumlu hesaplama, Motion control, Modular design, Optical sensors, Positioning, Adaptive estimation
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Hassas m ühendislik alanındaki teknolojik ilerlemeyi takiben mikro/nano-mühendislik uygulamalarına olan ilgi artmış, son yıllarda mikro/nano-boyutlu birçok s üreç ve ür ün geliştirilmiştir. Mikro/nano boyutlarda işlem yapabilmekiçin kullanılacak makinaların y üksek doğruluk ve hassasiyete sahip mikro/nano-pozisyonlama cihazları içermesi gerekmektedir. Bu tezde bir üç eksenli mikro/nano-pozisyonlama cihaznın mekatronik tasarımı detaylı bir biçimde anlatılmaktadr. Ayrıca, nanometre seviyesinde hassasiyet degerlerine ulaşabilmekiçin d ört evreli enkoderlerin mevcut çöz ün ürl ük değerlerinin arttırlmasını sağlayan uyarlamalı bir metod sunulmaktadır.Mikro/nano-pozisyonlama cihazlarının performans karakteristiği genellikle eksenlerin konumlama hassasiyetleri, hareket aralığı, maksimum hız ve ivmelenmeleri olmaktadır. Bu sebeple, bu tezde bahsedilen tasarımda eyleyici olarak üst ün karakteristiklerinden dolayı s ürekli mıknatıs lineer motorlar (PMLM) seçilmiştir. Ayrıca, kullanıcıya uygulamalarda esneklik sağlaması ve sistemkontrol ün ü kolaylaştırması amacıyla burada sunulan mikro/nano-pozisyonlama sisteminin tasarımı yapılırken mod ülerite ana kriterler arasında tutulmuştur. Mod üler tek eksenli kızak sisteminin tasarımından sonra bu kızaklardan üçtanesinin birbirine dik olarak montajı ile üç eksenli pozisyonlama cihazı oluşturulmuştur. Bu tasarımda geri besleme sens ör ü olarak lineer optik enkoderler kullanılmıştır. Geliştirilen sistemin hareket aralığı her eksende 120mm'dir.Mevcut lineer optik enkoderlerin ölçüm ç öz ün ürl ükleri 1 mikrometre olduğundan mikron altı seviyelerdeki pozisyonlama uygulamaları için enkoderlerin ç öz ün ürl ükleri yazılım üzerinde arttırılmalıdır. Bu amaçla, d ört evreli enkoderlerin mevcut ç öz ün ürl üklerini arttırmak üzere geliştirilen yeni bir metod bu tezde sunulmaktadır. Bu metod uyarlamalı sinyal d üzeltme ve interpolasyon aşamalarından oluşmaktadır. Enkoder sinyallerindeki b üy ükl ük farkları, ortalama değer sapmalarıve d ört evreli faz farkı hataları üssel unutmalı ve sıfırlamalı tekrarlamalı en k üç ük kareler y öntemi (RLS) kullanılarak d üzeltilmektedir. D üzeltilmiş sinyallerin interpolasyonu ise çevrim dışı oluşturulmuş bir hızlı erişimli taramalıtablo sayesinde yapılmaktadır. Bu tablo ile orijinal enkoder sinyalleri ile y üksek dereceli sin uzoidler arasında doğrusal eşleştirme yapılmıştır. Y üksek dereceli sin uzoidlerin ikili pulslara d ön üşt ür ülmesi sonucunda pozisyon bilgisi elde edilmiş olur. Sunulan metod kullanılarak 1 mikrometre orijinal ç öz ün ürl üğ ü olan bir enkoder ile 10nm'lik ölç üm ç öz ün ürl üğ ü elde edilmistir. Önerilen metodun etkinliğini g österen deneyler tez içerisinde verilmiştir. Metodun doğrulaması elde edilen en y üksek ç öz ün ürl ük dahil olmak üzere çeşitli ç öz ün ürl ük değerleri için başarıyla yapılmıştır. Maksimum interpolasyon sayısını sınırlandıran pratikteki kısıtlamalar da detaylıca incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Following the recent improvements in precision engineering related technology, interest for micro/nano-engineering applications are increased and various micro/nano-scale operations and products are developed. For micro/nano-scaleapplications, high-precision equipment including micro/nano-positioning devices with high accuracy and precision are required. In this thesis, mechatronic design of a three axes micro/nano-positioning device is discussed in detail. In order to satisfy nanometer level precision, an adaptive method to increase the available measurement resolution of quadrature encoders is presented.Performance characteristics of micro/nano-positioning devices usually include positioning accuracy of their each individual axis, operation range, maximum velocity and maximum acceleration. For this reason, permanent magnet linearmotors (PMLM) are chosen as actuators in the presented design due to their outstanding characteristics. Moreover, in order to provide high-flexibility in terms of applications and simplify the control of the system, modularity is one of the main concerns while designing the micro/nano-positioning system presented here. Building the modular single axis slider system, three axes positioning device is constructed by assembling three of them perpendicularly. In this design, linear optical encoders are used as feedback sensors. Movement range of the designedsystem is 120mm in each direction.Since the available linear optical encoders have measurement resolution of 1 micrometer, resolution of them is to be improved in software for sub-micron level positioning applications. For this purpose, a new method to increase the availablemeasurement resolution of quadrature encoders is presented in this thesis. This method features an adaptive signal correction phase and an interpolation phase.Imperfections in the encoder signals including amplitude differences, mean offsets and quadrature phase shift errors are corrected by using recursive least squares (RLS) with exponential forgetting and resetting. Interpolation of the corrected signals is accomplished by a quick access look-up table calculated offline to satisfy linear mapping from available sinusoidal signals to higher order ones. With the conversion of the high-order sinusoids to binary pulses, position information is derived. By using the presented method, 10nm measurement resolution is achieved with an encoder with 1 micrometer off-the-shelf resolution. Experiment results demonstrating the effectiveness of the proposed method are presented. Validation of the method is accomplished for several cases including the best resolution obtained. Practical constraints limiting the maximum interpolation number are also discussed in detail.
Benzer Tezler
- Development Of A Modular Control Algorithm For High Precision Positioning Systems
Yüksek Hassasiyetli Pozisyonlama Sistemleri Için Modüler Kontrol Algoritması Geliştirilmesi
NURCAN GEÇER ULU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİH ÇAKMAKÇI
- İnsansı robotlar için modüler yapay omurga tasarımı
Design of a modular constructed spine for humanoid robots
EKİM YURTSEVER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Design and application of a gyroscope based balancing system
Bir jiroskop tabanlı dengeleme sisteminin tasarımı ve uygulaması
ÇAĞDAŞ BAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mekatronik MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TANER AKKAN
- Elektronik kontrollü diz üstü protez bacağın tasarlanması ve üretilmesi
Design and manufacturing of electrical controlled above knee prosthetic leg
MÜCAHİT EGE
Doktora
Türkçe
2023
Mekatronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR KÜÇÜK
- Konformal geometrik cebir ile robotlarda ters kinematik problem çözümü
Solution of inverse kinematics problem in robotics using conformal geometric algebra
CEREN AKCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ