Conceptual Design & Application Studies of Piezoelectric Crystal Motors under Ultra-High Vacuum Conditions

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1 htw Hochschule für Technik Unimnfty ofapplitd Sdexes Conceptual Design & Application Studies of Piezoelectric Crystal Motors under Ultra-High Vacuum Conditions (Konzepterstellung und Verwendungsmöglichkeiten eines Piezokristallmotors im Ultrahochvakuum) Diplomarbeit führt zum Abschluss Diplom-Ingenieur (FH) Fahrzeugtechnik Von Jens Nagler Zeuthen, 12. August 2009

2 htw. Hochschule für Technik und Wirtschaft Bertin Konzepterstellung und Verwendungsmöglichkeiten eines Piezokristallmotors im Ultrahochvakuum Diplomarbeit Von Jens Nagler Institut: Abteilung: Betreuung: Hochschule: 1. Gutachter: 2. Gutachter: Zeitraum: Angestrebter Abschluss: DESY Deutsches Elektronen - Synchrotron Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutsches Forschungszentrum FLASH Dr. Martin Sachwitz Dipl. Ing. Reiner Heller Hochschule für Technik Professor Dr. Michael Lindemann Dipl. Ing. Reiner Heller 05. Mai 2009 bis 05. August 2009 Diplom-Ingenieur (FFI) Fahrzeugtechnik

3 Universily o] Appilcd Sciences Inhalt 1 Allgemeines Abkürzungsverzeichnis l Lateinisches Alphabet, groß Lateinisches Alphabet, klein Griechisches Alphabet Mathematische Zeichen Einleitung DESY Kurzbeschreibung der Funktionsweise eines Beschleunigers für Elektronenfreie Strahlung Probleme und Lösungen 10 2 Konstruktionsregeln für DESY-Projekte Ausfallsicherheit Strahlung Konstruktionsregeln für Vakuum 11 3 Vakuum Allgemein Lineare Bewegungen Rotationsbewegungen Elektrische Durchführungen Erzeugen des Vakuums Prinzip einer Turbomolekularpumpe Prinzip einer Ionengetterpumpe Gasende Werkstoffe Virtuelle Lecks 18

4 4 Piezokristallmotor für Ultrahochvakuum HR Der Motor Allgemeines Einschränkungen des Motors Durch Wärmeentwicklung Steifigkeit Kabel Kräfte des Motors Einbau des Motors Einfahren des Motors Die Keramik Regelung / Verstärker 28 5 Der Tandemversuchsstand Allgemeines Ziel der Konstruktion Vergleich Rampe vs. Sinoide nach Bestehorn Rampe Sinoide nach Bestehorn Ergebnis des Vergleichs 38 6 Konstruktion des Tandemversuchsstandes Baugruppen und Einzelteile Kaufteile, die in mehreren Baugruppen eingesetzt werden Zylinderschraube nach ISO 4762 (veraltet: DFN 912) Zylinderschraube nach ISO 4762 hohlgebohrt Encoder & Ableseskala M3500V der Firma MicroE Schiene ACC-3150 von GPM-Antriebselemente 43

5 6.2 Feste Baugruppe Grundplatte Tisch Encoderhalterung Kabelklemme Encoderkabel Halterung Encoder oben O unten Benching Pin (Anlegestift) Halterung Encoder unten Kabelhalterung Kabelführungshülse Kabelführung Mittlere Baugruppe Sandwichplatte Halterung Encoder Oben <=> Mitte Halterung der Encoderableseskala Obere Baugruppe Halterung der Nutzlast Baugruppe Faserhalterung (Nutzlast) Faserhalterung Faserklemme Kohlenstofffaser/Wolframdraht Faserständer Bauteile, die nicht unmittelbar in der Konstruktion verbaut worden sind Endanschläge Vakuumkammer 74 7 Die Montage 75

6 8 Von der Versuchsdurchführung bis zum Ergebnis Versuchs durchführung Auswertung Ergebnisse Messungen der Bewegungen der oberen Platte Messungen der Bewegungen der oberen Platte Messungen der Bewegungen der oberen und unteren Platte 80 9 Konzepte Wirescanner Aufgabe des Wirescanners Allgemein Messmethoden des Wirescanners Konzept des Wirescanners FastShutter Aufgabe des Fast Shutters Konzept des Fast Shutters Schaltspiegel Aufgaben des Schaltspiegels Konzepte des Schaltspiegels Schaltspiegel translatorisch Schaltspiegel rotatorisch Literaturverzeichnis Bilderverzeichnis Tabellenverzeichnis Verzeichnis der Diagramme Gleichungsverzeichnis Quellenverzeichnis 103

7 16 Anhang Herleitungen Steifigkeit (Gl. 3) Gleichungen Motorkraft und Beschleunigung über Geschwindigkeit Gleichungen Rampe, Weg über Geschwindigkeit und Geschwindigkeit Herleitung des benötigten Weges bei einer Geschwindigkeitsrampe Extremwerte der Ableitungen der Bestehorn-Sinoide Originalform der Bestehorn-Sinoide und Ihre Ableitungen Extremwerte der Geschwindigkeit Extremwerte der Beschleunigung Extremwerte des Ruckes Herleitung des Messfehlers Zeichnungen 117