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
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
Universily o] Appilcd Sciences Inhalt 1 Allgemeines 1 1.1 Abkürzungsverzeichnis 1 1.1. l Lateinisches Alphabet, groß 1 1.1.2 Lateinisches Alphabet, klein 3 1.1.3 Griechisches Alphabet 6 1.1.4 Mathematische Zeichen 7 1.2 Einleitung 8 1.2.1 DESY 8 1.2.2 Kurzbeschreibung der Funktionsweise eines Beschleunigers für Elektronenfreie Strahlung 9 1.2.3 Probleme und Lösungen 10 2 Konstruktionsregeln für DESY-Projekte 11 2.1 Ausfallsicherheit 11 2.2 Strahlung 11 2.3 Konstruktionsregeln für Vakuum 11 3 Vakuum 12 3.1 Allgemein 12 3.2 Lineare Bewegungen 13 3.3 Rotationsbewegungen 14 3.4 Elektrische Durchführungen 15 3.5 Erzeugen des Vakuums 16 3.5.1 Prinzip einer Turbomolekularpumpe 16 3.5.2 Prinzip einer Ionengetterpumpe 17 3.6 Gasende Werkstoffe 18 3.7 Virtuelle Lecks 18
4 Piezokristallmotor für Ultrahochvakuum HR 8 19 4.1 Der Motor 19 4.1.1 Allgemeines 19 4.1.2 Einschränkungen des Motors 21 4.1.2.1 Durch Wärmeentwicklung 21 4.1.2.2 Steifigkeit 24 4.1.2.3 Kabel 25 4.1.3 Kräfte des Motors 25 4.1.4 Einbau des Motors 26 4.1.5 Einfahren des Motors 26 4.2 Die Keramik 27 4.3 Regelung / Verstärker 28 5 Der Tandemversuchsstand 29 5.1 Allgemeines 29 5.2 Ziel der Konstruktion 30 5.3 Vergleich Rampe vs. Sinoide nach Bestehorn 30 5.3.1 Rampe 32 5.3.2 Sinoide nach Bestehorn 35 5.3.3 Ergebnis des Vergleichs 38 6 Konstruktion des Tandemversuchsstandes 39 6.1 Baugruppen und Einzelteile 39 6.1.1 Kaufteile, die in mehreren Baugruppen eingesetzt werden 39 6.1.1.1 Zylinderschraube nach ISO 4762 (veraltet: DFN 912) 39 6.1.1.2 Zylinderschraube nach ISO 4762 hohlgebohrt 41 6.1.1.3 Encoder & Ableseskala M3500V der Firma MicroE 42 6.1.1.4 Schiene ACC-3150 von GPM-Antriebselemente 43
6.2 Feste Baugruppe 44 6.2.1 Grundplatte 45 6.2.2 Tisch Encoderhalterung 46 6.2.3 Kabelklemme Encoderkabel 48 6.2.4 Halterung Encoder oben O unten 50 6.2.5 Benching Pin (Anlegestift) 51 6.2.6 Halterung Encoder unten 53 6.2.7 Kabelhalterung 54 6.2.8 Kabelführungshülse 55 6.2.9 Kabelführung 56 6.3 Mittlere Baugruppe 57 6.3.1 Sandwichplatte 59 6.3.2 Halterung Encoder Oben <=> Mitte 62 6.3.3 Halterung der Encoderableseskala 63 6.4 Obere Baugruppe 64 6.4.1 Halterung der Nutzlast 65 6.4.2 Baugruppe Faserhalterung (Nutzlast) 67 6.4.2.1 Faserhalterung 68 6.4.2.2 Faserklemme 70 6.4.2.3 Kohlenstofffaser/Wolframdraht 71 6.4.2.4 Faserständer. 72 6.5 Bauteile, die nicht unmittelbar in der Konstruktion verbaut worden sind 73 6.5.1 Endanschläge 73 6.5.2 Vakuumkammer 74 7 Die Montage 75
8 Von der Versuchsdurchführung bis zum Ergebnis 76 8.1 Versuchs durchführung 76 8.2 Auswertung 77 8.3 Ergebnisse 78 8.3.1 Messungen der Bewegungen der oberen Platte 78 8.3.2 Messungen der Bewegungen der oberen Platte 79 8.3.3 Messungen der Bewegungen der oberen und unteren Platte 80 9 Konzepte 81 9.1 Wirescanner 81 9.1.1 Aufgabe des Wirescanners 81 9.1.1.1 Allgemein 81 9.1.1.2 Messmethoden des Wirescanners 83 9.1.2 Konzept des Wirescanners 84 9.2 FastShutter 87 9.2.1 Aufgabe des Fast Shutters 87 9.2.2 Konzept des Fast Shutters 88 9.3 Schaltspiegel 89 9.3.1 Aufgaben des Schaltspiegels 89 9.3.2 Konzepte des Schaltspiegels 89 9.3.2.1 Schaltspiegel translatorisch 90 9.3.2.2 Schaltspiegel rotatorisch 95 10 Literaturverzeichnis 97 11 Bilderverzeichnis 99 12 Tabellenverzeichnis 101 13 Verzeichnis der Diagramme 101 14 Gleichungsverzeichnis 102 15 Quellenverzeichnis 103
16 Anhang 105 16.1 Herleitungen 105 16.1.1 Steifigkeit (Gl. 3) 105 16.1.2 Gleichungen Motorkraft und Beschleunigung über Geschwindigkeit 106 16.1.3 Gleichungen Rampe, Weg über Geschwindigkeit und Geschwindigkeit 106 16.1.4 Herleitung des benötigten Weges bei einer Geschwindigkeitsrampe 107 16.1.5 Extremwerte der Ableitungen der Bestehorn-Sinoide 108 16.1.5.1 Originalform der Bestehorn-Sinoide und Ihre Ableitungen 108 16.1.5.2 Extremwerte der Geschwindigkeit 109 16.1.5.3 Extremwerte der Beschleunigung 110 16.1.5.4 Extremwerte des Ruckes 111 16.1.6 Herleitung des Messfehlers 112 16.2 Zeichnungen 117