Design of a High-Precision Microgear Metrology System

 

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St. Jantzen

Design of a High-Precision Microgear Metrology System

ISBN: 978-3-95606-455-5   |   Erscheinungsjahr: 2019    |    Auflage: 1
Seitenzahl: 244   |    Einband: Broschur    |    Gewicht: 714 g
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The research described in this thesis was conducted at Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) within the framework of the German Research Foundation (DFG) funded project 3-MiTiK: Three-axis microprobe with isotropic mechanical properties for transfer into industrial coordinate metrology at the microscale. Project partners were the Institute of Microtechnology (IMT) of tu Braunschweig and the companies Klingelnberg and 5microns. The project duration was from 2016 to 2019. The primary research goal was to improve the precision, the accuracy, and the practicability of microgear measurements. The microenvironment developed during this work aims at solving the problems in micro coordinate metrology regarding clamping, handling, cleaning, technical cleanliness, and monitoring and protection of the direct measurement environment. The novel microgear measurement standard was designed, manufactured, and calibrated to establish traceability for internal microgear measurements, to experimentally verify the microprobe, and to evaluate the performance of measuring systems. The microenvironment comprises five successfully tested elements: a clamp for microspurgears, an on-machine cleaning system, a protective enclosure, a dual-camera system, and sensors for monitoring temperature, air humidity, and particle density. The overall system is portable, facilitates the setup of microgear measurements, and improves their precision and accuracy. Experiments proved the efficiency of the microenvironment: The compliant-string clamp has a repeatability of 5.1 μm, CO2 snow cleaning removes 95 % of surface particles, and the protective enclosure reduces the risk of contamination by 32 %. The internal microgear measurement standard has 1 mm, 0.5 mm, 0.2 mm, and 0.1 mm modules embodied with eight tooth spaces per module. The measurement uncertainties of the tactile calibration are between 0.3 μm and 0.6 μm for profile and helix deviations. The measurement standard is made of carbide for tactile measurements and a second version is made of titanium for computed tomography measurements. Both workpieces were manufactured, calibrated, and tested at PTB. The novel design of the microprobe developed by IMT and PTB features stacked parallelograms. After the microprobe was characterized and integrated into PTB’s gear measuring machine, the IMT-PTB microprobe was verified by measuring three calibrated reference objects under real-world conditions. Compared to standard ruby probes, the IMT-PTB microprobe features smaller probing spheres and probing forces, which enables high-precision microgear metrology. The results show that microgear measurements have been improved on many levels. The developed solutions and systems provide new impulses for further improvement in micro coordinate metrology. Diese Arbeit entstand in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) im Rahmen des DFG-geförderten Projektes 3-MiTiK: Dreiachsiger Mikrotaster mit isotropen mechanischen Eigenschaften zum Transfer in die industrielle Mikro- Koordinatenmesstechnik. Projektpartner waren das Institut für Mikrotechnik (IMT) sowie die Firmen Klingelnberg und 5microns. Das Projekt lief von 2016 bis 2019. Das Forschungsziel war die Verbesserung der Präzision, Genauigkeit und Durchführbarkeit von Mikroverzahnungsmessungen. Ziel der Entwicklung des Mikroenvironments war die Lösung der Herausforderungen in der Mikrokoordinatenmesstechnik bezüglich Aufspannung, Handhabung, Reinigung, technischer Sauberkeit und Überwachung sowie Schutz der direkten Messumgebung. Das neuartige Mikroinnenverzahnungsnormal wurde entwickelt und kalibriert, um die Rückführung von Mikroinnenverzahnungsmessungen zu ermöglichen, um den Mikrotaster experimentell zu verifizieren und um die Leistung von Messsystemen zu bewerten. Das Mikroenvironment umfasst fünf Teile: eine Aufspannung für Mikrostirnräder, eine maschinennahe Reinigung, eine Schutzumhausung, ein Kamerasystem und Sensoren zur Erfassung von Temperatur, Luftfeuchte und Partikeldichte. Das Gesamtsystem ist portabel, erleichtert die Einrichtung der Mikroverzahnungsmessungen und verbessert deren Qualität. Experimente haben die Effizienz des Mikroenvironments bewiesen: Die Aufspannung hat eine Wiederholbarkeit von 5,1 μm, CO2 Schneestrahlen entfernt 95 % der Oberflächenpartikel und die Schutzumhausung reduziert die Partikelbelastung um 32 %. Das Mikroinnenverzahnungsnormal verkörpert 1mm, 0,5mm, 0,2mm und 0,1mm Moduln von denen jeweils acht Zahnlücken realisiert sind. Die Messunsicherheiten der taktilen Kalibrierung liegen zwischen 0,3 μm und 0,6 μm für die Profil- und Flankenlinienabweichungen. Das Normal wurde in einer Ausführung aus Hartmetall für taktile Messungen und in einer Ausführung aus Titan für Computertomographie- Messungen gefertigt, kalibriert und erprobt. Das neuartige Design des vom IMT und der PTB entwickelten Mikrotasters zeichnet sich durch seine drei seriell angeordneten Parallelogramme aus. Nach der Charakterisierung des Mikrotasters und der Integration in das Verzahnungsmessgerät der PTB wurde der IMT-PTB Mikrotaster verifiziert, indem er drei kalibrierte Prüfkörper unter realen Bedingungen erfolgreich gemessen hat. Im Vergleich zu konventionellen Tastsystemen verfügt der IMT-PTB Mikrotaster über kleinere Antastkugeln und niedrigere Antastkräfte, was hochpräzise Mikroverzahnungsmessungen ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen, dass Mikroverzahnungsmessungen auf vielen Ebenen verbessert werden konnten. Die entwickelten Lösungen und Systeme geben neue Impulse zur weiteren Verbesserung der Mikrokoordinatenmesstechnik.

 

Contents

1 Introduction 1

1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Fields of application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Research questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Scientific methods employed and the scope of this thesis . 6

1.5 Thesis structure and overview . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 State of the art in microgear coordinate metrology 11

2.1 Microgear measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 Key parameters in gear metrology . . . . . . . . . 12

2.1.2 Tactile probing on gear measuring machines . . . . 13

2.1.3 Non-tactile measurement principles . . . . . . . . 14

2.2 Quality-limiting influences in dimensional micrometrology 16

2.3 Design of the imt-ptb microprobe . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4 Technical cleanliness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4.1 Adhesive forces acting at the microscale . . . . . . 22

2.4.2 Means to prevent contamination in laboratories . . 23

2.4.3 Particle removal: monitoring and cleaning methods 24

2.5 Microclamping principles for dimensional metrology . . . 31

2.5.1 Differentiation from and connection to related fields 32

2.5.2 Requirements from dimensional micrometrology . 33

2.5.3 Overview of microclamping principles . . . . . . . 34

2.6 Major results and summary of this chapter . . . . . . . . . 38

3 Development of a microenvironment 41

3.1 Design and realization of a clamp for microgears . . . . . . 41

3.1.1 Requirements engineering . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.2 Realization of a compliant-string clamp . . . . . . 45

3.1.3 Verification of the compliant-string clamp . . . . . 47

3.1.4 Comparison with standard clamping principles . . 49

3.2 Cleaning process for workpieces and microprobes . . . . . 50

3.2.1 Requirements for the cleaning process . . . . . . . 50

3.2.2 Comparison of cleaning processes . . . . . . . . . 51

3.2.3 Implementation in the microenvironment . . . . . 57

3.3 Improving the direct measurement environment . . . . . . 58

3.3.1 Concept of the protective enclosure . . . . . . . . . 58

3.3.2 Design and realization . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.4 Verification of the microenvironment . . . . . . . . . . . . 63

3.5 Major results and summary of this chapter . . . . . . . . . 69

4 Development of a novel microgear measurement standard 71

4.1 Design and manufacturing of the measurement standard . 71

4.1.1 Requirements engineering . . . . . . . . . . . . . . 71

4.1.2 Mechanical design of the measurement standard . 75

4.1.3 Manufacturing of the workpieces . . . . . . . . . . 78

4.1.4 Experimental verification of the custom clamp . . . 79

4.2 Calibration of the microgear measurement standard . . . . 81

4.2.1 Measurement setup and procedure on the μ-cmm . 81

4.2.2 Determination of the measurement uncertainties . 85

4.3 Comparison measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.3.1 Measurements using ct . . . . . . . . . . . . . . . 105

4.3.2 Measurements using optical methods . . . . . . . . 107

4.3.3 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . 110

4.4 Major results and summary of this chapter . . . . . . . . . 112

5 Verification of the imt-ptb microprobe 115

5.1 Comparison measurements of the cube . . . . . . . . . . . 119

5.2 Comparison measurements of the sphere . . . . . . . . . . 122

5.3 Comparison measurements of the microgear . . . . . . . . 125

5.4 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.5 Major results and summary of this chapter . . . . . . . . . 133

6 Conclusion and outlook 135

6.1 Summary and discussion of the results . . . . . . . . . . . 135

6.2 Outlook and suggested future research . . . . . . . . . . . 139

List of figures Ⅸ

List of tables XIII

Glossary XV

Acronyms XXI

List of symbols XXIII

Index XXV

Bibliography XXIX

Publications and student projects during this work LIII

Conference posters LV

List of standards considered LVII

A Posters ⅰ

B Additional material v

B.1 Measurement uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ⅴ

B.2 Coordinate measuring machines . . . . . . . . . . . . . . . ⅹ

B.3 Measurement principles of tactile microprobes . . . . . . . ⅻ

B.4 Four optimization dimensions for technical cleanliness . . xv

B.5 Summary of papers and conferences attended . . . . . . . xvi

B.6 Process analyses of microgear measurements . . . . . . . . xviii

B.7 Source code of the Monte Carlo simulation . . . . . . . . xxi

C Additional pictures xxiii

C.1 Compliant-string clamp for microgears . . . . . . . . . . . xxiii

C.2 Protective enclosure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvii

C.3 Cleaning platform for microgears . . . . . . . . . . . . . . xxix

C.4 Cleaning experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi

C.5 Microgear measurement standards . . . . . . . . . . . . . . xxxv

PTB F-62