Die Bedeutung von Genauigkeit und Wiederholbarkeit

In Bereichen, in denen präzise Bewegungen entscheidend sind, bestimmen die Bewegungen Ihrer Steuerungssysteme und Positioniereinheiten die Qualität und Zuverlässigkeit Ihrer Arbeit. Von der Betrachtung biologischer Proben bis hin zu Arbeiten im Submikrometerbereich hängen Ihre Ergebnisse von zwei grundlegenden Leistungskennzahlen ab: der Erreichung der erforderlichen Genauigkeit und Wiederholbarkeit.

Häufig werden diese beiden Begriffe missverstanden. Manchmal werden sie sogar synonym verwendet. In der Präzisionsbewegungssteuerung (präzisen Steuerung von Bewegungen) – insbesondere im Mikro- und Nanobereich – ist der Unterschied jedoch erheblich. Für die Auswahl der richtigen Ausrüstung für Ihre Anwendung ist es entscheidend zu verstehen, wie sie sich auf die Gesamtleistung des Systems auswirken.
In diesem Leitfaden erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen Genauigkeit und Wiederholbarkeit, was sie beeinflusst und welche Rolle sie spielen.

Was ist der Unterschied zwischen Genauigkeit und Wiederholbarkeit?

Zunächst ist es wichtig, Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu definieren:

• Genauigkeit bezieht sich darauf, wie genau die Positionierung eines Systems mit seinem Ziel übereinstimmt. Das Ergebnis lässt sich daran beurteilen, wie genau eine Bewegung mit der Position übereinstimmt, zu der sie bewegt werden sollte, und wird häufig in Mikrometern oder Nanometern gemessen.
• Die Wiederholbarkeit beschreibt die Fähigkeit des Systems, bei mehreren Versuchen konsistent in dieselbe vorgegebene Position zurückzukehren. Sie kann durch die Standardabweichung oder andere Metriken quantifiziert werden, die die Konsistenz angeben.

Auf diese Weise kann ein Gerät hochgenau, hochwiederholbar oder beides sein. Es kann auch keines von beiden sein. Das Verständnis der Anforderungen der jeweiligen Aufgabe bestimmt, welche dieser Eigenschaften Ihr Bewegungs- oder Positioniersystem benötigen wird.

Beispiele für Genauigkeit vs. Wiederholbarkeit

Nachfolgend sind die vier Quadranten der Leistung dargestellt, die bei Bewegungssystemen üblich sind.

1. Hohe Genauigkeit und hohe Wiederholbarkeit

Bei diesem Systemtyp landet die Bühne (das Positioniersystem) oder Plattform bei jeder Bewegung genau an der vorgegebenen Position. Dies ist ideal für hochpräzise, komplexe Arbeitsabläufe wie die Messtechnik für Halbleiterwafer, die Prüfung von Lese- und Schreibköpfen für Festplatten oder die Superauflösungsmikroskopie, bei denen selbst kleinste Bewegungsfehler erhebliche Auswirkungen haben.
Beispielsweise erreicht der ultraschnelle NPS-X-28X-Tisch von Queensgate unter idealen Laborbedingungen eine Genauigkeit und Wiederholbarkeit im Sub-Nanometerbereich. Er eignet sich daher für Aufgaben wie die Bewertung der Leistung von magnetoresistiven Lese-/Schreibköpfen für Festplatten der neuesten Generation, die Datenspuren mit einer Breite von weniger als 100 nm lesen müssen.

2. Hohe Genauigkeit und geringe Wiederholbarkeit

Hier mag das durchschnittliche Ergebnis korrekt sein. Die Abweichungen sind jedoch für die meisten komplexen Anwendungen zu groß. Diese Systeme können in Umgebungen eingesetzt werden, in denen nur eine allgemeine Genauigkeit erforderlich ist, die Leistung jedoch für eine konsistente Datenerfassung oder Automatisierung nicht wiederholbar genug ist.

3. Geringe Genauigkeit und hohe Wiederholbarkeit

Bei geringer Genauigkeit, aber hoher Wiederholbarkeit bewegt sich das Gerät immer an die gleiche Stelle. Allerdings ist dies nicht die richtige Stelle.

4. Geringe Genauigkeit und geringe Wiederholbarkeit

Systeme in diesem Quadranten verhalten sich in beiden Bereichen inkonsistent. Daher sind sie für Präzisionsarbeiten (Präzisionsaufgaben) ungeeignet, können jedoch in sehr groben Ausrichtungsszenarien oder für andere Arbeitslasten eingesetzt werden, bei denen eine so hohe Präzision einfach nicht erforderlich ist.

Welche Faktoren beeinflussen Genauigkeit und Wiederholbarkeit?

Der Ausgangspunkt für die Genauigkeit und Präzision von Positioniersystemen sind zwei Dinge:

• Wie wir Bewegung erzeugen
• Wie wir sie messen.

Die Leistung im Mikrometer- und Submikrometerbereich wird durch die sorgfältige Integration mehrerer Designelemente erreicht. Jedes dieser Elemente beeinflusst die Genauigkeit, Präzision und Gesamtleistung des Systems.

1. Messtechnik

Die zugrunde liegende Technologie eines Bewegungssteuerungssystems bestimmt dessen mögliche Leistungsniveaus. Beispielsweise sind hochwertige kapazitive Sensoren ideal für die extrem präzise Positionierung von Tischen (Positioniersystemen). Sie bieten eine rauscharme Leistung mit (und) hoher Bandbreite, die genaue Messungen in anspruchsvollen Anwendungen unterstützt.

Bei Prior verwenden wir in unseren Queensgate-Piezopositionierstufen Piezopositionierern ausschließlich kapazitive Zweipunktsensoren, um eine hohe Genauigkeit und Präzision zu erreichen.

2. Antriebstechnik

Piezoelektrische Aktuatoren, die zum Antrieb der Nanopositionierstufen von Queensgate verwendet werden, ermöglichen reibungs- und spielfreie Bewegungen. Ihre Bewegung basiert auf der Verformung von Festkörperkristallen unter Spannung, wodurch theoretisch eine unbegrenzte Auflösung möglich ist.

Dadurch eignen sie sich ideal für die Positionierung im Submikrometerbereich, insbesondere wenn Nanometer-Schritte entlang der X- oder Y-Achse erforderlich sind.

3. Steuerelektronik

Die Präzision der Bewegung hängt auch von der Fähigkeit der Steuerung ab, die Sensordaten zu interpretieren und die Bewegung des Aktuators anzupassen. Hochauflösende, rauscharme Elektronik trägt dazu bei, sowohl die Genauigkeit als auch die Wiederholbarkeit über einen großen Verfahrbereich aufrechtzuerhalten.

4. Mechanische Konstruktion

Schließlich müssen die mechanischen Elemente so konstruiert sein, dass Ungenauigkeiten und Fehler minimiert werden. Hochleistungs-Tische werden beispielsweise häufig mit Mechanismen gebaut, die Spiel, Hysterese und Bewegungsfehler wie Übersprechen oder Drehungen minimieren und so eine gleichmäßige, kontrollierte Bewegung gewährleisten. Dies ist ideal für XY-Tischsysteme, die beispielsweise in der Mikroskopie eingesetzt werden.

Die Vorteile einer hohen Genauigkeit und Wiederholbarkeit

Die Arbeit mit präzisen und wiederholgenauen Geräten bietet viele Vorteile. Zum Beispiel:

• Vertrauen in Daten und Ergebnisse – In Anwendungen wie der Waferinspektion kann bereits ein Fehler von einem Mikrometer in der Position des Tisches bei bestimmten Vergrößerungsstufen zu Messfehlern führen. Eine hochpräzise Positionierung bedeutet, dass die Messungen genau mit den realen Strukturen übereinstimmen.
• Reibungslosere und schnellere Arbeitsabläufe – Durch die Wiederholgenauigkeit werden automatisierte Scan- oder Bildgebungsprozesse schneller und effizienter, ohne dass eine ständige Kalibrierung oder Neupositionierung erforderlich ist.
• Verbesserte Qualitätskontrolle – In einigen Branchen bedeutet hohe Genauigkeit eine strengere Prozesskontrolle, konsistentere Produkte und weniger Ausschuss.

Es ist wichtig zu bedenken, dass hohe Präzision und Genauigkeit nicht immer erforderlich sind. Wenn sie jedoch erforderlich sind, benötigen Sie die richtigen Spezifikationen für die jeweilige Aufgabe.
Kontaktieren Sie uns für eine kompetente Beratung oder entdecken Sie unsere Nanopositionierungsprodukte.