Positioning on nanometer scale: fighting friction

Most friction models for automatic control are targeted for the macro world, and are of questionable value for the motion control of the high precision positioing stages. We published a paper recently in Technishes Messen (TM) on a study of the friction behavior in the moving range of micrometers. It provides info for the development of friction models targeted for the motion control in high precision engineering.

The following is the abstract, and the full paper can be downloaded from http://www.atypon-link.com/OLD/doi/abs/10.1524/teme.2006.73.9.500

ABSTRACT Most friction models for automatic control are targeted for the macro world, and are of questionable value for the motion control of the nanopositioning and nanomeasuring machine (NPM) system. We present the frictional behaviour of some selected materials, coatings, lubricants, and bearings tested under running conditions similar to a NPM system. Continuous change of surface properties results in various friction characteristics, which substantiate the further development of tribological coatings, particularly for vacuum applications. We emphasize the system engineering approach in developing friction models, which combines fundamental knowledge of surface science, materials science, and its applications in design, construction and automatic control.

Die meisten Reibungsmodelle für gesteuerte Bewegungen sind nicht gültig für Nanopositioniersysteme. Wir zeigen das Reibungsverhalten von einigen ausgewählten Materialien, Beschichtungen, Schmiermitteln und Lagern, welche unter gleichen Bedingungen getestet wurden. Systematisches Ändern der Oberflächeneigenschaften führt zu unterschiedlichem Reibverhalten, welches wesentlich für die weitere Entwicklung von tribologischen Beschichtungen ist, insbesondere für Vakuumanwendungen. Es ist offensichtlich, dass die Systementwicklung Reibungsmodelle für die Nanopositionieransteuerung benötigt, welche das grundlegende Verständnis von Oberflächenphysik, Materialwissenschaften und den Erfahrungen aus Maschinenkonstruktion und Elektromechanik verbinden.

Author(s): Yonghe Liu | Juergen A. Schaefer | Gerd Jäger

Keywords: Nanopositioning, bearings, friction, materials, coatings, lubricants