Training Lagerprinzipien für Präzisionsbewegungen

Bei Präzisionsbewegungssystemen liegt der Schwerpunkt oft auf den betätigten Freiheitsgraden (DoF), da diese die Betätigung, Positionserfassung und Bewegungssteuerung beinhalten. In den meisten Fällen sind jedoch die nicht aktivierten, eingeschränkten Freiheitsgrade ebenso wichtig, da diese ähnlichen Störkräften ausgesetzt sind wie die aktivierten Freiheitsgrade und die Genauigkeitsanforderungen vergleichbar hoch sind.

Bekannte Lösungen für die Einschränkung von Freiheitsgraden in Präzisionsbewegungssystemen sind Rollenlager, Biegungslager, Gaslager und aktive/passive Magnetlager. Aber welche Technologie passt am besten zu Ihrer Anwendung? Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie das Wesen, die Vor- und Nachteile und die Grenzen jeder dieser Lagertechnologien verstehen.

In CD-Playern, die in den 1980er Jahren entwickelt wurden, wurde ursprünglich ein rollengelagerter Schwenkarm verwendet, um die optische Abtasteinheit vom inneren zum äußeren Radius der Platte zu bewegen und einer bestimmten Spur genau zu folgen. In späteren Generationen wurde der Schwenkarm aufgrund kleinerer Abstände und strengerer Genauigkeitsanforderungen durch eine translatorische Führung auf der Basis von Schleifkontakten für die Grobpositionierung ersetzt, kombiniert mit einem Biegungslager für die Feinpositionierung der Tonabnehmereinheit in radialer und Fokusrichtung.

Bei der Entwicklung von Präzisionsbewegungssystemen müssen in der Regel verschiedene Designparameter wie Bewegungsbereich, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, Steifigkeit und Dämpfung ausgeglichen und gleichzeitig optimiert werden. Obwohl Gleit- und auch Rollkontakte unter Stick-Slip-Verhalten und (virtuellem) Spiel leiden, sind die Kosten und die Komplexität gering und die Leistung kann für eine grobe Positionierung gut genug sein. Wenn niedrige Reibung und Hysterese erforderlich sind oder strenge Anforderungen an die Partikelerzeugung gelten, kann es von Vorteil sein, die Oberflächen über Vollfilmlager vollständig zu trennen, entweder aerostatisch oder hydrostatisch. Für große Bewegungsbereiche unter Vakuumbedingungen, wie z.B. in Elektronenmikroskopen, E-Beam-Inspektions- oder EUV-Lithografiesystemen, sind aktive Magnetlagersysteme (AMBs) von großem Vorteil. Trotz höherer Kosten haben diese Systeme den zusätzlichen Vorteil, dass Rahmenvibrationen vom Bewegungstisch isoliert werden können. Wenn nur kleine Translationen oder Rotationen erforderlich sind, können Biegungslager eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit bieten, insbesondere wenn sie monolithisch hergestellt werden. Diese Lager leiden jedoch unter parasitärer Steifigkeit und haben eine sehr geringe Dämpfung.

Dieser Kurs befasst sich mit dem Design, der Modellierung und der Implementierung von Lagerelementen in Präzisionsbewegungssystemen. Wir werden die Kompromisse zwischen Leistung einerseits und Kosten und Komplexität andererseits diskutieren. Sowohl passive als auch aktive Lagertechnologien werden ausgiebig diskutiert. Wir werden uns auf verschiedene Anwendungsbereiche konzentrieren, wie medizinische Geräte, Werkzeugmaschinen, wissenschaftliche Instrumente und Halbleiteranwendungen.