Systemdesign ist ein K.O.-Rennen

Veröffentlicht am: 18 November 2021

Experte:

Dr. Adrian Rankers

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Mit jeder neuen Generation wird die Messlatte für High-Tech-Maschinen höher gelegt. Das neue System sollte schneller oder präziser arbeiten. Designentscheidungen aus dem ursprünglichen Entwicklungsprozess könnten sich als unglücklich erweisen. Eigenfrequenzen und Vibrationen, die bei der ersten Maschine noch vernachlässigbar waren, machen plötzlich einen Strich durch die Rechnung. Bei einer Präzisionsanforderung von typischerweise etwa zehn Mikrometern wird es zu einer echten Herausforderung, die Dynamik des Systems mit Standard-Designregeln unter Kontrolle zu halten.

Konstrukteure kennen vielleicht noch die Dynamiktheorie aus der Schule, haben vielleicht sogar einige Berechnungen durchgeführt, aber oft fehlt ihnen das Know-how, um dieses Wissen in ihr aktuelles physikalisches Maschinendesign zu übertragen. „Wie verhält sich die Dynamik zu Fehlern im System und zu den Stabilitätsproblemen in Ihrem Regelkreis? Wie können Sie das modellieren? Und wie können Sie diese Modelle dann nutzen, um ein besseres System zu erreichen?“, sagt Dick Laro, Systemarchitekt bei MI-Partners und Dozent am High Tech Institute. Während der Schulung ‚Dynamik und Modellierung‚ (DAM) erhalten die Studenten Antworten auf diese Fragen. „Wir stellen die Verbindung zwischen Theorie und Praxis und zwischen den verschiedenen Teildisziplinen her. Wie interagiert die Dynamik mit der Steuerungstechnik? Und wie passt das mechatronische Design in dieses Bild?“

Laro und Co-Lehrer Adrian Rankers fangen klein und einfach an und erweitern später. „Ich beginne immer mit einer Flasche an einem Gummiband – ein sehr einfaches Masse-Feder-System“, sagt Rankers. „Wenn Sie die grundlegende Dynamik dieses Systems verstehen, sind Sie schon auf einem guten Weg. Dann müssen Sie verstehen, wie man Schwingungen von komplexeren Objekten beschreibt.“ Er nimmt ein Blatt Papier, fängt an, es zu biegen und zu verdrehen und sagt: „Es gibt alle möglichen Modenformen darin; Formen, die Sie mit Modalanalysen beschreiben können. Um ein stabiles System zu entwerfen, müssen Sie es verstehen und erkennen, dass sich ein Punkt schneller bewegt als ein anderer und dass es sogar Punkte gibt, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Das hat unter anderem Konsequenzen für die Positionierung von Aktoren und Sensoren.“

Interferenzen

Rankers zufolge gibt es zwei Gründe, warum es so wichtig ist, all diese Schwingungsformen bis ins kleinste Detail zu verstehen. „Zum einen führen Vibrationen zu Beschleunigungen und damit zu Kräften. Diese können Ihre Kontrolle ernsthaft beeinträchtigen. Außerdem wird eine Kraft übertragen, wenn sich zwei verbundene Teile miteinander bewegen. Aber diese Übertragung ist nie 100-prozentig. Es gibt immer eine gewisse Verzerrung in diesen Teilen, sicherlich auf Mikrometer- und Nanometerebene.“

„Die andere Seite ist, dass man in allen Systemen mit Störkräften zurechtkommen muss“, fährt Rankers fort. Denken Sie an Kabel, die ständig vibrieren, Reibung, alle Arten von Kräften aus dem Prozess und natürlich externe Störungen wie Bodenvibrationen und akustische Erregung. Sie müssen all diese Kräfte berücksichtigen. „Und jede Kraft hat eine Gegenkraft. Eine Bühne stößt gegen einen Maschinenrahmen, der eine Gegenkraft zurückgibt. Nach einer Weile schütteln sich die beiden fröhlich.“

Wenn Sie all diese störenden Kräfte kennen, wollen Sie sie kontrollieren. „Mit einem teuren Messsystem können Sie die relative Position von Objekten genau bestimmen. Dann versuchen Sie, die Dinge mit korrigierenden Kräften zu begradigen“, erklärt Rankers. „Sie wollen das mit einer möglichst hohen Frequenz und so starr wie möglich tun. Das bedeutet eine hohe Bandbreite in Ihrem Regelkreis. Dann haben Sie eine steife Kopplung zwischen diesen beiden Objekten. Es gibt jedoch Grenzen, die u.a. durch die Instabilität des Regelkreises bestimmt werden. Und es sind genau diese Vibrationen, die Regelkreise instabil machen können.“

Magische Worte

Das ultimative Ziel ist es, einen Einblick in alle Schwingungen in einem System zu erhalten. „Ausgehend von der Modaltheorie können Sie alle komplexen mechanischen Systeme als eine Summe von Masse-Feder-Systemen beschreiben“, sagt Laro. „Einige haben eine übereinstimmende Phase, andere bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung, was die Dynamik erschwert. Dennoch können Sie das größere System aus leichter zu verstehenden Subsystemen aufbauen. Wie Sie das machen, erklären wir in dem Kurs.

Dick Laro.

FEM-Tools sind durchaus in der Lage, die Moden dieser Teilsysteme zu berechnen. „Das ist schön, aber man entwirft eine Maschine nicht auf der Grundlage von Modenformen“, warnt Laro. „Es ist sicherlich nicht offensichtlich, wie man diese Teilergebnisse miteinander verknüpft. Wie hängt diese Eigenform mit einer Übertragungsfunktion und einem Systemfehler zusammen? Wie hängen die Modenform und die Eigenfrequenz mit der Bandbreite zusammen? Und ganz praktisch: Wo sollte ich meinen Sensor und Aktor platzieren, um diese eine störende Mode zu unterdrücken?“

Rankers beantwortet die letzte Frage: „Es klingt wahrscheinlich wie ein Selbstläufer, dass es ein guter Plan ist, ein System im Zentrum der Masse zu fahren. Aber das ist nicht immer eine Option. Vielleicht ist ein optisches Element im Weg und Sie müssen die Kraft auf eine der Ecken wirken lassen. Ist das auch in Ordnung und wie wirkt sich das auf die Gesamtstabilität des Systems aus? Und wo werden Sie messen? Vielleicht ist es am besten, wenn Sie diagonal gegenüber messen, denn dann sind Sie nahe an dem Punkt, der Sie interessiert, zum Beispiel nahe am Wafer. Dann messen Sie nicht unbedingt an der Stelle, an der Sie das System betätigen, so dass Sie mit allen möglichen Modi konfrontiert werden, die das Risiko einer Instabilität erhöhen.“

Adrian Rankers.

„Sie müssen das System modellieren, um abschätzen zu können, ob Ihre Konstruktionsentscheidungen zulässig sind oder nicht“, fährt Rankers fort. Während der Schulung ‚Dynamik und Modellierung‘ des High Tech Institute experimentieren die Teilnehmer praktisch mit dem Simulationspaket 20-Sim. Laro: „Wie schlimm ist es, wenn ich nicht im Zentrum der Masse, sondern einen Zentimeter daneben ansetze? Wie weit kann man gehen und was passiert, wenn man zu weit geht? Modellierung und Bewertung, das sind die Zauberworte, denn es ist sehr einfach, die Dinge zu vermasseln.“

Noch einmal Rankers: „Sie beginnen immer mit einer Liste von Anforderungen und Wünschen, mehr nicht. Dann müssen Sie sorgfältig abwägen, was die richtige Wahl ist und was Sie besser vermeiden können. In dieser Hinsicht ist es ein K.O.-Rennen. Weil Sie verstehen, was in der Dynamik passiert und wie Sie störende Kräfte korrigieren können, können Sie schon in einem frühen Stadium eine gute Einschätzung vornehmen. Einige Ideen sehen besser aus als andere, also entscheiden Sie sich für diese. In 2D, in 3D, bis Sie zur Finite-Elemente-Analyse kommen. Deshalb optimieren Sie das System, aber Sie können damit keine Entscheidungen treffen, die grundlegend falsch sind. Auf einer konzeptionellen Ebene muss Ihr Design gut sein.“

Vier wichtige Tipps

1. Keine Komponente ist unendlich steif. Ein Metallblock und sogar ein Granitbrocken haben interne Schwingungsformen und können sich verformen. Als Faustregel gilt: Wenn Sie in Ihrem Regelkreis eine Bandbreite von 200 Hz erreichen wollen, müssen alle anderen Schwingungen – auch die internen – eine um den Faktor 10 höhere Frequenz haben.
2. Eine Führung hat auch keine unendliche Steifigkeit. Auf jeden Fall wollen Sie sich nicht auf diese Steifigkeit verlassen. Bei einem linearen System bedeutet dies, dass Sie im Zentrum der Masse agieren wollen. Betätigen Sie das Teil so, dass es auch ohne diese Führung genau das tut, was Sie wollen.
3. Denken Sie an die Massenproportionen. Beim CD-Stellantrieb zum Beispiel erwies sich das als Alptraum. In der ersten Generation war alles sperrig und es gab kein Problem, aber in späteren Generationen gab es eine beträchtliche Herausforderung, weil die Masse des Teils, der sich bewegen musste, die Masse der ‚festen‘ Welt überstieg.
4. Achten Sie auf die Reaktionskräfte. Die Kraft, mit der Sie z.B. den Tisch antreiben, hat immer eine Gegenkraft. Diese Kraft wirkt auf den Maschinenrahmen und wahrscheinlich auch auf den Sensorblock, der daran befestigt ist. Kurz gesagt, Sie regen den Sensorblock durch die Reaktionskraft an. Und eine Vibration des Sensorblocks macht sich im Sensorsignal ebenso bemerkbar wie die Bewegung des Tisches. Sie müssen also den gesamten Reaktionsweg berücksichtigen.

Dieser Artikel stammt von Alexander Pil, technischer Redakteur von High-Tech Systeme.