Lagerprincipes voor precisiebewegingen

Bij precisiebewegingssystemen ligt de nadruk vaak op de actief geregelde vrijheidsgraden, omdat hierbij sprake is van aandrijving, positiebepaling en servo regeling. Toch zijn de niet-aangedreven, gefixeerde vrijheidsgraden minstens zo belangrijk voor de totale nauwkeurigheid. Ze staan meestal bloot aan dezelfde verstoringskrachten en ook de nauwkeurigheidseisen zijn vergelijkbaar.

Bekende oplossingen voor het beperken van vrijheidsgraden in precisiesystemen zijn kogel- en rollagers, glijlagers, elastische elementen, gaslagers en actieve/passieve magnetische lagers, maar welke technologie past het beste bij uw toepassing? Om die vraag te beantwoorden is het nodig de essentie, de voor- en nadelen en de beperkingen van elk van deze lagertechnologieën te begrijpen.

In CD-spelers die in de jaren 1980 werden ontwikkeld, werd oorspronkelijk een door rollagers ondersteunde zwenkarm gebruikt om de optische module van de binnenste naar de buitenste straal van de CD-schijf te verplaatsen en een bepaald spoor nauwkeurig te volgen. In latere generaties, gedreven door een kleinere afstand tussen de sporen en strengere nauwkeurigheidseisen, werd de zwenkarm vervangen door een translatiegeleiding op basis van glijlagers voor de grove positionering, gecombineerd met elastische elementen voor het fixeren van de relevante vrijheidsgraden in radiale en focusrichting van de fijnpositioneringsmodule.

Bij het ontwerpen van precisiebewegingssystemen moeten verschillende ontwerpparameters tegen elkaar worden afgewogen en tegelijkertijd worden geoptimaliseerd, zoals bewegingsbereik, nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid, stijfheid en demping. Hoewel glijdende en ook rollende contacten last hebben van stick-slip gedrag en (virtuele) speling, zijn de kosten en complexiteit laag en de prestaties vaak goed genoeg voor grove positionering. Wanneer lage wrijving en lage hysterese vereist zijn, of strenge eisen worden gesteld aan de deeltjesgeneratie, kan het voordelig zijn om oppervlakken volledig te scheiden via volfilmlagers, aerostatisch of hydrostatisch. Voor grote bewegingsbereiken in vacuümomstandigheden, zoals in elektronenmicroscopen, E-beam inspectiesystemen of EUV lithografiesystemen, zijn actieve magnetische lagersystemen (AMB's) zeer voordelig. Ondanks de hogere kosten hebben deze systemen het extra voordeel dat frametrillingen geïsoleerd kunnen worden van de bewegingsmodule. Als er slechts kleine slagen of rotaties nodig zijn, kunnen elastische elementen zoals onder andere bladveren een uitstekende reproduceerbaarheid bieden, vooral als ze monolithisch gefabriceerd zijn. Deze lagers hebben echter last van parasitaire stijfheid en hebben zeer weinig demping.

Deze cursus richt zich op het ontwerpen, modelleren en implementeren van lagerelementen in precisiebewegingssystemen. We bespreken de afwegingen tussen prestaties enerzijds en kosten en complexiteit anderzijds. Zowel passieve als actieve lagertechnologieën komen uitgebreid aan bod. We richten ons op verschillende toepassingsgebieden, zoals medische apparatuur, gereedschapsmachines, wetenschappelijke instrumentatie en systemen voor halfgeleiderproductie.