Systeemontwerp is een knock-outwedstrijd

Gepubliceerd op: 18 november 2021

Expert:

Dr. Adrian Rankers

Content partner, course leader, trainer

Lees meer over Adrian Rankers

Deel

---

Met elke opeenvolgende generatie wordt de lat voor hightech machines hoger gelegd. Het nieuwe systeem moet sneller of nauwkeuriger werken. Ontwerpkeuzes uit het oorspronkelijke ontwikkelingsproces kunnen ongelukkig uitpakken. Eigenfrequenties en trillingen, die in de eerste machine nog verwaarloosbaar waren, gooiden plotseling roet in het eten. Bij een nauwkeurigheidsniveau van meestal rond de tien micrometer wordt het een echte uitdaging om de dynamica van het systeem onder controle te houden met standaard ontwerpregels.

Ontwerpers kennen de dynamica misschien nog van school en hebben misschien zelfs al wat berekeningen gedaan, maar ze missen vaak de knowhow om die kennis te vertalen naar hun huidige fysieke machineontwerp. “Hoe verhoudt de dynamica zich tot fouten in het systeem en tot stabiliteitsproblemen in je regelkring? Hoe modelleer je dat? En hoe kun je die modellen vervolgens gebruiken om tot een beter systeem te komen?”, zegt Dick Laro, systeemarchitect bij MI-Partners en docent bij High Tech Institute. Tijdens de training ‘Dynamics and modelling‘ (DAM) krijgen studenten antwoord op deze vragen. “We leggen de link tussen theorie en praktijk, en tussen de verschillende subdisciplines. Hoe werkt de dynamica samen met regeltechniek? En hoe past het mechatronisch ontwerp in dat plaatje?”

Laro en co-leraar Adrian Rankers gebruiken de methode om klein en eenvoudig te beginnen en later uit te breiden. “Ik begin altijd met een fles aan een elastiek – een heel basaal massaveersysteem”, zegt Rankers. “Als je de basisdynamica hiervan begrijpt, ben je al een heel eind op weg. Daarna moet je begrijpen hoe je trillingen van complexere objecten kunt beschrijven.” Hij pakt een vel papier, begint het te buigen en te draaien en zegt: “Hier zitten allerlei modusvormen in; vormen die je kunt beschrijven met modale analyses. Om een stabiel systeem te ontwerpen moet je het begrijpen, zien dat het ene punt sneller beweegt dan het andere en dat er zelfs punten zijn die in tegengestelde richting bewegen. Dit heeft onder andere gevolgen voor de locatie van de actuator en de sensor.”

Interferenties

Volgens Rankers zijn er twee redenen waarom het zo belangrijk is om al die modusvormen tot in detail te begrijpen. “De ene kant van het verhaal is dat trillingen leiden tot versnellingen en dus tot krachten. Die kunnen je besturing ernstig belemmeren. Bovendien wordt er een kracht overgedragen wanneer twee verbonden onderdelen met elkaar bewegen. Maar die overdracht is nooit 100 procent; er zit altijd enige vervorming in die onderdelen, zeker op micrometer- en nanometerniveau.”

“De andere kant is dat je in alle systemen te maken hebt met storende krachten,” vervolgt Rankers. Denk aan kabels die blijven trillen, wrijving, allerlei krachten uit het proces en natuurlijk externe verstoringen zoals vloertrillingen en akoestische prikkeling. Met al die krachten moet je rekening houden. “En elke kracht heeft een tegenkracht. Een podium duwt tegen een machineframe dat een reactiekracht teruggeeft. Na een tijdje schudden die twee vrolijk door elkaar.”

Als je al die verstorende krachten kent, wil je ze beheersen. “Met een duur meetsysteem kun je de relatieve positie van objecten nauwkeurig bepalen. Vervolgens probeer je dingen recht te zetten met corrigerende krachten,” legt Rankers uit. “Dat wil je doen met een zo hoog mogelijke frequentie en zo stijf mogelijk. Dat betekent een hoge bandbreedte in je regelkring. Dan heb je een stijve koppeling tussen die twee objecten. Er zijn echter grenzen die onder andere bepaald worden door instabiliteit in de regelkring. En juist die trillingen kunnen regellussen instabiel maken.”

Magische woorden

Het uiteindelijke doel is om inzicht te krijgen in alle trillingen in een systeem. “Vanuit de modale theorie kun je alle complexe mechanische systemen beschrijven als een som van een massa-veersysteem,” zegt Laro. “Sommige hebben een fase die overeenkomt, andere bewegen in de tegenovergestelde richting, wat de dynamica moeilijker maakt. Toch kun je het grotere systeem opbouwen uit eenvoudiger te begrijpen subsystemen. We leggen in de cursus uit hoe je dat doet.”

Dick Laro.

FEM-tools zijn prima in staat om de modi van die subsystemen te berekenen. “Dat is leuk, maar je ontwerpt een machine niet op basis van modusvormen”, waarschuwt Laro. “Het is zeker niet voor de hand liggend hoe je die deelresultaten weer aan elkaar koppelt. Hoe verhoudt die modusvorm zich tot een overdrachtsfunctie en een systeemfout? Hoe verhouden de modusvorm en de eigenfrequentie zich tot de bandbreedte? En meer praktisch, waar moet ik mijn sensor en actuator plaatsen om die ene storende modus te kunnen onderdrukken?”

Rankers beantwoordt de laatste vraag: “Het zal waarschijnlijk als een no-brainer klinken dat het een goed plan is om een systeem in het massamiddelpunt aan te drijven. Maar dat is niet altijd een optie. Misschien zit er een optisch element in de weg en moet je de kracht op een van de hoeken laten werken. Is dat ook goed en wat is het effect op de algehele stabiliteit van het systeem? En waar ga je meten? Misschien is diagonaal tegenovergesteld het beste, omdat je daar dicht bij het punt van interesse bent, bijvoorbeeld dicht bij de wafer. Dan meet je niet per se op de plek waar je het systeem bedient, dus krijg je te maken met allerlei modes die de kans op instabiliteit vergroten.”

Adrian Rankers.

“Je zult het systeem moeten modelleren om in te schatten of je ontwerpkeuzes wel of niet zijn toegestaan,” vervolgt Rankers. Tijdens de training ‘Dynamics and modelling’ van het High Tech Institute experimenteren deelnemers hands-on in het simulatiepakket 20-Sim. Laro: “Hoe erg is het als ik niet in het massamiddelpunt actueer, maar er een centimeter vanaf zit? Hoe ver kun je gaan en wat gebeurt er als je te ver gaat? Modelleren en evalueren, dat zijn de toverwoorden, want het is heel gemakkelijk om dingen te verknoeien.”

Weer Rankers: “Je begint altijd met een lijst van eisen en wensen, meer niet. Vervolgens moet je goed afwegen wat de juiste keuzes zijn en wat je beter kunt vermijden. Wat dat betreft is het een knock-out race. Omdat je begrijpt wat er gebeurt in de dynamiek en hoe je kunt corrigeren voor eventuele verstorende krachten, kun je al in een vroeg stadium een goede inschatting maken. Sommige ideeën zien er beter uit dan andere, dus ga voor die ideeën. In 2D, in 3D, totdat je bij de eindige-elementenanalyse komt. Daarom optimaliseer je het systeem, maar je kunt er geen keuzes mee oplossen die fundamenteel verkeerd zijn. Op conceptueel niveau moet je ontwerp goed zijn.”

Vier essentiële tips

1. Geen enkel onderdeel is oneindig stijf. Een blok metaal en zelfs een brok graniet hebben interne modusvormen en kunnen vervormen. Een vuistregel is dat als je een bandbreedte van 200 Hz in je regelkring wilt bereiken, alle andere trillingen – inclusief de interne – een factor 10 hogere frequentie moeten hebben.
2. Een geleider heeft ook geen oneindige stijfheid. In ieder geval wil je helemaal niet vertrouwen op die stijfheid. In een lineair systeem betekent dit dat je in het massamiddelpunt wilt actueren. Stel het onderdeel zo in dat het precies doet wat je wilt, zelfs zonder die geleiding.
3. Denk aan de massaverhoudingen. Bij de CD-actuator bijvoorbeeld bleek dat een nachtmerrie. In de eerste generatie was alles volumineus en was er geen probleem, maar in latere generaties was er een behoorlijke uitdaging omdat de massa van het deel dat moest bewegen de massa van de ‘vaste’ wereld benaderde.
4. Wees je bewust van de reactiekrachten. De kracht waarmee je bijvoorbeeld het podium aandrijft, heeft altijd een tegenkracht. Die kracht gaat naar het machineframe en waarschijnlijk ook naar het sensorblok dat eraan vastzit. Kortom, je prikkelt het sensorblok door de reactiekracht. En een trilling van het sensorblok is net zo goed te zien in het sensorsignaal als wanneer het podium beweegt. Je moet dus het volledige reactiepad opnemen.

Dit artikel is geschreven door Alexander Pil, technisch redacteur van High-Tech Systemen.