Systeemdesign is een afvalrace

Met elke volgende generatie komt de lat voor hightech machines hoger te liggen. Het nieuwe systeem moet een tandje sneller of een stapje nauwkeuriger bewegen. Ontwerpkeuzes uit het oorspronkelijke ontwikkeltraject blijken soms toch niet zo gelukkig. Eigenfrequenties en trillingen die in de eerste machine nog verwaarloosbaar waren, gooien nu ineens roet in het eten. Bij een nauwkeurigheidseis vanaf typisch rond de tien micrometer wordt het een flinke uitdaging om de dynamica van het systeem onder controle te houden met standaard ontwerprichtlijnen.

Designers kennen wellicht de dynamicatheorie nog vanuit de schoolbanken, hebben destijds ook mechanicasommetjes gemaakt, maar het ontbreekt ze aan de knowhow om die kennis te vertalen naar hun huidige praktische machineontwerp. ‘Hoe verhoudt de dynamica zich tot fouten in het systeem en tot stabiliteitsproblemen in je regellus? Hoe modelleer je dat? En hoe kun je die modellering vervolgens gebruiken om tot een beter systeem te komen?’, aldus Dick Laro, systeemarchitect bij MI-Partners en docent bij High Tech Institute. Tijdens de training ‘Dynamics and modelling’ krijgen cursisten antwoord op deze vragen. ‘We leggen de link tussen de theorie en de praktijk, en tussen de verschillende monodisciplines. Hoe interacteert de dynamica met de regeltechniek? En hoe past het mechatronische ontwerp in dat plaatje?’

Laro en mededocent Adrian Rankers hanteren tijdens de training het principe van makkelijk beginnen en daarna uitbreiden. ‘Ik start altijd met een flesje aan een elastiekje – een heel basaal massaveersysteem’, vertelt Rankers. ‘Als je daarvan de basisdynamica begrijpt, ben je al een aardig eind op weg. Daarna moet je leren begrijpen hoe trillingen kunnen worden beschreven van ingewikkeldere voorwerpen.’ Hij pakt een vel papier, begint dat te buigen en te draaien, en zegt: ‘Hier zitten allerlei trilvormen in. Allerlei mode shapes die je via modaalanalyses kunt beschrijven. Om een stabiel systeem te kunnen ontwerpen, moet je die begrijpen, inzien dat het ene punt harder beweegt dan het andere en dat er zelfs punten zijn die in tegenovergestelde richting bewegen. Dit heeft consequenties voor onder meer de actuator- en sensorlocatie.’

Stoorkrachten

Volgens Rankers zijn er twee redenen waarom het zo belangrijk is om al die trillingen tot in de puntjes te doorgronden. ‘De ene kant van het verhaal is dat trillingen leiden tot versnellingen en dus tot krachten. Die kunnen je aandrijving behoorlijk frustreren. Bovendien is het zo dat als twee verbonden onderdelen met elkaar mee bewegen, er een kracht wordt doorgeleid. Die overdracht is nooit 100 procent; er zit altijd een beetje vervorming in die onderdelen, zeker op micrometer- en nanometerniveau.’

‘De andere kant is dat je in elk systeem te maken hebt met stoorkrachten’, gaat Rankers verder. Er zijn ook kabels die natrillen, er is wrijving, allerlei krachten vanuit het proces en natuurlijk externe storingen zoals vloertrillingen en akoestische excitatie. Met al die krachten moet je rekening houden. ‘Elke kracht geeft ook een tegenkracht. Een stage zet zich af tegen een machineframe dat een reactiekracht teruggeeft. Na verloop van tijd staan ze gezellig met z’n tweeën te schudden.’

Als je al die stoorkrachten kent, wil je ze wegregelen. ‘Met een duur meetsysteem bepaal je nauwkeurig de relatieve positie van voorwerpen. Vervolgens probeer je met corrigerende krachten het geheel recht te trekken’, legt Rankers uit. ‘Dat wil je zo hoogfrequent mogelijk doen, zo stijf als kan. En dat betekent een hoge bandbreedte in je regellus. Dan heb je namelijk een stijve koppeling tussen die twee voorwerpen. Daar zitten echter grenzen aan die onder meer worden bepaald door instabiliteit in de regellus. En juist trillingen kunnen regellussen instabiel maken.’

Toverwoorden

Het doel is uiteindelijk om alle trillingen in een systeem inzichtelijk te maken. ‘Vanuit de modaaltheorie kun je alle complexere mechanische systemen beschrijven als een samenstelling van enkele massaveersysteempjes’, weet Laro. ‘Sommige hebben een fase die overeenkomt, maar andere staan juist de verkeerde kant op waardoor de dynamica lastiger wordt. Toch kun je het grotere systeem opbouwen uit makkelijker te begrijpen subsystemen. Hoe je dat doet, leggen we uit in de cursus.’

Fem-pakketten zijn prima in staat om de modes van die subsystemen uit te rekenen. ‘Dat is leuk, maar met mode shapes bouw je geen machine’, waarschuwt Laro. ‘Het is niet evident hoe je die subresultaten weer aan elkaar koppelt. Hoe relateert die mode shape tot een overdracht en een systeemfout? Hoe relateren de mode shape en de eigenfrequentie tot de bandbreedte? En meer praktisch, waar moet ik mijn sensor en actuator plaatsen om die ene vervelende mode te kunnen onderdrukken?’

Rankers geeft antwoord op die laatste vraag: ‘Het zal niemand gek in de oren klinken dat het de voorkeur heeft om een systeem in het massamiddelpunt aan te drijven. Maar dat moet natuurlijk wel kunnen. Wellicht zit er een optisch element in de weg en moet je de kracht laten aangrijpen op een van de hoekpunten. Mag dat en wat is het effect op de stabiliteit? En waar ga je meten? Misschien wel diagonaal ertegenover omdat je daar dicht tegen het point of interest zit, bijvoorbeeld vlak bij de wafer. Dan meet je dus niet noodzakelijkerwijs op de plek waar je aandrijft, en word je geconfronteerd met allerlei trilvormen die de kans op instabiliteit vergroten.’

‘Je zult moeten modelleren om af te schatten of dergelijke ontwerpkeuzes zijn toegestaan’, gaat Rankers verder. Tijdens de training ‘Dynamics and modelling’ van High Tech Institute experimenteren de deelnemers hands-on in het simulatiepakket 20-Sim. Laro: ‘Hoe erg is het als ik niet in het massamiddelpunt aandrijf maar een centimeter ernaast? Hoe ver kun je gaan en wat gebeurt er als je voorbij de grens gaat? Modelleren en evalueren, dat zijn de toverwoorden, want het is heel makkelijk om het verkeerd te doen.’

Rankers weer: ‘Je start altijd met een lijstje eisen en wensen, verder niets. Dan is het zaak om goed na te denken wat de juiste keuzes zijn en wat je beter niet kunt doen. Wat dat betreft, is het een afvalrace. Doordat je begrijpt wat er gebeurt in de dynamica en hoe je voor eventuele stoorkrachten kunt corrigeren, kun je vroegtijdig een goede afweging maken. Het ene idee ziet er beter uit dan het andere, dus daarmee ga je verder. In 2D, in 3D, tot je op het punt komt van de eindige-elementenanalyse. Daarom optimaliseer je het systeem, maar fundamenteel foute keuzes kun je er niet meer mee oplossen. Op conceptueel niveau moet je design goed zijn.’