Kennisartikel
Micron / µm nauwkeurig bewegen met luchtlagers
In de speciaal machinebouw is er een groeiende vraag naar (productie)machines met een hoge precisie. Wij spreken van hoog nauwkeurig of hoog precies wanneer we werken op μm of sub-μm niveau (factor 10-6 meter). Ter vergelijking, de doorsnede van een menselijke haar is ongeveer 70 μm.
Machinebouw op μm niveau
Hoe nauwkeuriger de machine moet werken, hoe meer externe factoren er zijn om rekening mee te houden. Temperatuurschommelingen in de omgeving, trillingen, stof, luchtstromen, vorm- en plaatstoleranties, het heeft allemaal invloed op het functioneren van de machine. Door deze gevoeligheid is het nog belangrijker goed te kijken naar de materialen en technieken die worden toegepast omdat alle onderdelen met elkaar samenhangen. De machine is zo sterk als de zwakste schakel.
Graniet is een veel toegepast materiaal in hoog precieze machines. Het materiaal kent een aantal voordelen waardoor het de invloed van externe factoren kan beperken. Ten eerste is graniet erg zwaar en kan daardoor een trillingsdempende werking hebben.
Daarnaast is graniet relatief ongevoelig voor temperatuurschommelingen. Wanneer de omgeving warmer of kouder wordt zal graniet niet zo snel uitzetten of inkrimpen als andere materialen (met name metalen). Staal zet 0,012 mm uit per meter per graad Celsius bij graniet is dit maar 0,006 mm per meter per graad Celsius.
Tot slot kan bij het bewerken van graniet een hoge vormnauwkeurigheid worden bereikt. Graniet is heel vlak af te werken door middel van leppen (een soort van slijpbewerking). Deze vormnauwkeurigheid is onmisbaar in hoog nauwkeurige machines.
Bewegen op μm niveau
Het transleren of roteren van onderdelen in een hoog nauwkeurige machine vraagt om een goede aanpak. De aandrijving, sensoren en geleiding moeten allemaal worden afgestemd aan de externe factoren.
Allereerst is het belangrijk om in het mechanisch ontwerp al zoveel mogelijk externe factoren te ondervangen. Het doel hierbij is om zoveel mogelijk vrijheidsgraden onder controle te krijgen. Een voorbeeld hiervan is thermische symmetrie in een ontwerp, de machine kan groeien onder temperatuurschommelingen maar het proceshart wordt zoveel mogelijk gecentreerd. Daarnaast kun je slim werken met speling. Door speling één kant op te duwen is er aan de andere kant meer stabiliteit. Ook het niet overbepaald maken van een constructie is een manier.
Een statisch bepaalde constructie is een constructie waarbij er precies genoeg is gedaan om de vrijheidsgraden in te perken waar dat gewenst is. Er is een balans tussen nauwkeurigheid en maakbaarheid. Elke extra toevoeging op de constructie maakt het statisch overbepaald.
Een goed voorbeeld is een driepoot kruk, deze kruk kan niet wiebelen en staat stevig, dat is een statisch bepaalde constructie. Een kruk met vier poten is een statisch overbepaalde constructie, het vierde steunpunt is niet nodig om de kruk stevig te laten staan. Vier exact gelijke poten en een gelijke ondergrond zijn in de praktijk (vrijwel) niet haalbaar en zal de kruk juist instabiel maken. Een overbepaalde constructie wordt onvoorspelbaar door te veel of juist te weinig spanning.
Wij werken ook graag met contactloze oplossingen om externe factoren zo goed mogelijk op te vangen. Contactloos bewegen zorgt daarnaast voor extra ruimte voor de machine om te ‘groeien’ onder de invloed van temperatuur. Een minimale uitzetting van een onderdeel kan op μm niveau namelijk grote gevolgen hebben.
Het gebrek aan wrijving is het grootste voordeel aan contactloos bewegen. Daardoor is er ook geen sprake meer van een stick-slipeffect (schokkende bewegingen door het tegenkomen van wrijving, stick, en het doorschieten na de wrijving, slip).
Wanneer er mechanisch alles aan is gedaan om een beweging zo nauwkeurig en stabiel mogelijk te krijgen kun je dit verder verfijnen door middel van sensoren en software. Hiermee kun je de laatste afwijkingen opmerken en corrigeren.
Hoognauwkeurige machinebouw met luchtlagers
In een recent ontwikkelde hoog nauwkeurige machine hebben we twee translerende bewegingen aangebracht over een X en een Y as.
Aandrijving
Beide bewegingen worden aangedreven door een lineaire motor met elektromagnetisch veld. Deze motoren bestaan uit een magneet en een spoel. Door stroom door de spoel te sturen zal deze weg bewegen van de magneet, bij verandering van spanning wordt hij weer aangetrokken, zo ontstaat de translerende beweging. Wij maakten gebruik van een ronde motor met enkele spoel en een vlakke motor met meerdere spoelen.
Positiebepaling
Naast beweging is er ook feedback nodig over de positie. We gebruiken in een hoog nauwkeurige beweging bij voorkeur contactloze sensoren. Wij kozen voor een optische sensor in combinatie met een glasliniaal. De glasliniaal heeft een resolutie op nm niveau (10−9 meter). De reden hiervoor is dat een meting nauwkeuriger is wanneer het meetinstrument tot een decimaal meer kan meten dan de gewenste grootte. De sensor kan zo de exacte positie vaststellen waarna de software een bijsturing kan doorgeven aan de aandrijving.
Luchtlagers
De geleiding verminderd de wrijving en belasting van de beweging. Daarnaast is de geleiding belangrijk voor het nauwkeurig positioneren van de as. Alle vrijheidsgraden buiten de gevraagde translerende of roterende beweging moeten worden beperkt. Voor een contactloze geleiding kunnen hydrostatische, lucht- of magneetlagers gebruikt worden. Bij deze machine maakten wij gebruik van luchtlagers.
In een luchtlager wordt tussen het lagerhuis en de as een constante luchtstroom aangebracht waardoor de as in het lager zweeft. De meest voorkomende zijn ronde luchtlagers, om een ronde as in te roteren en/of te transleren, en platte luchtlagers, voor translerende bewegingen.
Het loopvlak van de lagers is vaak gemaakt van poreus grafiet. Grafiet is luchtdoorlatend en kan vervaardigd worden met hoge vorm- en plaatstoleranties door bijvoorbeeld leppen of slijpen. De loopvlakken zijn dus altijd zuiver rond of zuiver vlak. Luchtlagers hebben een grote stijfheid en draagvermogen en zijn dus erg geschikt voor hoog nauwkeurige verplaatsingen.
Zuivere vlakheid van luchtlagers
Waarom is die zuivere vlakheid zo belangrijk? Voor de stijfheid van het luchtlager is het belangrijk om de afstand van het lager tot het oppervlak <5 μm te houden. Om wrijving te voorkomen moeten de eventuele oneffenheden op beide oppervlakten < 2 μm zijn.
Luchtlagers in eigen productie
Bij STT Products ontwikkelen en produceren wij zelf vlakke luchtlagers in alle vormen en maten voor onze machines. Het voordeel hiermee is dat we altijd de perfecte vorm en maat lager hebben voor de machine. Juist in hoog nauwkeurige machines is maatwerk een toegevoegde waarde doordat alle onderdelen nog beter op elkaar afgestemd kunnen worden. Bovendien bespaart het kosten en doorlooptijd wanneer we de luchtlagers in-huis produceren.