מיצוב–מיקרו עומד בדרישות המכטרוניקה

רון רקובסקי, Aerotech

בהשוואה לשיטות המסורתיות, גישת התכנון הרווחת במכטרוניקה היא גישה “שלמה” (כזו המתייחסת לשלם, ולא רק לחלקיו) לתכנון המוצר. גישה שבה הפשרות שבין הרכיבים הפונקציונליים (תוכנה, חומרה, ממשק משתמש וכיו”ב) עוברות שיקול דעת קפדני באשר להשפעה שיש להן על הביצועים הכוללים. מטרת התהליך היא להגיע בסופו של תהליך התכנון לפתרון אופטימלי. פרישה של התקנים מכטרוניים היקפיים מתבצעת בהצלחה מזה זמן ביישומים רבים, כדוגמת כוננים קשיחים, מניפולטורים רובוטיים, בקרת טמפרטורה ומערכות לרכב. במאמר זה נעסוק במכטרוניקה שמשולבת בדרגות מיצוב–מיקרו.

הגדרת מיצוב–מיקרו
לביטוי “מיצוב–מיקרו” (micropositioning) יש משמעויות שונות שהגדרתן תלויה במידה רבה בהקשר של היישום. בדיון זה, אנו מתייחסים לאקטואטורים  שיש להם יכולת תנועה באזור של מיקרון עד תת–מיקרון. ליכולת זו נדרש שלאקטואטור תהיה האפשרות להגיע להדירות (repeatability) ולדיוק של תת–מיקרון.
סוגים אלו של מוצרים משמשים לרוב בייצור של התקנים סיב–אופטיים, בתהליכים של ניתוחים וחיתוכים בלייזר ובמערכות של מוליכים למחצה, כוננים קשיחים ושל מדידות וכיול (מטרולוגיה).
יישום עקרונות התכנון של מכטרוניקה חיוני להצלחת המימוש של התקנים ומערכות למיצוב–מיקרו כאלה. כאשר לכל מיקרון יש חשיבות רבה, יש לשקול בזהירות את תרומתו של כל מרכיב בתכנון לשגיאה הכוללת של המערכת, מאחר שבחירה “גרועה” אחת עלולה בקלות לגרום לחריגה מתקציב השגיאות הכולל של המערכת.

תכנון מערכות–
משנה מכניות
אפשר היה לצפות שגודלו של התקן שתוכנן לתנועה ברמה של מיקרונים עם דיוק והדירות מתאימים, יהיה בהכרח קטן. עם זאת, קיימים אקטואטורים עם מהלך בטווח של מאות מילימטרים, שאותם אפשר בהחלט לסווג כהתקנים בעלי מיצוב–מיקרו. גודל העומס (מסה, ממדים, התמדה – אינרציה) והסביבה (הניקיון או ההרכבה האוויר) מוסיפים לאתגר, ומצמצמים אף יותר את פרמטרי התכנון, מאחר שהם משפיעים על אפשרויות הבחירה של חומרים ומסבים. אפשרויות בחירה כאלו בתכנון מכוונות גם על ידי ההשפעה שיש להן על תגובת המערכת.
ההיבט המכטרוני של תכנון מערכות משנה מכניות מגיע לידי ביטוי כאשר שוקלים את פעילות הגומלין שבין תוכנה, בקרה ואלקטרוניקה. ביישומים מסוימים, ייתכן שיהיה צורך לשלב את מערכת הבקרה עם דרגות ההספק בתוך מערכת המשנה המכנית עצמה. לדוגמה, על מנת להקטין את עקבת המעגל למינימום, ייתכן שיהיה צורך לשלב את מכלול המנוע שבהתאמה אישית בתוך הדרגה הנעה.

מחשבה על התפשטות חומנית
כאשר משלבים מנועים או מערכת אלקטרונית להספק ישירות בתוך ההתקן, נוצר מקור חום שעלול להקטין את דיוק המיצוב כתוצאה מהתפשטות חומנית (תרמית). הטבלה הבאה מציגה את ההתפשטות החומנית במיקרונים של חומר, באורך מטר אחד בעליית טמפרטורה של מעלה אחת צלזיוס. בהתבסס על מקדם ההתפשטות, אקטואטור מאלומיניום באורך של 100 מ”מ יתרחב ב–2.4 מיקרו–מטר לכל עלייה של מעלה אחת צלזיוס בטמפרטורה. שים לב, שלמערכת האלקטרוניקה להספק ולמנועים המשולבים יש פוטנציאל להעלות את הטמפרטורה הרבה יותר מכך.
ביישומים שבהם נדרש דיוק גבוה מאוד על פני טווח שלם של טמפרטורות פעולה, תת–מערכת הבקרה צריכה להיות בעלת יכולת למדוד או לחשב את עליית הטמפרטורה ולהתכוונן בהתאם, על מנת להישאר בתוך תקציב השגיאה המוקצב. לחלופין, אפשר לשקול להשתמש בחומרים אחרים עבור האקטואטור עם מקדם התפשטות חומנית נמוך יותר, כדי להגביל את ההתפשטות.

עם זאת, חשוב לזכור שלבחירת החומר יש השלכות על קשיחות האקטואטור, עובדה שיכולה להשפיע על ארכיטקטורת הבקרה ועל סוג המעבד.

שיקולי תכנון מכטרוניים
העקרונות המכטרוניים הבאים שימשו כהנחיות בתכנון המוצר במקרה של התקן מיצוב–המיקרו במד–זווית:
*ניתוח של הפשרה שבין מורכבות הבקרה ומורכבות האקטואטור – קשיחות נמוכה עם מורכבות בקרה גבוהה לעומת קשיחות גדולה עם מורכבות בקרה קטנה
*סקירה של ההשפעות החומניות שנגרמות כתוצאה משילוב ההתקנים אלקטרוניים בתוך תת–המכלולים המכניים
*תכנון לאפשרות לייצר וליכולת מתן שירות של המכלול המכטרוני; מארז כדאי בעלותו של המרכיבים המכניים, המנוע ומרכיבי הבקרה
*היבטים של ממשק אדם מכונה, תכנות בידי המשתמש, תחזוקה של תוכנה וחומרה, קישוריות.

שיקולים ביחס לתת–מערכות הבקרה
מובן שבמיצוב–מיקרו יש יותר מאשר תנועה ברמה של מיקרונים. בין הפרמטרים החשובים נמצאים מפרטים לגבי זמני תנועה והתייצבות (תגובה לאות מדרגה), מהירות פעולה מרבית ומפרטים הקשורים לתפוקה. התכנון ופעולת הגומלין של מערכת הבקרה ושל המערכת המכנית מגדירים, בסיכומו של דבר, את מעטפת הפעולה של המערכת השלמה.
קירוב טוב מסדר ראשון קובע שככל שרוחב הפס של המערכת גדול יותר, ביצועי המערכת יהיו טובים יותר במונחים של זמני התייצבות ושגיאות שיא של מיקום. עובדה זו נובעת מכך שלמערכות מכניות יש מצבי תהודה או תדירויות שבהם יש למערכות נטייה להיכנס לתנודות. מצבי תהודה אלו חייבים להימצא מחוץ לרוחב הפס של המערכת ויש לספק נגדם הנחתה מספקת כדי שלא יתעוררו כתוצאה מתנועת הדרגה.
שמירה על עקרונות התכנון המכטרוניים מאפשרת ביצוע הערכה של רוחב הפס הנדרש של המערכת בשלב מוקדם של תהליך התכנון, בהתבסס על אמות המידה של הביצועים. הערכות של רוחב הפס משמשות לא רק להנחיה של תכנון המערכת המכני על ידי הגדרת הגבול של תהודת המערכת הנמוכה ביותר המותרת, אלא גם כדי להגדיר את מבנה הבקרה. ניתוח מרכיבים סופיים (FEA) של המבנה המכני יכול לספק הערכות באשר לערכים של מצבי התהודה העיקריים של המערכת.
מידע זה משמש כדי להגדיר את דרישות הבקרה במונחים של קצב עדכון מערכת הסרוו, מבנה הבקרה (PID/ מרחב המצבים) וכמה מסננים נדרשים ומאיזה סדר. בהתבסס על קצב עדכון מערכת הסרוו, אלגוריתם הסרוו ומספר המסננים שהוגדרו, אפשר להעריך את מספר הפעולות הנדרשות לשנייה כדי לממש את אלגוריתם הבקרה, עובדה המסייעת להגדיר את סוג המעבד (בקר–מיקרו, מעבד DSP, או מעבד–מיקרו) וכן את מהירות הפעולה.

הדמיה של המערכת
מעבר לניתוח FEA, אשר מספק מידע בנוגע לתגובת התדר של תת–המערכת המכנית, גישת התכנון של המכטרוניקה יכולה להפיק יתרונות גדולים מהדמיה של המערכת השלמה. אפשר ליצור מודל של הפריטים בלולאת הבקרה, כמו למשל רוחב מילת מעבד, רזולוציית חיישן, דרגת הספק, אלגוריתם בקרה והמערכת המכנית, ולאחר מכן, לבצע הדמיה שלהם על מנת לאמת את הביצועים הצפויים. אפשר לשנות פרמטרים תפעוליים, כדי להשיג את רמות הביצועים הרצויות או על מנת לאתר בעיות בלתי צפויות הרבה לפני השלמת אב טיפוס פונקציונלי.

מכטרוניקה שיש לה משמעות
ככל שההתקנים הופכים להיות מורכבים יותר ולוחות הזמנים של הפיתוח מתקצרים, כדי לקצר את זמן קבלת התשואה על הון ההשקעה, ועל מנת להוציא את המוצרים מהר יותר לשוק, היתרונות של גישת תכנון המערכות מבוססת המכטרוניקה הופכים להיות ברורים יותר. יישומים של מיצוב–מיקרו מתאימים היטב, בדרך כלל, לגישת התכנון של המכטרוניקה ולכל טכנולוגיות הליבה הקיימות עם פעולות הגומלין המשמעותיות שביניהן.
התהליכים המופעלים במכטרוניקה אינם חדשים. ביחד הם מייצגים את גישת “תהליכי הפעולה הטובים ביותר” שבה משתמשות מזה שנים רבות קבוצות של בודדים בעלי התמחות בתחומי הנדסה שונים. ההכרה בערך שיש ליכולת זו ברמת האוניברסיטאות היא החדשה. באוניברסיטאות רבות יש מעתה תוכניות מבוססות מכטרוניקה אשר מספקות למהנדסים חשיפה לתפישות של מערכות מכניות, חשמליות, מערכות תוכנה ומערכות בקרה עם עומק ידע מספיק בכל תחום הנדסי, כדי להבין את יחסי שיתוף הפעולה שביניהן.

*הכתבה נמסרה באדיבות להט טכנולוגיות, נציגתה של חברת ארוטק בישראל.