תנועות אמיתיות

התפתחויות בבקרת תנועה עבור עיבוד שבבי זעיר

מאת ג’ים ג’והנסון וסקוט שמידט,  Aerotech

בקרת תנועה מדויקת היא מרכיב חשוב בעיבוד שבבי זעיר (micromachining) מכני ובעיבוד שבבי זעיר שמתבצע בלייזר. במצב שבו ליישומים מסוימים נדרש דיוק הצבה של תת-מיקרון במעטפת עבודה של 65 סמ”ק עד 100 סמ”ק, בקרת התנועה יכולה להיות ההבדל בין ההצלחה לכישלון של הפרויקט.
מערכת מתקדמת של עיבוד שבבי זעיר חייבת להיות בעלת יכולת הצבה ננו-מטרית או עליה להיות משולבת בכלים לעיבוד שבבי זעיר עם דיוק שווה ערך. מערכות משנה להצבה חייבות לספק רזולוציה ודיוק ננו-מטריים, בצד מהלכים ארוכים דיים ומהירויות גבוהות מספיק, כדי לאפשר ביצוע פעולות עיבוד שבבי במשכי זמן קצרים מספיק שיהפכו את היישום לכדאי מבחינה כלכלית. הגודל של מהירויות ומהלכים אלו תלוי באופן ברור ביישום.
דרישות תנועה העיקריות למערכות של עיבוד שבבי זעיר מכני ועיבוד שבבי זעיר המתבצע בלייזר, כוללות בקר תנועה מתקדם בעל מהירות וגמישות עם דיוק דינמי של קווי מתאר והדירות גבוהה (repeatability). את הדרישות האלו לא ניתן להשיג בטכנולוגיה יחידה. יתר על כן, הצלחה תלויה בביצוע אינטגרציה קפדני של מרכיבים מכניים, מרכיבים חשמליים ומרכיבי בקרה ותוכנה. רכיבים נפוצים של מערכות תנועה כוללים מסבים, מערכות מנוע והינע, התקני משוב, מגברים ובקרה מתקדמת.

טכנולוגיות של מסבים
בחירת דרגה מתחילה בקביעת טכנולוגיית המסבים הרצויה ליישום מסוים. האפשרויות כוללות מסבים קוויים כדוריים עם חזרה בסיבוב (recirculating ball bearing), מסבי צריח גליליים (crossed roller bearing) נוגדי זחילה (anti-creep) ומסבי אוויר. שיקולים נוספים כגון אורך מהלך, דינמיקה, עומס וחיכוך משפיעים גם הם על בחירת המסבים.
מסבים קוויים כדוריים מציעים את הגמישות הגבוהה ביותר מבין כל האפשרויות שצוינו. התכנונים יכולים להיות עבור מהלכים בטווח מ-25 מ”מ ועד יותר מאשר 3 מ’, ועבור מטענים ייעודיים המשתנים מ-2 ק”ג ועד יותר מ–1,000 ק”ג. בדרך כלל, היישומים הם תנועה מנקודה לנקודה או תנועה על קו מתאר (contouring), כאשר הדינמיקה של תנועה על קו מתאר בגודל של עד כמה מיקרונים היא סבירה. אפשר לאטום את הדרגות באמצעות מכסה קשיח ואטמי צד הנתונים במאמץ על מנת לסייע בהגנה על הרכיבים הפנימיים מפני שבבים הנוצרים בעיבוד השבבי. עם זאת, החלק המסתובב של המסבים יוצר הפרעות במערכת מאחר שהכדוריות הבודדות נכנסות לנתיב החזרה ויוצאות ממנו.
מסבי צריח גליליים אינם מכילים מרכיבים החוזרים בסיבוב ולכן פעולתם חלקה יותר. כאשר מחברים אותם למערכת בקרה שעברה אופטימיזציה, יכולות דרגות אלו להגיע לדיוק ברמה של ננו-מטר. יכולות העומס הן בדרך כלל מ-0.5 ק”ג ועד 50 ק”ג עם טווחי מהלכים מעשיים של עד 300 מ”מ. מהלכים גדולים יותר מוגבלים כתוצאה מהתנועה הצדית של המסבים, אשר גורמת לשגיאות פסיעה (pitch). בנוסף, קשה יותר לאטום דרגות כאלה מפני חדירה של שבבים.
דרגות מסבי אוויר מפיקות תנועה ללא חיכוך כמעט, והביצועים הגיאומטריים של מסבים (בפסיעה, בגלגול ובשגיאת התנועה בסבסוב – yaw) עולים על אלו של סוגי המסבים האחרים. המהלכים המעשיים הם מ-25 מ”מ עד ליותר מ-3 מטר, עם מטענים ייעודיים בטווח שבין 1 ק”ג ועד 250 ק”ג. משטחי המסבים רחבים בהשוואה לסוגי מסבים אחרים, ולכן הם מאפשרים יצירה של דרגות גדולות יותר באופן יחסי.
האופי חסר החיכוך של מסבים אלו מאפשר קבלת דיוק גבוה וביצועים דינמיים גבוהים בהשוואה לדרגות שמשתמשות במרכיבים מכניים. כמו כן, המאפיינים הזוויתיים הבלתי רגילים שלהם יכולים להניב את שגיאות הסטייה מהציר הנמוכות ביותר האפשריות (ישרות – straightness, שטיחות, פסיעה, גלגול וסבסוב) – בטווחים של תת מיקרון ותת שניות המעלה. החסרון הגדול ביותר של שימוש במסבי אוויר טמון בעובדה שהשבבים של העיבוד השבבי עלולים לגרום נזק למשטח המסב. אפשר להשתמש במפוחים ובכיסויי מגן אחרים, אך הם מוסיפים חיכוך למערכת ופוגמים באופן חלקי ביתרון של מסבי האוויר.
מסבים קוויים כדוריים עם חזרה בסיבוב משמשים במידה הרווחת ביותר במערכות עיבוד שבבי זעיר בשל גמישותם ובגלל הקלות שבה ניתן לאטום אותם. כאשר נדרשות מערכות בדיוק גבוה יותר, משתמשים לא פעם במסבי צריח גליליים או במסבי אוויר, בהנחה שניתן לשלוט בהיווצרות שבבים ובהסרתם.

הנעה ישירה לעומת הנעה מבוססת בורג
תנועה בציר קווי ועל ציר סיבובי מושגת לעתים קרובות באמצעות דרגות מבוססות בורג (חיבור של מנוע סיבובי לתמסורת בורג כדורי – ball screw או לתמסורת חלזונית – worm) או באמצעות פתרונות של הינע ישיר. בעת הערכת הדרישות העומדות בפני רוב יישומי העיבוד השבבי הזעיר, הדרגות בהינע ישיר מציעות יתרונות רבים לעומת מערכות הנעה מבוססות בורג.
לדוגמה, ביישומים עם מחזור עבודה גבוה, הבורג עלול להישחק במשך הזמן ולהקטין את הדיוק ואת ההדירות. כמו כן, החופש (backlash) במסלול ההינע של הבורג מגביל את היכולת שלו להגיע להיפוך כיוון חד או לעקוב במדויק אחרי קווי מתאר מורכבים, עובדה שפוגמת בביצועי המערכת ובתפוקה שלה. במערכות בהינע ישיר לא קיימים חופש או התרוממות, והם יכולים להגיע לתאוצות ולרוחב פס גבוהים יותר בהרבה מאשר מערכות מבוססות בורג ולכן משפרים את איכות החלקים. בנוסף, התכנון ללא נקודות מגע של מערכות בהינע ישיר מבטל את הבלאי ומונע את הצורך בתחזוקה. יתרונות אלו הופכים את המנועים בהינע ישיר לאפשרות הבחירה הברורה עבור עיבוד שבבי זעיר.

התקני משוב
לעיבוד שבבי זעיר נדרשים התקני משוב עם יכולת לאפשר רזולוציה של תת–מיקרון, אשר מאפשרת לבקר לסגור את חוג הסרוו. התקני משוב נפוצים בעלי רזולוציה גבוהה כוללים מקודדים קוויים, אינטרפרומטרים של לייזר, גשושים (probe) קיבוליים, שנאי LVDT (שנאים הפרשיים משתנים ליניאריים) ומדי מאמצי עיבור (strain gauge). לכל ההתקנים יש יתרונות וחסרונות, אינטרפרומטרים של לייזר יקרים במידה שלא מאפשרת שימוש בהם ברוב היישומים של עיבוד שבבי זעיר, ולעומתם, גשושים קיבוליים, שנאי LVDT ומדי מאמצי עיבור מוגבלים במידה קיצונית למהלכים קצרים מאוד, עובדה שהופכת אותם לבלתי מעשיים לשימוש ברוב היישומים. לכן, ברוב יישומי העיבוד השבבי הזעיר בלייזר או בעיבוד מכני, המקודד הקווי הוא הבחירה הברורה בזכות הדיוק, המהירות, טווח המהלכים וקלות השילוב במערכת.
מקודדים קוויים משתמשים בסרגל עם זמן מחזור של סריג (grating period) (המרחק שבין סימוני השנתות של מקודד) ובראש קריאה. ראש הקריאה האופטי מודד את שינויי הסריג ומחולל אות אנלוגי שזמן המחזור שלו זהה למחזור שינויי הסריג שעל הסרגל. זמני המחזור האופייניים של מקודד נמצאים בטווח מ-200 ננו-מטר ועד 20 מיקרו-מטר, אולם אפשר, באמצעות תכונות מתקדמות של הבקר, לבצע הערכה של ערכי הביניים (אינטרפולציה) מתוך האותות הבסיסיים האלה של זמן המחזור עד לרזולוציה של תת-ננו-מטר, אשר נדרשת למערכות הבקרה על מנת שיוכלו לשמור על הדיוק הנחוץ בעת העיבוד השבבי הזעיר.
יש גם לקחת בחשבון את ההשפעות של ההתפשטות בחום בסרגל של המקודד. מנועים קוויים מפיקים חום במהלך פעולתם והם מפזרים אותו דרך הדרגה והרכיבים הפנימיים. הדרגות עשויות בדרך כלל מאלומיניום שיש לו מקדם התפשטות בחום של 24 מיקרונים למטר למעלה (צלזיוס). לדוגמה, דרגת אלומיניום באורך של 100 מ”מ תתפשט ב-2.4 מיקרו-מטר כשהטמפרטורה תעלה ב-1 מעלה צלזיוס. אומנם אפשר לשקול שימוש בחומרים חלופיים בעלי מקדמי התפשטות נמוכים יותר, אולם ייצור הדרגה כולה מחומרים כאלה בדרך כלל יקר במידה שמונעת אותו והשימוש בהם עלול גם לסכן את הקשיחות המכנית של המערכת. אחת הטכניקות לשמירה על ביצועי המערכת תוך הקטנת העלויות למינימום היא להתקין רק את הסרגל של המקודד על חומר בעל מקדם התפשטות נמוך, ולבודד אותו בכך מההתפשטות בחום הנגרמת ליתר החלקים של הדרגה.

מגברים והתקני דחיפה
בפעולה ברמות של מיקרון ותת-מיקרון, כל הפרעה עלולה להוביל לשגיאות הצבה שמשפיעות על איכות החלקים. בנוסף להפרעות חיצוניות כדוגמת רעידות קרקעיות או רעש אקוסטי, הפרעות פנימיות שמקורן ברעש חשמלי או באלקטרוניקה של מערכת ההספק אשר פולטת רעש אלקטרו-מגנטי עלולות לגרום למצבי חוסר יציבות ולהפרעות ריצוד (jitter) במערכת התנועה. למערכות בעלות דיוק גבוה נדרשים תכנונים של מגברים מתקדמים כדי להגיע לתוצאות הרצויות. המגברים הנפוצים בשימוש בעיבוד שבבי זעיר כוללים מגברי אפנון רוחב אות (PWM) ומגברים ליניאריים.
מגברי PWM מאפננים את זמני “פועל-כבוי” של טרנזיסטורי ההספק על מנת לבצע בקרה של תפוקת המנוע. למגברי PWM יש נצילות גבוהה מאחר שההתנגדות על פני הטרנזיסטורים היא נמוכה במצב “פועל” (on), עובדה המקטינה למינימום את הפסדי ההספק על פני הטרנזיסטורים. כך מתאפשר לארוז טרנזיסטורים להספק גבוה במארזים קטנים באופן יחסי.
למרות הנצילות שלהם, מגברי PWM מפיקים זרם אדוות (ripple) ורעש חשמלי, והופכים בזאת למתאימים פחות ליישומים של דיוק גבוה. למשל, כאשר מבקרים מערכות עם רזולוציות של עד 50 ננו-מטר, ההשפעה של זרם אדוות זה היא זניחה, אולם במערכות עם רזולוציה טובה יותר מ-50 ננו-מטר, וליתר דיוק, ברזולוציה של פחות מ-5 ננו-מטר, האדוות עלולות לגרום להפרעות במערכת. מצב זה מביא ליציבות גרועה בתוך העמדה (in-position). במלים אחרות, זרם הרעש שנוצר באופן לא מכוון ומועבר אל המנועים יגרום לדרגה לריצוד. ריצוד זה במיקום יכול להיות באותו סדר גודל כמו המבנים שאותם מעבדים בעיבוד השבבי ועל כן הוא מזיק ביותר לביצועי המערכת.
כמו כן, למנועי PWM יש “זמן מת” שאינו אפס במצבים של היפוך כיוון התנועה בקווי מתאר שמבוצעים על ידי תוכנית התנועה. כאשר המסלול של התנועה מקבל פקודה לשנות כיוון, נדרש למגבר זמן קצר שבמהלכו אין זרם במוצא, ובכך קטנה יכולת העקיבה של הדרגה.
מגבר ליניארי מפעיל את טרנזיסטורי ההספק בתחום הליניארי שבו ההתקן פועל כמגבר זרם. לצורות הגל של המתח והזרם של מגבר ליניארי אין זרם אדוות, עובדה המובילה ליציבות טובה יותר בתוך העמדה. מנועים ליניאריים מקיימים גם בקרה טובה יותר במצבים של היפוך כיוון התנועה, ומאפשרים בכך יכולת עקיבה גדולה יותר.
למגברים ליניאריים יש גם חסרונות. הם גדולים ומפיקים כמות משמעותית של חום. הם גם יקרים יותר מאשר דוחפי PWM. כתוצאה מכך, מגברי PWM מתאימים עבור חלק מיישומי העיבוד השבבי הזעיר, בעוד שעבור יישומים שבהם נדרשים דיוקים של מיקרון ותת–מיקרון, מומלץ להשתמש במגברים ליניאריים.

בקרה מתקדמת
לעיבוד שבבי זעיר נדרש בקר תנועה מתקדם עם אלגוריתמים וחומרה שמקטינים למינימום את שגיאות ההפרעות, מגדילים את יכולות העקיבה ומספקים יציבות עליונה בתוך העמדה. לשגיאות תנועה יש נטייה להיות הגדולות ביותר בזמנים של האצה או האטה של הציר. בנוסף למהירויות משתנות, הצירים מאיצים ומאיטים בעת תנועה לאורך נתיבי עקומות מפותלות – מצב שמתרחש לעתים קרובות בגלל קווי המתאר המורכבים הקיימים בעיבוד שבבי זעיר.
תכונות נפוצות של בקרת תנועה שמקטינות את השגיאות האלה כוללות הגבלה של התאוצות וקריאה מקדימה בריבוי בלוקים. להגבלת התאוצה משווים את פקודות ההאצה הקווית וההאצה המרכזית (צנטריפטלית) לערכים של נקודות סף שמוגדרים מראש, ואם הפקודה חורגת מהסף, הבקר מקטין את המהירות המשיקית על מנת לשמור על איכות החלק. הבקר חייב לנתח את הפקודות לתנועה עתידית כדי לבצע אופטימיזציה של תכונה זו.
קריאה מקדימה בריבוי בלוקים מאפשרת לבקר להשוות פקודות עתידיות עם הפקודות המבוצעות באותו הרגע, ולבצע פיצוי על פי הנדרש על מנת להקטין שגיאות תנועה. לדוגמה, אם הבקר מבצע ניתוח של נתיב עקומה עתידי, הוא מחשב את התאוצה המרכזית ויכול להוסיף האטה בתוך פקודות מרובות כך שהכניסה לעקומה מתבצעת במהירות הנכונה, בתוך סף התאוצה המוגדר מראש.
תכונה זו שימושית במיוחד עבור מקטעים קצרים בנתיב הכלי ועבור מצבי היפוך כיוון הנפוצים בעיבוד שבבי זעיר, כאשר אורך המקטע עלול שלא להיות מספיק לאפשר לציר להאט בקצב סטטי, לפי התוכנית, ללא תגובת יתר (overshoot). קריאה מקדימה בריבוי בלוקים והגבלה של התאוצות מאפשרות למשתמש גם להגדיל למקסימום את התפוקה על ידי תכנות קצבי הזנה גבוהים יותר, ובכך לאפשר לבקר לעבד בקצבי ההזנה הגבוהים ביותר האפשריים בלי לחרוג מפרמטרי התאוצות.
אלגוריתמים מתקדמים יותר יכולים לסייע בהפחתה נוספת של שגיאות התנועה, בשיפור איכות החלקים ובהגדלת התפוקה. לדוגמה, פיתחנו בחברת Aerotech אלגוריתם בשם “ביטול הרמוניות” (harmonic cancellation) שדוחה תנועות שגיאה מחזוריות, כמו למשל רפרוף (wobble) תלוי מיקום בציר הסיבוב (spindle), על ידי ביטול התדירות של השגיאה באמצעות תיקון על פני הציר (עיין בגרף).
“המודול לתפוקה משופרת” (enhanced throughput module) של החברה מגדיל את התפוקה של המכונה על ידי מדידת התנועה הבסיסית ושילוב מתאים שלה בחוג הסרוו. תכונה נוספת, בקרת למידה חוזרת ונשנית (iterative), מקטינה את השגיאות העתידיות ומגדילה את הדיוק הדינמי על ידי לימוד רצפי תנועה חוזרים וביצוע אופטימיזציה שלהם.

נדרשת גישה מערכתית
לפעולות של עיבוד שבבי זעיר מכני או מבוסס לייזר נדרשת גישה כוללת על מנת להבטיח עמידה בביצועים ובאיכות הרצויים. רכיב אחד או שניים לא יכולים להפיק את התנועה המדויקת בכוחות עצמם, אלא רק מערכת מכטרונית שלמה. בחירה בטכנולוגיית המסבים, בהתקני המשוב, בסוג המגברים ובטכנולוגיית הבקרה המתאימים ושילובם יחד מבטיחה את הצלחתן של פעולות העיבוד השבבי הזעיר.
אודות המחברים:
ג’ים ג’והנסטון (Jim Johnston) הוא מנהל מוצר בקבוצת מערכות האוטומציה בחברת Aerotech, בפיטסבורג.
סקוט שמידט (Scott Schmidt) הוא מנהל מוצר בקבוצת עיבוד בלייזר ועיבוד שבבי זעיר בחברת Aerotech, בפיטסבורג.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת להט טכנולוגיות.