הפיתרון לרזולוציה…

Scott Schmidt, Aerotech

יישומי בקרת מנועים מודרנית מוגדרים לרוב על-ידי מגוון רחב של מפרטים. דיוק, הדירות, בקרת מהירות ומאפיינים רבים אחרים מודגשים בצורה מדוקדקת בדרישות המערכת. אם כי מרבית הביצועים הללו מוגדרים היטב או בצורה אינטואיטיבית או בשניהם, אחרים מפורשים לעתים בצורה מוטעית או מוגדרים לא נכון. רזולוציה היא אחת המדידות האלו.
רזולוציית שלב (stage) מסומנת לעתים קרובות בדרישות יישומי מערכות בקרת תנועה כמו גם בקטלוגים של היצרנים ומפרטי הרשת. משתמשים רבים, וחלק מהיצרנים, מפרשים לא נכון מה שבאמת כלול במונח זה. מרביתם מניחים שערך זה מייצג את התנועה המזערית שהמערכת הכוללת (מכניקת השלבים ביחד עם בקרים ואלקטרוניקת ההזנה) יכולה להשיג בצורה אמינה. אולם, מאפיין זה (המוזכר בד”כ בצורה עצמאית כ”תנועת ההגדלה המזערית”) הוא לעתים קרובות שונה מאוד מרזולוציית המערכת. המושגים התואמים מוגדרים בצורה מדויקת יותר כ-:
רזולוציה: הערך הקטן ביותר שניתן להניע או לגלות מערכת הנעה, כפי שנקבע על-ידי התקן המשוב (מקודד וכו’) והבקר. דבר זה ניתן לפרש כתנועת הגדלה מזערית “תיאורטית”.
תנועת הגדלה מזערית: התנועה הקטנה ביותר ששלב יכול לספק בצורה עקבית ואמינה. מוגדרת לעתים קרובות על-ידי ערך כלשהו של אחידות – לדוגמה “אי-האחידות בגודל השלב היא פחות מ-…”
במילים אחרות, מערכת אלקטרו-מכנית מלאה ניתנת להגדרה כך שניתן לקבוע בה רזולוציה של 10 ננו-מטר, לדוגמה, תוך שימוש בבורג כדורי בעל 2 ממ’/סיבוב ביחד עם מקודד סיבובי בעל מוצא סינוסי של 1000 קווים ואינטרפולציה מתאימה של המקודד. גם אם בקר יהיה מסוגל לגלות תנועה מרומזת של 10 ננו-מטר ממקודד המנוע הסיבובי, מכניקת השלב כמעט לעולם לא תזהה תנועה מוכתבת של 10 ננו-מטר. רתיעה (backlash), גילול וציות אחר במהלך ההזנה המכנית ימנעו את רוב או את כל סיבובי המנוע מלהתנהג בצורה הדירה בתור תנועה קווית. מה גורם לגודל הקטן ביותר המושג בשלב לסטות מערך רזולוציית המערכת שלו?
כמובן, הבנה ברורה של רזולוציית המערכת האמיתית, כמו גם מה גורם לגבולות תנועת ההגדלה המזערית, חיוניים כדי להבין את הביצועים של מערכות מיצוב (positioning) מדויקות.

השפעות של מרכיב ההזנה
אולי המקור הבולט ביותר של ההבדלים בין רזולוציה ותנועת הגדלה הוא התנועה המופקת על-ידי מנוע השלב אך מבוזבזת בטרם היא מומרת לתרגום ליניארי של גררת (carriage) השלב. דבר זה מתבטא מתוך התאמה בהצמדה, רתיעה בבורג וחיבורים מכניים אחרים (הילוכי דורבן – spur gears) במהלך ההזנה של השלב. כל העבריינים האלה צורכים כמות קטנה של סיבוב ציר המנוע לפני החיבור והסיבוב של בורג הכדור או ההובלה (lead screw).
בעוד מרבית קולטי התנועה
(“motion sinks”) הנ”ל נוכחים בשלבים המופעלים על-ידי ברגים, גם מערכות הזנה ישירה עשויות להכיל מרכיבים לא-אידיאליים העשויים להפריע לתנועה שלהם. העובדה שהתקן משוב (לרוב מקודד ליניארי במערכות של הזנה ישירה) איננו נמצא בדיוק בנקודת העבודה (גררת) יוצרת שגיאה. בעוד המנוע עשוי להשלים איזו תנועת גידול קטנה, מכסה השולחן (tabletop) עשוי לעקוב או לא לעקוב אחר אותו פרופיל תנועה. תנועה זוויתית פרזיטית (עילרוד, גלגול, סיבסוב), ביחד עם ההיסטים בין המקודד ונקודת העבודה (הגורמים לשגיאות Abbe), ואי-היישור הליניארי של המקודד עם כיוון התנועה יכולים כולם לפגוע ביכולת הצעידה העדינה בצירי מנוע ליניארי.
השפעות הכיוון
הן בשלבי הזנת המנוע הסיבובי והן בהזנות הישירות, אי-התאמות בכיוון עלולות לפגוע בביצועי התנועה ולהשפיע על יכולת גודל-הצעד המזערי של השלב.

החלקה (skidding): למסבים כדוריים בעלי עומס קל יש נטייה להחליק במקום להתגלגל במהלך הרגעים הראשונים של תנועה חדשה. דבר זה לא רק מייצג תנועה שונה (כפי שהיא נראית על-ידי שילוב בורג מנוע סיבובי/הזנה) בהשוואה לתנועת הגלגול המקובלת, אלא גם עשוי לגרום לשחיקה בכדורים עצמם, אשר בתורה תשפיע שלילית על ביצועי המסבים.
חיכוך סטטי (stiction): התנגדות לתחילת התנועה (הידועה גם כחיכוך סטטי או חיכוך ניתוק (breakaway) – מבליטה את השפעות רתיעת הבורג ועשויה לגרום לתנועה בהלם (pitching) במקום תנועה ליניארית.

החטאה (overshoot): בגלל שעל המסבים המכניים להתגבר על חיכוך סטטי מסוים, לעתים דרוש כוח רב (יחסית למרחק התנועה המוכתב) כדי להתגבר על השפעה זו. אם הכוח הוא במעט גדול מידי, השלב עשוי להחטיא את התנועה שלו על-ידי כמות מסוימת נמוכה יותר ממרחק התנועה המזערי הניתן להשגה. מאחר שעתה יש להתגבר על החיכוך בכיוון ההפוך, ההשפעה הסופית היא זהה, גם אם השגיאה שינתה כיוון.
בעוד תכנוני שלבים רבים סובלים מחלק או מכל ההשפעות הנ”ל, אחדים, דוגמת שלבים בעלי מסבי אוויר ליניאריים, לא מושפעים מכך. מאחר שמשטח המסב הוא למעשה ללא חיכוך, החיכוך הסטטי איננו מהווה בעיה. יתר על כן, ההחטאה היא גורם נדיר מאחר שמסב-אוויר מסוגל להגיב לכל הפקודות של תיקוני הכוח מלבד הקטנים ביותר. לבסוף, לא תורגש החלקה מאחר שאין בנמצא מרכיבי גלגול.

שלבים מוזני-בורג
כפי שצוין לעיל, למערכות בעלות בורג כדורי ובורג-מוביל יש חוסר שלימות מובנה דוגמת רתיעה של הבורג והתאמת צימוד, בין היתר. כדי לכמת תרומות לשגיאה אלה, נעשו מספר ניסיונות תנועה קטנה על-ידי שלב מוזן בורג כדורי מדויק (פסיעת בורג של 2 ממ’/סיבוב), כאשר מקודד המנוע הסיבובי של השלב משמש עבור משוב המיצוב. מוצא המקודד, בפורמט אות סינוסי מוגבר שובץ תוך שימוש בטכנולוגיית ההכפלה של המקודד (ביחד עם בקר ניצב) כך שהרזולוציה הליניארית הסופית הייתה 10 ננו-מטר ביחידת מכונה משובצת (interpolated). הבקר פיקד בנאמנות ורשם כל תנועה בהתבסס על המשוב מהמקודד הסיבובי. אולם, בדיקה עצמאית של התנועה הושגה עלי-די שימוש במדידים קיבוליים המותקנים קרוב למטרה המובלת על-ידי השלב (ראה איור 1).
איורים 2 עד 5 מציגים סדרת תנועות זו. אם כי התנועה המיוחסת (בכל גרף) הייתה מוכתבת, התנועות הראשוניות בכיוון נתון רק גרמו למכסה השולחן של השלב לתרגם חלק קטן מהמרחק המבוקש. במילים אחרות, בשעה שהמנוע הסתובב במידה הולמת למרחק המוכתב, התנועה הרצויה לא הושלמה. לאחר תנועות מוכתבות מעטות, חשל (היסטרזיס) זה חוסל והתנועות הרצויות מוגשמות במלואן. התנועות הגדולות יותר (איורים 4 ו-5) נראות מעט פחות רגישות להשפעות אלו. אם להתבטא בצורה מדויקת יותר, התנועה המבוזבזת של המנוע היא פשוט פחות משמעותית בהשוואה לגודל התנועה המוזמנת. אם כי גם תנועות קטנות יותר (10 ננו-מטר עד 50 ננו-מטר) מומשו ונרשמו, מכסה השולחן של השלב לא רשם כל תנועה מורגשת בתגובה לתנועה המוזמנת, ובמעשה הושג רק רעש ריצפה/רקע.
הגרפים לעיל מציגים בבירור חשל בכל שינוי של כיוון. בתנועה הקטנה ביותר המתוארת (איור 2), הצימוד והסיום של הבורג והרתיעה של הבורג אינם מושלמים לחלוטין לפני שמשטר הבדיקה החל להורות על צעדי תנועה אחורנית. אפילו בתנועות הגדולות ביותר (צעדים של 1 מיקרון כמתואר באיור 5), בולטת
איזה חשל.
על אף שהגרפים לעיל עשויים לבטל משפחת שלבים זו לצורכי יישומים הדורשים תנועות הגדלה קטנות, דו-כיווניות, סוגי יישומים מרובים מסופקים כרגיל על-ידי טכנולוגיה זו. לדוגמה, מיצוב כללי (תנועות נקודה לנקודה של עשרות מיקרונים או מילימטרים) יכול ליהנות מהדיוק וההדירות הטובים של שלבים אלה, כמו גם מיעילות-העלות שלהם. אפילו משימות הדורשות תנועות קטנות ביותר יכולות להשתמש באסטרטגיית הזנה זו אם דרוש מרחק “ריצה” מתאים ודרושות רק תנועות חד-כיווניות.

שלבי מסבים מכניים
בהזנה ישירה
בשעה שמערכות מוזנות-בורג מציגות קולטי תנועה מרשימים, לשלבים ליניאריים בעלי הזנה ישירה (מנועים ליניאריים) יש גם השפעות פרזיטיות בלתי-נמנעות. בדומה לבדיקת שלב הבורג המתואר לעיל, סדרת תנועות קטנות הוכתבה על-ידי שלב מוזן ישירות בעל מקודד ליניארי שסיפק פסיעה יסודית של 20 מיקרונים. שוב, מוצא המקודד היה בפורמט של אות סינוסי מוגבר ועבר אינטרפולציה תוך שימוש בטכנולוגיית הכפלה של מקודד כדי להשיג רזולוציה של 10 ננו-מטר לספירה במכונה. מדידות בעזרת גששים קיבוליים הפיקו את הגרפים המוצגים באיורים 6 עד 9.
שים לב שעל אף שגודל הצעד הקטן ביותר הוא עדיין בולט בהשוואה לשלב המוזן בבורג-כדור, תנועה פרזיטית מסוימת היא עדיין מבוזבזת ב”גרם המדרגות” החוזר של תנועות. שגיאה זו נובעת מאי-ההדירות של המסבים. מרחק שגיאה זה היה גם קטן מדי כדי לבצע תנועת תיקון אמינה או כדי שהבקר יגלה-יזכיר שרזולוציית המערכת היא 10 ננו-מטר, בהשוואה למרחק שגיאה פרזיטי של 1-2 ננו-מטר. התקני כוונון השלב הפשוטים גורמים לחריגה הזעירה במצב נראה בתחילת חלק מהתנועות המוצגות.
בסך הכל, אמנם, תנועות מאוד קטנות הוזמנו ובוצעו משלב המנוע הליניארי. עם שינויי מערכת אחדים (לדוגמה רזולוציה יותר עדינה), ניתן היה להשיג באופן מעשי צעדים של 10 או אף 5 ננו-מטר. יכולת זו מאפשרת לשלבים יעילים-לעלות יחסית, בעלי הזנה ישירה, עם מסבים מכניים, לשמש ביישומים בעלי דיוק גבוה וביצועים בוהים כמו כוונון סיבים, יצור סורגי Bragg ומיקרו-מכניקה בלייזר.

בדיקת ההשפעות
והבחירות
שים לב שחלק מהשפעות המערכת אינן מכוסות במפורש על-ידי הבדיקות המתוארות. לדוגמה, השפעות הסביבה יכולות לתרום לאימפקט משמעותי על ביצועי מערכת התנועה. תא בדיקות מבוקר במדויק (ביחס לבידוד הרעידות והטמפרטורה) דרוש כדי לבצע השוואה אמיתית של תנועת השלבים. אחרת, מדידות גודל הצעדים עשויות להיות מושפעות לרעה על-ידי התפשטות תרמית ורעידות של ריצפת המעבדה. למעשה, דבר זה אפילו חשוב יותר בהקשר של היישום הסופי מאשר שיקולי הבדיקה. אם השפעות הטמפרטורה גורמות לסטיה של 2 מיקרון במצב גררת השלב (שיכולה להתגלות או לא על-ידי המקודד שלה), החלק המעובד המורכב על שולחן הניסוי יסטה גם כן, דבר שעלול להיות בעל השלכות קריטיות בממדים הסופיים, לדוגמה, של חלק מעובד על-ידי מיקרו-מכונות. לשם ייחוס, הבדיקות המבוצעות במהלך מחקר זה השתמשו בתא מבוקר-טמפרטורה והשלבים מורכבים על לוח-ניסויים מגרניט מבודד מהאוויר.
בדומה, לא נחקרה גם טכנולוגיית המגברים. מגברים ליניאריים יציעו תנועה חלקה יותר מאחר שהם אינם מציגים אותו רעש מיתוג (לרוב ב-20 קילו-הרץ) כמו מזינים בעלי אפנון רוחב-פולס (PWM). דבר זה יכול להתבטא כמיזוג-יתר בתוך מצב אשר יכול בנקל להציף תנועות בעלות צעדים קטנים. בנוסף, הזנות PWM יכולות להציג השפעת “תחום-מת”. דבר זה קורה בשינויי כיוון, כאשר האות המוזמן משנה סימן. הזנה ליניארית יכולה לבצע מעבר חלק לכיוון אחר, בשעה שמקור PWM יחוש במידה מסוימת של זמן במהלכו אין זרם במוצא. דבר זה יוצג כתנועה מושהית או אבודה במערכת מעשית. מגברים ליניאריים שימשו בבדיקות הנ”ל, דבר אשר אפשר לנתונים המתקבלים להציג בצורה המדויקת ביותר את יכולת השלב.

הערכה נוספת
בשעה שמספר בחירות של תכנונים עיקריים אומתו, מספר אפשרויות תכנון אחרות לא פורטו או נפסלו במתכוון לצורכי השוואה בין טכנולוגיות מקובלות מועטות. לדוגמה:
האם ביצועי שלב הבורג שופרו על-ידי הוספת קנה-מידה ליניארי שני של מקודד במהלך התנועה שלו? אם כן, בכמה?
איזו השפעה יש לגודל היחסי של שלב כלשהו על יכולתו לבצע תנועות מאוד קטנות? האם שלב מוזן-בורג קטן ביותר יבצע הרבה יותר טוב מאשר גרסה גדולה יותר?
שלבי בורג-כדור נמדדו, אך מה בנוגע למגלשים (slides) מוזני בורג-מוביל?
כל תנועות הבדיקה שנמדדו נעשו על-ידי מנועי-סרוו ללא מברשות. האם שלבים מוזנים על-ידי מנועי-צעד היו מתנהלים אחרת?
מספר בחירות של מקודדים קיים עבור שלבי מנועים סיבוביים וליניאריים. טבעי להניח שפסיעה עדינה יותר, קנה-מידה מדויק יותר, יציעו יכולת גודל צעד טובה יותר, אך כמה גדול הוא שיפור זה?
כיצד טכנולוגיות של הזנות אחרות (כגון פיאזו-חשמליות) או מסבים (כגון אוויר) משתוות לאלה אשר צוינו לעיל?
אם כי הנתונים המוצגים לעיל הם בעלי-ערך, בדיקות נוספות הכוללות חלק או את כל הנקודות הנ”ל יאפשרו השוואה יותר שלמה ויסודית.

מסקנות
מבט מהיר על הנתונים הנ”ל מאפשר לערוך השוואה ריאליסטית בין כמה טכנולוגיות הזנה מאוד נפוצות ביחס ליכולות תנועת ההגדלה המזערית. אולם, מבט יותר מעמיק על הגרפים חושף כמה השוואות חשובות אחרות.
1. רזולוציית המערכת (מקודדים בעלי מספר קווים ואינטרפולציה גבוהים) אינה מאפשרת בהכרח גודל צעדים מאוד קטן. דוגמת הבורג-כדור לעיל מעידה שטכנולוגיות הזנה אחדות עשויות לדרוש עשרות או מאות של מניות לפני שניתן יהיה לבצע תנועה בהדירות.
2. יכולת הצעד המזערי היא תלויה בכיוון. אם כי דבר זה עשוי להיראות ברור עבור טכנולוגיות הזנה אחדות (כגון אלה המבוססות על בורג), אפילו דוגמת ההזנה הישירה הוכיחה תנועה אבודה מסוימת במהלך הפיכות הכיוון. כדי לבטל לחלוטין סוג זה של פריטים חייבים להשתמש במסבים ללא-מגע.
3. יש להתייחס ליישומים בזהירות ותוך הערכה של ההבדל בין רזולוציה וגודל הצעד. דרישות למיצוב גס לא ידרשו יכולת צעדים עדינה בעוד שאחרות כן ידרשו.
אם כי התוצאות המוצגות במחקר זה מפרטות סתירה מסוימת בין ביצועים של משפחות שלב שונות, היישומים יכתיבו לבסוף את בחירת השלב. בחירות נכונות של הזנה ומסבים רק יחזקו את הסיכויים להצלחה ביישומים הדורשים תנועות קצרות, הדירות ומדויקות.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת להט טכנולוגיות.