Scott Schmidt & Brian Cox, Aerotech
מספר גדול של דרישות לבדיקות ומדידות מסתמך על איסוף נתונים הכרוך בתכונה או מיקום של חלק מסוים. החל מגילוי ותיקון כשלים עד למיפוי השטח ועריכת פרופילים, תחום היישומים הדורשים קשר הדוק בין מוצא החיישן והמיקום במרחב בעל שניים או שלושה ממדים הוא נרחב וגדל עם התקדמות טכנולוגיית החיישנים. רק על-ידי תשאול (polling) מוצא החיישן במצב הנכון במדויק ניתן לאסוף בצורה מהימנה את הנתונים ולקשור אותם למידע המרחבי הקובע.
אם כי קיימות מספר שיטות מסורתיות המנסות לקשור את מצב החלק למוצא החיישן, לאסטרטגיות אלה קיימים לעתים קרובות מכשולים המפרים את הסנכרון הדרוש או משתקים את איסוף הנתונים המדויק. בכל המקרים, מניחים תנועה אוטומטית המניעה או את החלק הנבדק או את החיישן בעצמו.
שיטה אחת המשמשת לקישור מוצא החיישן למצב של מערכת מכנית כוללת עצירה של התנועה האוטומטית, המתנה לקביעתה ברמה סבירה, ולאחר מכן תשאול החיישן. גישה זו מבזבזת זמן יקר, וזהו חיסרון יקר-ערך בתעשיית הייצור. כמו כן, מערכות בהן לולאות משוב הסרבו מכוונות גרוע, כמו גם אלה החשופות לרעידות חיצוניות או הפרעות אחרות, עשויות לא להתייצב לעולם על ערך סביר. אם המוצא מתוחל במהלך אי-יציבות מכנית זו, איכות המדידה והסנכרון למצב החלק לא יהיו מרביים. כדי להתגבר על אי-הוודאות ואי-היציבות של הערך הנקבע, מתכנן המכונה עשוי להיות חייב לקבוע אפיצות חמורה יותר מאשר היה דרוש אחרת, ובכך להעלות את עלות המערכת.
שיטה שנייה משתמשת בחומרה או תוכנה מיוחדת לעקיבה, חיצונית לבקר התנועה של אוטומציית המערכת, כדי לנטר את מצב הצירים. חומרת עקיבה חיצונית מסוגלת לעתים קרובות לעקוב רק בציר אחד ואיננה מהווה לכן אופציה מקובלת עבור עקיבה מרובת-צירים. כמו כן, חומרת עקיבה חיצונית לא יכולה לעתים קרובות לעמוד בקצבי עקיבה גבוהים, וגורמת בכך לתהליך איטי יותר. תוכנה ייחודית יכולה לשמש לעקיבת הצירים, אך הדבר מוסיף מורכבות למערכת, מגביל את מהירות העקיבה ועשוי גם לעכב את התיחול בשל זמן הביצוע של התוכנה. פתרונות תיחול חומרה ותוכנה מתוכננים לעתים קרובות במיוחד על-ידי המשתמש, ודורשים זמן תכנון והוצאות משמעותיים תוך פגיעה במאמצי שילוב המערכת הכוללת.
שיטה שלישית מתחלת את החיישן על בסיס הזמן, ומציגה לפחות שלוש בעיות עיקריות. ראשית, המשתמש קשור לבסיס זמן אשר עשוי להיות קשה לשמור, והוא אסינכרוני טיפוסית לתנועת החלק/החיישן המעשית (זכור שהפרמטר הקריטי הוא מצב החלק, לא הזמן). שנית, שיטה זו איננה מרשה כל שגיאה בתנועה. לדוגמה, ויסות המהירות (אותו קשה לכמת) הופך לחשוב, וכל שינוי במהירות יכול לגרום לשגיאות משמעותיות בקביעת המקום בו מופיע התיחול. שלישית, יש לבחור בקפידה את דיוק בסיס הזמן ואת תדרי המבואות כדי למנוע כל מניות של המכונה בגין דילוג של לולאת משוב התנועה, דבר הגורם למהירויות מרביות נמוכות יותר.
ברור שדרוש אמצעי מסונכרן היטב, משולב ומבוסס על המצב האמיתי של חיישן התשאול כדי למלא את צורכי יישומי הבדיקה והמדידה המדויקת.
מוצא מסונכרן מצב
פיתרון יחיד לבעיה זו טמון בתחום מערכות העיבוד בלייזר. מאחר שעצירה מהירה של פולסי לייזר דרושה עבור יישומי הריתוך והסימון המדויקים בתוך שוק הלייזר, קישור הדוק של מערכת בקרת התנועה אל מוצא הלייזר הוא חיוני. מוצא מסונכרן-מצב (Position Synchronized Output – PSO) משתמש במעגלים חדשניים כדי לספק ללייזר את מידע המיצוב האמיתי, המבוסס על מקודד בזמן-אמת. משום שהאותות מועברים באיחור (latency) של ננו-שניות בלבד, ניתן לכבות ולהפעיל את הלייזר במקומות הנכונים במדויק כדי להשיג ריתוכים, חיתוכים או סימונים מדויקים במצע המטרה. האיחור הנמוך מושג מאחר שמידע המצב מועבר באמצעות מעגלים מיוחדים, ולא דרך אלגוריתם מבוקר-תוכנה. מאחר שאת ה-PSO ניתן לעצב עבור עד שלושה צירי תנועה, פולס המוצא המתחל יכול להיות מותאם למצב הווקטור במרחב התלת-ממדי, ולא קשור בפשטות אל ציר תנועה יחיד. יתרה מזו, אותות המקודד עליהם מבוסס התיחול מתוקנים בעזרת לוחות כיול (המופקים בנקודת העבודה האמיתית של המערכת ומופעלות בזמן-אמת), ובכך מוגבר דיוק המערכת.
PSO כפיתרון
לבדיקה ומדידה
לידיעה על המצב המדויק ברגע תיחול החיישן יש השלכות עצומות במספר יישומי בדיקה ובקרה. כפי שצוין מקודם, מידע מדויק על המצב הקשור לרגע איסוף הנתונים של החיישן מחזק כמעט את כל נוהלי הבקרה ומאפשר תכונות לאחר העיבוד כגון:
•היכולת לשחזר מיקום של כשל במטרה לבצע תיקונים.
•מיפוי קו-מתאר או תכונה לאחר המדידה מבוסס על מוצאי החיישן במשך מכלול מצבים או אזורים סרוקים.
•CMM או דיגום של משטח סרוק.
•איסוף של מידע הכרוך למערכת התנועה כגון מצבי ה-O/I, מהירות המערכת ומידע דינמי על שגיאות ברגע של הפעלת ה-PSO.
הפונקציונליות של ה-PSO מאפשרת את כל היכולות האלו כמו גם רבות אחרות, וניתנת למימוש תוך שימוש בסכמות תכנון גמישות אחדות.
האמצעי המקובל ביותר של מימוש PSO ביישום בדיקה הוא תיחול פולס המוצא במרחק קבוע (ראה איור 1). שיטה זו מאפשרת למשתמש לתחל פולס יחיד, או פולסים מרובים, במרווחים קבועים שנקבעו מראש במהלך הדרך. שיטת המרחק הקבוע משמשת לרוב כדי להפעיל את חיישן המערכת להתחיל לאסוף נתונים.
תיחול מבוסס-מערך מאפשר למשתמש לקבוע נקודות תיחול במרווחים לא-שווים לאורך המהלך. ניתן להשתמש בסגנון זה של הפעלת PSO כדי לתחל חיישני הדמיה במצבים מדויקים לצורך פעולות מיפוי או שרטוט קווי מתאר, או אולי תוך שימוש תוך עבודה עם גיאומטריות של חלקים בלתי-סדירים.
שיטת תיחול מקובלת נוספת הידועה כחילון (“windowing”) מאפשרת לכוון את המבוא כאשר הציר נמצא בדיוק בתוך חלון של מצב מסוים. PSO מספקת עד שני חלונות שניתן לנצל כדי לקבוע שני אזורי עניין נפרדים בציר אחד או עבור חילון דו-ממדי. פונקציונליות זו ניתנת לצימוד עם תיחול במרחק קבוע כדי לרכז את התיחול לאזורים מסוימים. דבר זה שימושי במיוחד כאשר דרושים היפוכי כיוון במהלך סריקות של אזורים נרחבים.
יתרה מזו, PSO יכול לתחל אסינכרונית, דבר המאפשר פעולה כמחולל פונקציה כדי להעביר תדר שרירותי בעל מחזור עבודה מיתכנת אל התקני צד שלישי.
דוגמאות יישום
הכוללות PSO
דוגמת יישום המבליטה את יכולות ה-PSO היא יצירת פרופילים או קווי מתאר על משטחים של עצמים שטוחים אופטית או בעלי צורות אחרות. אם כי טכנולוגיית החיישנים (עיוות כרומטי, אור לבן, כמו גם טכניקות ללא-מגע רבות נוספות) בשלו במהלך השנים האחרונות, קשירת מוצאים בעלי הדיוק הרב מחיישנים אלה למצבים אופטיים שטוחים אחרים היא חיונית אם מבקשים שלנתונים המתקבלים יהיה פירוש תפעולי כלשהו.
איור 4 מציג דוגמה אחת של פלטפורמת בקרת תנועה המיועדת לשמש עבור פרופילומטריית משטח ללא-מגע. המכניקה של המערכת המוצגת מראה תנועה באוויר הטובה ביותר מסוגה (כדי להקטין שגיאות שטחיות בגין התנועה) וציר אנכי של מנוע ליניארי (בעל איזון נגדי של אויר) המספק מיקוד אוטומטי של חיישן המבוסס-אור המשמש לאיסוף הנתונים.
תיחול PSO במהלך סריקות רציפות של המשטח האופטי המעגלי מאפשר איסוף של מספר תמונות חיישן במצבים מדויקים וידועים היטב (יותר חשוב) לאורך ולרוחב החלק. מאחר שנתוני המצב מהימנים וקשורים היטב לתזמון מוצא החיישן, מפת מתאר של נתוני התמונה המתקבלת ניתנת לשחזור קל על-ידי “תפירה” של נקודות נתונים יחד. מפה לדוגמה מוצגת באיור 5. יישום מיוחד זה מבליט גם את השימוש בחילון. נמדדו רק נקודות נתונים מעל האזור המעניין (במקרה זה ה-300 ממ’ על 300 ממ’ המרכזיים של המישור האופטי). נקודות נתונים חורגים לא נקלטו, וחציצת נתונים כללית ודרישות זיכרון מערכת צומצמו כתוצאה מעומס נתונים מוקטן זה. יתר על כן, האופי הרב-צירי של ה-PSO מאפשר ביצוע מיפוי דו-ממדי, כאשר הממד השלישי בגרף מסופק על-ידי מוצא החיישן. העובדה שמצב הווקטור קשור לרגע תיחול החיישן מבטיחה נאמנות במצב במקום לאלץ את המשתמש להסיק יציבות מצבים מחוץ-לצירים במקרה של יישומי צעד וסריקה.
שים לב שאם לא היינו משתמשים ב-PSO, או שתהליך הסריקה היה מואט עד כדי תהליך נקודה-לנקודה בעל זמני קביעה בין כל איסוף נתונים, או שהמערכת הייתה חייבת להתאים שגיאות מהירות ממערכת ההנעה ולסמוך פשוט על התזמון (הבלתי מבוקר עתה) של מערכת האוטומציה.
שימוש מעניין שני של ה-PSO לבדיקה הוא גילוי הכשלים. העיבוד המאוחר של מוצא החיישן יכול ללקט במהירות נקודות ללא-התאמה. מאחר שה-PSO קושר מוצא החיישן למצבים יחידים בחלק הנבדק, ניתן להורות במהירות ובקלות למערכת ההנעה לחזור אל המצב החריג לשם תיקון או בדיקה מחדש.
ברור, ללא היכולות של ה-PSO, מערכות כגון זו היו סומכות על מעגלי מיפוי חיצוני מורכבים ויקרים או על תוכנה כדי לחזור למקומות בעלי כשלים.
סיכום
עם הוספת PSO לבקר אוטומטי, המשתמש הסופי משיג גמישות גדולה בקשר עם מספר התקנים חיצוניים ותהליכי מדידה קשים. האופציות של תיחול מהיר מספקות דיוק ומהירות ללא תחרות על-ידי פתרונות ביתיים או מסורתיים אחרים, בעוד תכונות לכידת/עדכון הנתונים מספקות איסוף נתונים ועדכוני מצב מהירים לשם שילוב מהיר וקל עם חומרה חיצונית מבלי להגדיל את עלות המערכת.
*הכתבה נמסרה באדיבות להט טכנולוגיות.
