הפעלה מדויקת של אירועים חיצוניים באות מעורר בהתבסס על מיקום ציר

-BRIAN COX, AEROTECH

ליישומים של בקרת תנועה מדויקת יש צורך לא פעם בהפעלה של התקן חיצוני באות מעורר (trigger), בהתבסס על המיקום הממשי של הציר שבתנועה. עבור יישומים רבים, השיטות המסורתיות להפעלה באות מעורר מתפשרות על איכות החלקים ועל זמן המחזור. אות מעורר המבוסס על הציר שנמצא בבקר יכול לשפר באופן משמעותי את איכות החלקים, להקטין את זמן המחזור ולמנוע בעיות עיבוד נוספות.

אפשרות של אות מעורר ייחודי ומהיר המבוסס על מיקום, שנקרא בחברת Aerotech בשם PSO –– מוצא מסונכרון מיקום (Position Synchronized Output), מספק יתרונות ליישומים רבים. האות המעורר, המתאפשר באמצעות שילוב של חומרה תוכנה ואלגוריתמים חדשניים וקנייניים כולם, מאפשר התחלה, עצירה או הפעלה בפולסים של לייזר ליישומי חיתוך או ליישומי ריתוך. כלי מדידה ומכשירי בחינה אופטיים הפועלים לפי קואורדינטות יכולים להשתמש באפשרות PSO כדי לקרוא נתונים תוך כדי פעולה מגשושי (probe) המדידה או ממצלמות, ולקצר בכך את זמני המחזור באופן משמעותי. למעשה, כל יישום שלו נדרשות הרכשת נתונים מדויקת או פעולה של תהליך, המקושרות למיקום של ציר, יכול לזכות ביתרונות מהפונקציונליות של PSO.

שיטות מסורתיות של יצירת אותות מעוררים

השיטה הראשונה המשמשת כדי לקשור יציאה למיקום של מערכת מכנית, מתבססת על עצירת הצירים והמתנה עד אשר יתייצבו לערך סביר קבוע מראש, לפני ביצוע פעולת ההעברה של אות מעורר ליציאה. גישה זו מבזבזת זמן יקר, עובדה שבסביבות ייצור קובעת חיסרון בעל עלות גבוהה. בנוסף, מערכות המוכוונות בצורה לא טובה ומערכות שנתונות לתנודות חיצוניות או להפרעות חיצוניות אחרות, עלולות לא להתייצב לעולם לערך הסביר שנקבע. אם מעבירים אות מעורר ליציאה במהלך הזמן זה, איכות החלק או איכות המדידה לא יהיו אופטימליים. על מנת להתגבר על חוסר הוודאות של ערך ההתייצבות, ייתכן שמתכנן הכלי ייאלץ להגדיר אפיצות (טולראנס) הדוקה יותר, שהייתה נדרשת לו במקרה האחר, עובדה שיכולה אף היא להגדיל את עלויות המערכת.

איור עמוד 1:

אות מעורר מהיר, המתבסס על מיקום ציר – מספק זמן חביון (latency) מינימלי בין מיקום הציר לבין יציאת האות המעורר.

השיטה השנייה משתמשת בחומרה מיוחדת או בתוכנת מעקב מיוחדת, שתיהן חיצוניות לבקר התנועה, כדי לנטר את מיקום הצירים. חומרת מעקב חיצונית יכולה לפעמים לעקוב אחר ציר אחד בלבד, אך אינה אפשרות בת קיימא לצורך מעקב אחר צירים מרובים. כמו כן, לחומרת מעקב חיצונית, לעיתים אין יכולת לעמוד בקצבי מעקב גבוהים, והתוצאה היא עיבוד איטי יותר. באופן דומה, אפשר להשתמש בתוכנה כדי לעקוב אחר הצירים. שימוש כזה מוסיף מורכבות למערכת ומגביל את מהירות המעקב ויכול גם לגרום להשהיה באות המעורר, שמקורה במשך זמן הפעולה של התוכנה. פתרונות ליצירת אות מעורר בחומרה ובתוכנה, לעיתים קרובות מתוכננים על ידי המשתמש ודורשים זמן והוצאות כספיות משמעותיים, לעומת השימוש בפתרונות משולבים קיימים.

שיטה שלישית מעבירה אות מעורר ליציאה בהתבסס על זמן, ובכך נוצרות שלוש בעיות עיקריות: ראשית, המשתמש קשור לבסיס זמן שייתכן שיהיה קשה לשמור עליו מדויק ומסונכרן עם התנועה של הציר. יש לזכור שהפרמטר הקריטי הוא מיקום הציר ולא הזמן. שנית, שיטה זו אינה מאפשרת קיום של שגיאות בתנועה. לכן, ייצוב המהירות (שהוא קשה לכימות) הופך להיות חשוב, וכל שינוי במהירות עלול לגרום לשגיאות משמעותיות במיקום שבו מתרחשת העברת האות המעורר. חוסר הוודאות לגבי המהירות עלול לגרום לכך שמתכנן הכלי ידרוש ייצוב מהירות שאין אפשרות להגיע אליו. ושלישית, יש לבחור בקפדנות את הדיוק של בסיס הזמן ושל תדירויות הכניסה, כדי למנוע החטאה של מנייה. כל החטאה כזו עלולה להביא למהירויות מרביות נמוכות.

איור 2. אות מעורר במרחק קבוע שמפעיל פולסים במרווחי זמן קבועים – קל למימוש באמצעות PSO.

איור 3.  יצירת אות מעורר מבוסס מערך – תומך בהפעלת המוצא במרווחי מיקום אקראיים.

היתרונות שקיימים באות מעורר מבוסס מיקום

התכונה החשובה של PSO (מוצא מסונכרון מיקום) היא יכולתו להעביר אות מעורר ליציאה, בהתבסס על המיקום הממשי של הציר. יצירת אות מעורר לפי המיקום הממשי מבטלת את ההשפעות שיכולות אולי להיות להפרעות חיצוניות על התהליך. לדוגמה, ייצוב מהירות וערכי התייצבות הופכים להיות חסרי חשיבות מאחר שהתהליך לא מושפע מחוסר הוודאות שלהם. כמו כן, ההשהיה בין הרגע שבו הציר נמצא במיקום היעד שלו לביו רגע יצירת האות המעורר הממשי ביציאה קטנה מאוד, בסדר גודל של פחות ממיקרו שנייה. הפרש זמנים זה מאפשר שימוש במהירויות גדולות בהרבה מאשר בשיטות המעקב המסורתיות שלהן יש השהיות ממושכות יותר, מפני שבכך נמנעת אפשרות להחטאה או לחפיפה של אירועים.

ההשהיה הנמוכה של PSO משולבת ביכולת יצירת אותות מעוררים בפולסים מרובים וצמודים זה לזה. קצב האותות המעוררים יכול להגיע עד 10 מגה הרץ, ובכך הוא מאפשר מלבד עקיבה במהירות גבוהה, גם את היכולת לבקר באופן ישיר את פולסי המוצא של לייזר, או לבצע הרכשת נתונים במהירות גבוהה. שיטת PSO מאפשרת מעקב אחר עד שלושה צירים תוך כדי יצירת אות מעורר במוצא ובהתבסס על וקטור באורך של שלושה ממדים, שיטה אשר יכולה להיות שימושית ביותר בעת בחינה או ייצור של חלקים מורכבים. האפשרות של PSO מפחיתה עלויות ומקטינה את מורכבות המערכת, מאחר שאין היא מוסיפה חומרה חיצונית כלשהי למערכת התנועה. שיטת PSO משמשת ככלי רב תכליתי ביותר, והיא מציעה כמה אפשרויות של עקיבה והפעלה בד בבד עם תכנות קל.

איור 4. יצירת חלונות עם יצירת אותות מעוררים במרווחים קבועים – מגבילה את יצירת האותות המעוררים לתחומים מסוימים של המהלך למען בקרת תהליך משופרת.

שיטת PSO מאפשרת לעקוב אחר עד שלושה צירים, תוך כדי העברת אות מעורר למוצא ובהתבסס על וקטור באורך תלת ממדי – עובדה שיכולה להיות שימושית מאוד בעת ביצוע בחינה או ייצור של חלקים מורכבים.

דוגמאות ליישום

לשיטת PSO יש כמה אפשרויות שונות ליצירת אותות מעוררים, לרבות אפשרויות כלליות ואפשרויות ייחודיות ליישום, אשר הופכות אותה לכלי שימושי עבור מגוון של יישומים. האפשרות הנפוצה ביותר היא יצירת אות מעורר במרחקים קבועים. שיטה זו מאפשרת למשתמש ליצור אות מעורר של פולס יחיד או של פולסים מרובים, במרווחי זמן קבועים ומוגדרים מראש, לאורך המהלך. שיטת “המרחקים הקבועים” משמשת בדרך כלל ליצירת פולסים עבור לייזר או כדי ליצור אות מעורר לאיסוף נתונים. יצירת אותות מעוררים מבוססת מערך מאפשרת למשתמש להגדיר נקודות ליצירת אותות מעוררים שאינן מרווחות באופן שווה לאורך המהלך. אפשר להשתמש בהפעלה מבוססת מערך כדי להעביר אותות מעוררים ללייזר במיקומים מדויקים לביצוע פעולות מסוג מפת סיביות, או כאשר פועלים עם גיאומטריות לא רגילות של חלקים. שיטה נוספת נפוצה למדי ליצירת אותות מעוררים נודעת בשם “יצירת חלונות” (Windowing) והיא מאפשרת להפעיל כניסה כאשר הציר נמצא במדויק בתוך חלון מיקום מוגדר. שיטה PSO מספקת עד שני חלונות שבהם אפשר להשתמש כדי להגדיר שני תחומי עניין בציר אחד או עבור יצירת חלון דו ממדי. אפשר לחבר את הפונקציונליות של יצירת החלון עם יצירת אותות מעוררים במרווחי מיקום קבועים, כדי ליצור מסכה של האותות המעוררים לאזורים מסוימים של המהלך. שימוש כזה מתאים במיוחד כאשר מעבדים חלק שבו נדרש שהצירים ינועו מעבר לחלק, לצורך התייצבות או היפוך כיוון, בעת סריקה של אזורים גדולים. שיטת PSO יכולה גם ליצור אותות מעוררים באופן אסינכרוני, עובדה המאפשרת לה לפעול כמחולל פונקציות לצורך יציאה של תדירות אקראית עם מחזור פעולה (duty cycle) הניתן לתכנות.

מאחר שלפונקציות PSO נדרשת חומרה בעלת מהירות גבוהה מובנית, מספקת התוספת של החומרה לבקר כמה תכונות נוספות, בהן נכללות יכולת לכידת נתונים במהירות גבוהה ויכולת עדכון נתונים במהירות גבוהה. לכידת נתונים במהירות גבוהה מאפשרת למשתמש ללכוד מיקומים של הציר בהתבסס על קלט מהיר עם השהיה של 100 ננו שניה. אפשר להעלות את ערכי מיקום אלו מתוך הבקר ולשמור אותם לצורך ניתוח נוסף. עדכון הנתונים מאפשר למשתמש לקבוע את היציאות הספרתיות או האנלוגיות במצב מסוים או בערך מסוים, כאשר נוצר אות מעורר בכניסה המהירה או ביציאת PSO. לכידת הנתונים ועדכונם שימושיים ליישומים אשר להם יש צורך בבקר תנועה, כדי ליצור ממשק עם חומרה מורכבת נוספת להשלמת התהליך.

כאשר מוסיפים לבקר את היכולת של PSO, המשתמש יכול לקבל אפשרויות רבות ליצירת מימשק עם כמה התקנים חיצוניים ולהשלמת תהליכים מורכבים. אפשרויות ההפעלה המהירות מספקות דיוק ומהירות ללא תחרות, בהשוואה לפתרונות מסורתיים, בשעה שתכונות כגון לכידת נתונים ועדכון נתונים מספקות אפשרות לאיסוף נתונים מהיר ולעדכוני מצב לצורך אינטגרציה מהירה וקלה, עם חומרה חיצונית וללא הגדלת עלויות המערכת.