Тенденция к миниатюризации, активно распространившаяся в последнее время на медицинскую промышленность, стала причиной повышенного спроса у разработчиков и производителей различного специализированного оборудования на малогабаритные системы высокой точности, способные совершать перемещения длиной всего лишь несколько нанометров.
Однако соблюдение такой точности, особенно при больших скоростях перемещения, требует наличия системы управления, способной осуществлять контроль за работой оборудования и, в частности, обрабатывать сигналы энкодеров высокого разрешения.
Например, в четырехосевом фрезерном станке американской компании U. S. Photonics, использующем для миниатюрной обработки деталей фемтосекундную лазерную установку FemtoStation, применен контроллер UMAC разработки Delta Tau. Данный контроллер позволяет осуществлять работу с несколькими, быстро сменяемыми платами — в зависимости от назначения станка и текущей задачи.
Следует отметить, что малогабаритные станки с лазерными установками уже традиционно используются для нанесения на платы и различные детали трехмерных объектов размером порядка 250 нм, с повторяемостью в десятые доли нанометра на метр и дискретностью 38 пс. Однако, в отличие, к примеру, от концевой фрезы, лазерный луч не является таким уж и ровным прямым объектом. Форма луча лазера чем-то напоминает конус песочных часов, а в наиболее узком месте находится его рабочая точка-фокус.
Контроллер UMAC, используя информацию от датчика обратной связи (энкодера), способен с филигранной точностью осуществлять позиционирование пучка лазера в ходе обработки детали. Особо следует отметить, что Femtostation позволяет использовать различные режимы работы, что дает возможность изменять, в зависимости от характера решаемой задачи, диаметр лазерного пучка — его рабочая часть может быть очень малой, порядка 200 нм. Причем контроллер UMAC поддерживает высокую скорость обсчета сервоконтура, а также позволяет поддерживать максимальные для данной задачи ускорение и скорость обработки, коэффициенты усиления и упреждающего воздействия (feedforward) контуров управления двигателем. Естественно, что чем выше скорость обсчета контуров управления — тем лучше, поскольку при высокой частоте имеется возможность быстрее выявить возникающие отклонения от заданных величин и компенсировать их. Кроме того, коэффициенты усиления контуров управления могут принимать более высокие значения, что в свою очередь обеспечивает более высокую величину динамической жесткости характеристики привода, без потери стабильности управления и отсутствия самовозбуждения.
«В контроллере UMAC реализована одна из лучших структур ПИД контуров управления двигателем и функции прямой обработки G-кодов без преобразования во внутренний формат команд, — отмечает Джейк Коннер, президент компании U. S. Photonics. — Способность обрабатывать информацию от датчиков обратной связи с очень высоким разрешением позволяет добиваться дискретности по положению в пределах нанометрового диапазона. А это чрезвычайно важно в нашем случае. К тому же, благодаря открытой архитектуре контроллера UMAC, мы можем без проблем изменять настройку ПИД-регуляторов контуров, а также изменять значения допустимых величин для ускорения и скорости. Показатели качества управления по разгону и торможению — просто великолепны: мы реально можем перемещать весьма большие массы и позиционировать их с ошибкой по положению в пределах нескольких нанометров».
Величина рабочего поля установки Femtostation гораздо меньше, чем в традиционном фрезерном станке, но зато максимальная величина контурной подачи достигает 800 мм/мин. А при таких скоростях для точного позиционирования способность обрабатывать данные, поступающие с энкодера высокого разрешения, становится едва ли не определяющей.
Интересно, что тогда как контроллер UMAC может работать с датчиками угловых и линейных перемещений, устройство следующего поколения, разрабатываемое специалистами Delta Tau, будет способно взаимодействовать с интерферометрическими энкодерами. Это позволит еще больше увеличить скорость обновления сервоконтура.
При использовании контроллера UMAC, пульт управления СЧПУ Advantage 900 CNC обеспечивает возможность управления 32 осями. Причем для более быстрого и удобного сопряжения имеется набор setup-утилит CNC Autopilot, при помощи которого возможно создание конфигурационных файлов под каждую конкретную машину.
Как отмечает глава U. S. Photonics Джейк Коннер, программное обеспечение NC Pro, также разработанное специалистами Delta Tau, предоставляет пользователю возможность самому выбрать уровень мощности и тип оптики — так просто, как это имеет место быть в случае с заменой резца в обычном фрезерном станке. В то же время, постоянное фиксирование любых коррекций и составление справочных таблиц позволяет соотносить изменения оптики и уровня мощности с изменением диаметра лазерного пятна — рабочей области лазерного луча. Дополнительно имеется возможность изменения диаметра лазерного пятна и за счет типовой коррекции на режущий инструмент (в данном случае — лазер). Скажем, если диаметр лазерного пятна составляет 200 нм, то при помощи программного обеспечения NC Pro его можно уменьшить до 100 нм.
Особенно привлекательным применение данного оборудования выглядит в сфере производства чипов по так называемой технологии «лаборатория на чипе» (lab-on-a-chip или LOC), по которой создаются небольшие чипы размерами от нескольких квадратных миллиметров до нескольких квадратных сантиметров, способные выполнять целый комплекс исследований. Например, один такой чип может, используя сразу несколько своих сенсоров и детекторов, быстро определять уровень сахара в крови или выявлять предрасположенность к гестационному сахарному диабету.
«В рамках проекта по выпуску наших «лабораторий на чипе» мы занимаемся тем, что делаем пазы в кварцевом стекле, а для этого необходима высокая точность. Поэтому, учитывая что необходимо делать каналы шириной всего лишь десятые доли микрона, нам просто необходимо оборудование, позволяющее управлять лазером по четырем осям, со скоростью 800 мм/мин и субмикронной дискретностью»» — подчеркивает Джейк Коннер.
Типовой лазерный станок с микросекундным или наносекундным лазером воздействует на обрабатываемый материал (плату) большим количеством тепловой энергии, что приводит к появлению в материале шлака, микротрещин и различных неровностей. И для того, чтобы очистить поверхность платы и сгладить все неровности, необходимо проводить дополнительную ее обработку. Но при наличии возможности изменять уровень мощности и тип оптики появляется гарантия того, что подповерхностный слой уже не будет поврежден и не возникнет избыточного тепла лазера, которое может повредить отдельные области платы или нарушить структуру кристалла.
«Причем в этом случае не требуется специализированного программного обеспечения для автоматизированного создания управляющих программ, — подчеркивает президент компании U. S. Photonics. — Контроллер UMAC обладает мощным процессором, который весьма быстро обрабатывает данные от энкодера и к тому же воспринимает G-код. А вот без последней возможности мы были бы вынуждены разработать специализированную программу для послеоперационного перевода G-кода в язык машинных кодов. Но в этом случае неизбежно возрастут временные и финансовые расходы на подготовку такого программного обеспечения, а также потребуется дополнительное время для отработки самой программы. Все это способно привести к замедлению рабочего процесса в целом».
Регулировка (настройка) параметров сервосистемы — весьма простой процесс, поскольку компания Delta Tau предоставляет заказчику набор соответствующего программного обеспечения. Это позволяет настраивать необходимые параметры точно для каждого конкретного приложения. Например, в такой системе функция feedforward будет «поставлена» на максимальное значение.
Функция feedforward («упреждающее воздействие») дает возможность предсказывать возможную ошибку траектории и заранее вносить соответствующие корректировки непосредственно в управляющие сигналы контроллера, избегая, таким образом, её появления. Применение функции feedforward позволяет снизить ошибку, но не гарантирует стопроцентное обеспечение точности, поэтому компенсировать возможные отклонения и ошибки можно за счпет использования управления по обратной связи.
Возможны различные, зачастую весьма сложные, способы реализации функции feedforward, но в большинстве приложений достаточно вводить упреждающие воздействия по скорости и ускорению. Для станков же с лазерной резкой использование функции feedforward в контуре положения является очень полезным.
«Сегодня мы используем наши станки только в своей компании, но в самое ближайшее время планируем внедрить рассмотренную технологию в промышленном масштабе, — заявляет Джейк Коннер. — Контроллер UMAC производства Delta Tau поддерживает все имеющиеся на рынке энкодеры и лазерные интерферометры — с любым разрешением. Он обеспечивает возможность сверхточного перемещения и позиционирования а также позволяет поддерживать высокую скорость перемещения».
Текст — Келси Хиггинботэм,
перевод и обработка — Владимир Щербаков, Евгений Лученинов.
