тел: (495) 600-40-84

Производительность при сканировании для платформ на воздушных подшипниках

Введение


Довольно частым применением воздушных подшипников является сканирование. Сканирование обычно используется для перемещения детали или оптики с постоянной скоростью, в то время как выполняется операция чтения или записи. Такими операциями могут быть печать, настройка изображения и визуализация. В то время как процесс записи или захвата изображения могут иметь отличия в зависимости от приложения и отрасли, все подобные задачи имеют общее требование – поддержание постоянства скорости. В большинстве приложений операция захвата или создания изображения выполняется с постоянной частотой (к примеру, частота кадров в секунду, относящаяся к параметру камеры). По мере того, как оптика и изделие движутся друг относительно друга, пространственное разделение между каждым кадром должно быть постоянным, чтобы не искажать изображение. Это означает, что скорость позиционера должна оставаться постоянной. 

Fig.1.JPG

Рис.1 Типичная принципиальная схема, где необходим режим сканирования

Fig.2.JPG

Рис.2 Строчное сканирование

В данной статье будут рассмотрены следующие вопросы:

Как определяется и измеряется производительность при сканировании?

Какой уровень производительности может быть достигнут?

Что может повлиять на производительность?

Почему применение воздушных подшипников позволяет достичь высоких показателей производительности?


Как определить производительность при сканировани?

Два наиболее распространённых метода определения производительности сканирования основаны на измерении скорости либо координаты.

В спецификации для скорости обычно указывается её типичная величина и соответствующее отклонение в процентах. К примеру, скорость сканирования 200 мм/сек, погрешность 0.01%.

При альтернативном подходе указывается величина ошибки положения для каждого момента времени (т.н. ошибка слежения). Это означает, что в течение полного диапазона сканирования отклонение текущей траектории платформы от рассчитанной не может быть больше чем некоторое заданное окно ошибки. К примеру: дистанция сканирования – 200 мм, скорость сканирования – 200 мм/сек, ошибка слежения не более 0.1 мкм.

Ошибка слежения является общим термином в области сервосистем и показывает величину рассогласования между актуальной и рассчитанной траекториями движения позиционера. В этой статье термин «ошибка слежения» используется для случая сканирования с постоянной скоростью. Не принимаются во внимание ошибки, возникающие при контурном движении, где изменяется траектория и величины ускорения задаются контроллером.

Наиболее точным методом является измерение ошибки слежения, так как её величину можно напрямую измерить, используя методы интерферометрии.


Почему применение воздушных подшипников позволяет достичь высоких показателей производительности?

Главным преимуществом воздушных подшипников в сравнении с механическими аналогами является отсутствие трения между движущимися компонентами подшипника. Таким образом, при использовании воздушных подшипников нет необходимости в преодолении статического трения, чтобы начать перемещение, а также динамического трения для сохранения скорости движения. Однако существует небольшая сила, которая препятствует движению. Она связана с аэродинамическим сопротивлением воздуха.

Механические подшипники обладают двумя главными недостатками, которые ограничивают их применимость для задач сканирования: трение и шум. Все механические подшипники обладают свойством статического и динамического трения, которое преодолевается с помощью двигателя и системы управления. Уровень трения зависит от температуры, смазки, преднагрузки, скорости, нагрузки и износа. В связи с многочисленными параметрами, которые влияют на трение, его уровень с течением времени становится непредсказуемым и нелинейным. Кроме того, для различных подшипников уровень трения разный. Механические подшипники, особенно с ответными элементами, имеют свойство производить шум. Источником шума являются движущиеся элементы (шарики или ролики). Уровень шума изменяется в зависимости от скорости движения, а слышимый шум влияет на профиль движения. Таким образом, трение и шум не позволяют сервосистемам поддерживать высокий уровень производительности для задач сканирования.


Система привода – двигатели, работающие без трения

Любая платформа производства PI, в которой используются воздушные подшипники, приводится в движение с помощью линейного двигателя с прямым приводом. Линейные двигатели не имеют контактирующих друг с другом движущихся компонентов и, следовательно, работают без трения и шума. Традиционные компоненты в приводе, такие как винтовая и червячная передача, шестерни и ременная передача, имеют все те же недостатки, что и у механических подшипников. Таким образом, используя воздушные подшипники наряду с бесконтактными линейными двигателями, платформы серии PIGlide производства Physik Instrumente обеспечивают отсутствие трения в системе привода и, следовательно, высокую производительность для задач сканирования.


Другие факторы, влияющие на производительность при сканировании

Не все системы на воздушных подшипниках изготавливаются одинаково. Помимо конструкции подшипников и типа двигателя, существуют другие факторы, включая внешние, оказывающие значительное влияние на производительность системы. К таким факторам можно отнести:

Нагрузку на позиционер

Жёсткость системы

Тип энкодера, его разрешение и тип сигнала

Особенности системы обратной связи

Конструкция кабельной трассы

Тип изоляции от электрических шумов и конструкция кабеля

Виброизоляция и соответствующая система управления


Уровень производительности при сканировании

Уровень производительности, достигаемый при сканировании, варьируется от системы к системе. Однако, для определённости ниже будут представлена информация, полученная при тестировании платформ серии PIGlide.

Тестирование платформы серии A-110

Платформа A-110 представляет собой линейный позиционер на воздушных подшипниках с инкрементным оптическим энкодером с выходным sin/cos сигналом. Данный энкодер был выбран в связи с хорошим соотношением уровней сигнала и шума. Для управления платформой использовался контроллер серии ACS SpiiPlus. Уровень ошибки слежения составил ±20 нм при скорости сканирования 2 мм/сек. При небольшом диапазоне перемещения порядка 20 мкм величина ошибки слежения уменьшается до уровня менее ±10 нм.

Fig.3.JPG

  Рис.3 Внешний вид линейной платформы A-110 серии PIGlide.


Fig.4.JPG

Рис.4 Данные об ошибке слежения для линейной платформы A-110 серии PIGlide

Платформа A-322 серии PIGlide

Позиционер A-322 является двухкоординатной XY платформой с абсолютным оптическим энкодером с BiSS интерфейсом. Для управления платформой использовался контроллер серии ACS SpiiPlus. Уровень ошибки слежения составил ±25 нм для скорости сканирования 20 мм/сек и менее ±100 нм для скорости порядка 250 мм/сек.

Fig.5.JPG

Рис.5 Внешний вид XY платформы A-322 серии PIGlide


Fig.6.JPG

Рис.6 Данные об ошибке слежения для платформы A-322 серии PIGlide (ось X)

Из графиков видно, что величина ошибки слежения возрастает при увеличении скорости сканирования, однако коэффициент увеличения скорости не соответствует коэффициенту увеличения ошибки. Исходя из зависимостей, при увеличении скорости сканирования в 12.5 раз ошибка слежения возрастает только в 4 раза.

Вышеприведённые уровни производительности при сканировании не могут быть обеспечены путём применения позиционеров на механических подшипниках.