اصطلاحات و استانداردهای پایه در حرکت شناسی جابجاگرهای اپیتیکی و آزمایشگاهی
چشم‌انداز کلی
نقشِ یک جابجاگر (stage) چرخشی یا خطی اپتیکی، حرکت ایده آل در یک مسیر مشخص شده است. گاهی عواملی نظیر اصطکاک میان قطعات متحرک یک سیستم جابجاگر، کیفیتِ گاید ها یا خمش ناشی از بارهای متحرک، باعث می‌شوند تا حرکت از مسیر ایده‌آل خود خارج شود.
سیستم‌های حرکتی با عملکرد بالا معمولا ساختار پیچیده‌ای دارند. بنابراین نگاه کردن به این سیستم‌ها مانند یک مسئله پیش‌پاافتاده چه از بعد طراحی جابجاگر های اپتیکی و چه از بعد عملی، نتایج نامطلوبی را میتواند به دنبال داشته باشد. متاسفانه، بسیاری از افراد نسبت به اصطلاحاتی که توسط سازندگان و کاربران برای شناسایی سیستم‌های حرکتی و جابجاگرها استفاده می‌شوند، برداشت معنایی متفاوتی دارند. ما برای کاهش سردرگمی و سوتفاهم در این زمینه تلاش کردیم تا از اصطلاحات و عباراتی استفاده کنیم که در استانداردهای شناخته‌شده جهانی نظیر ایزو 230-2 "استانداردی برای ابزارهای ماشینی- بخش دوم: معین‌کردن دقت و تکرارپذیری برای محورهای تحت کنترل عددی" و استاندارد ASME B5.54 "روش‌هایی برای ارزیابی عملکرد در مراکز ماشین‌کاری کنترل‌شده محاسباتی" استفاده کنیم.
اگر اصطلاح‌شناسی در استانداردهای موردنظر بر سر موضوعی توافق نداشته باشند، ما از عباراتی استفاده می‌کنیم که در حوزه جابجاگرها متداول‌تر هستند. از استانداردهای مرجع به عنوان راهنمایی برای تکمیل توضیحات استفاده شده است.
تعاریف اصطلاحات رایج و پارامترهای مرسوم جابجاگرهای اپتیکی و آزمایشگاهی
Abbe Offset: مقدار لحظه‌ای فاصله عمود میان خطی که جابجایی در آنجا اندازه گیری شده است و خطی که جابجایی باید آنجا اندازه گرفته شود.
Abbe Offset Error : خطای اندازه‌گیری که ناشی از حرکت زاویه‌ای یک جزء متحرک و Abbe Offset ایجاد میشود.
Cross-coupling (جفت‌شدن متقاطع): در سیستم‌های چندمحوره، کراس کوپلینگ به تغییر در یک محور، زمانی که این تغییر ناشی از اعمال ورودی به محور دیگر باشد گفته میشود.
Functional Point نقطه عملیاتی: نقطه‌ای درون چارچوب مختصاتِ سیستم مستقر که در آن یک اندازه‌گیری و یا فرآیند اندازه گیری روی می‌دهد.
Target Position موقعیت هدف: موقعیتی که برنامه‌ریزی شده تا نقطه عملیاتی به آن منتقل شود.
Actual Position: موقعیت واقعی: موقعیتی که پس از دستیابی به نقطه عملیاتی ، اندازه‌گیری شده است.
Position Deviation انحراف از موقعیت: انحراف از موقعیت برابر است با موقعیت واقعی که پس از رسیدن نقطه عملکردی به آن اندازه‌گیری شده است منهای موقعیت هدف.
Motion Control Coordinate System سیستم مختصات کنترل حرکت: در فضای آزاد، یک جسم دارای 6 درجه آزادی باشد، 3 درجه آزادی خطی در طول محورهای x، y و z و سه درجه آزادی چرخشی پیرامون هر یک از محورهای نام برده شده (ن.ک شکل-1). تمامی حرکاتی که در اینجا توصیف می‌شوند از قاعده سیستم مختصات دست‌راستی پیروی می‌کنند. محصول متقاطع دو محور +X و +Y (انگشت اشاره و انگشت میانی)، محور +Z (انگشت شست) خواهد بود. همچنین اگر انگشت شست دست راست به جهتِ مثبتِ یکی از محورها اشاره کند، انگشتان دیگر دست راست حول محور یادشده در جهت مثبت چرخش می‌کنند. تمامی حرکات، از جابجایی در طول محور و یا گردش به دور یکی از محورهای مختصات ناشی می‌شوند. به طور کلی، محورهای X و Y در صفحه افقی هستند و جهتِ حرکتِ جابجاگر اولیه یا پائینی همراستا با محور X است و محور Z نیز عمودی است. برای سیستم‌های جنبشی موازی، از زوایای کاردان استفاده می‌کنند.
شکل 1- سیستم مختصات دست راست که 6 درجه آزادی را نشان می‌دهد.
Resolution: رزولوشن: منظور از رزولوشن، رزولوشن یک نمایشگر و یا encoder است. رزولوشن، کوچکترین مقدار افزایشی است که سیستم حرکتی میتواند فرمان دهد و یا اینکه کوچکترین مقداری است که تحت شناسایی قرار می‌گیرد. رزولوشن با حداقل حرکت افزایشی (Minimum Incremental Motion) برابر نیست. ممکن است یک سیستم قادر نباشد تا حرکت افزایشی معادل با رزولوشن انجام دهد. عواملی که بر حرکت یک جابجاگر اثر می‌گذارند عبارتند از اصطکاک، بار، نیروهای خارجی، دینامیک سیستم، کنترلر، ارتعاشات و اینرسی.
Minimum Incremental Motion (MIM) حداقل حرکت افزایشی: حداقل حرکت افزایشی، کوچکترین حرکت در یک جابجاگر است که می‌توان آن را به طور ثابت و تکرارپذیری انجام داد. حداقل حرکت افزایشی را نباید با رزولوشن اشتباه گرفت. معمولاً رزولوشن بر اساس کوچکترین مقدار نمایش کنترلر یا کوچکترین افزایش در encoder شناسایی میشود. رزولوشن میتواند خیلی کوچکتر از کوچکترین خروجی حرکت واقعی یک جابجاگر باشد. این تمایزی کلیدی است که متاسفانه همواره به خوبی درک نشده است. مینیموم اینکریمنتال موشن را گاهی "رزولوشن عملی" می نامند. دو روش آزمون مختلف با توجه به ظرفیت‌های جابجاگرها استفاده میشود. در جابجاگرهای با عملکرد بالا که از پیشرانه مستقیم (Direct drive) و سیستم‌های هدایتی بدون اصطکاک بهره می‌برند، حداقل Minimum Incremental Motion در جابجاگرهای اپتیکی و یا جابجاگر های آزمایشگاهی تنها توسط نویز محدود میشود.
شکل 2- دستیابی مداوم به عملکرد گام‌های 1 نانومتری در جابجاگر ترفند (محور عمودی: موقعیت/ محور افقی زمان (ثانیه))
Accuracy دقت: دقت، مقیاسی است که نشان می‌دهد یک جابجایی مشخص تا چه اندازه با استاندارد مطابق است. دقتِ یک سیستم حرکتی (یک جابجاگر) تا حدود زیادی میتواند تحت تاثیر وضعیت چینش ستاپ تست، شرایط محیط تست و فرآیندی باشدکه برای اندازه‌گیری جابجایی از آن استفاده شده است. در ابعاد میکرومتری و کوچکتر از میکرومتری، انبساط حرارتی میتواند تاثیر بسیار زیادی بر دقت داشته باشد. به ویژه اگر دما ثابت نباشد و یا به خوبی کنترل نشود. دیگر عواملی که بر دقت تاثیر منفی دارند، شامل Abbe Offset Error و خطای کسینوسی می‌شوند. در سیستم‌های چندمحوره، حرکت ناخواسته در هر جهتی باعث عدم اطمینان از سیستم می‌گردد.
با بهره‌گیری از اکثر کنترلرهای مدرن امروزی، می‌توان به جبرانِ خطاهای خطی با وارد کردن یک ضریب جبرانساز در کنترلر اقدام کرد. ترفند پس از انجام جبران خطا، دقت را تعیین می‌کند و گزارشی کنترلی ارائه می‌دهد که مقدار جبران برای هر جابجاگر چه میزان بوده است.
Repeatability تکرارپذیری: تکرارپذیری در یک جابجاگر، مقیاسی برای توانایی یک سیستم (جابجاگر خطی یا دورانی) مستقر از آن جهت است که به طور متوالی در موقعیت مورد نظر قرار بگیرد. تکرارپذیری میتواند تک جهته (اگر نزدیک شدن به موقعیت هدف همواره از یک جهت باشد) و یا دوجهته (به هنگام نزدیک شدن به موقعیت هدف از هر دو جهت) باشد. در برخی کاربردها، تکرارپذیری یک سیستم حرکتی مهمتر از دقت است. می‌توان خطاهای سیستماتیک را در نظر گرفت و جبران کرد اما تکرارپذیری آن محدودیت نهایی است که پس از همه جبران خطاها، ظاهر میشود.
شکل 3- دقت در برابر تکرارپذیری. نکته: در اکثر موارد، نیوپورت تکرارپذیری تک‌جهته و دوجهته را برای وسایل حرکتی مشخص می‌کند. برخی اوقات، هنگامی که خطای معکوس کوچک باشد، ما فقط تکرارپذیری دوجهته را مشخص می‌کنیم.
خطای معکوس Reversal Error:: خطای معکوس عبارت از فاصله میان دو موقعیت‌های واقعی بدست آمده برای یک موقعیتِ هدف مشخص است که از دو جهت مختلف بدست آمده باشند. این مقدار ترکیبی از لقی (Backlash) و پسماند (Hysteresis) است.
Backlash لقی: لقی حاصلِ حرکت نسبی میانِ اجزای مکانیکی در یک سیستم حرکتی است که باعث یک حرکت خروجی نمی‌شود. ضرایب سهیم شامل حدمجاز (clearance) میان اجزای مکانیکی نظیر دندانه‌های گیره و تغییرشکل مکانیکی است. همه سیستم‌ها، با "لقی" مواجه نیستند اما وقتی "لقی" ظاهر شود، معمولاً بیشترین تاثیر را بر تکرارپذیری دوجهته دارد. "پس لقی" یک جاجباگر خطی یا دورانی اپتیکی به دلیل ماهیت تکرارپذیر خود، میتواند با کنترلرهای حرکتی جبران شود.
پسماند Hysteresis: هیستورزیس جزئی از خطای معکوس است که وابسته به تاریخچه سیستم است. پسماند نتیجه نیروهای الاستیک در اجزای مختلف است و زمانی مشاهده میشود که نیروها در جهت معکوس عمل می‌کنند. پسماند بر تکرارپذیری دوجهته و دقت اثر می‌گذارد. همچنین هیستورزیس بر نظارت‌کردن موقعیت اثر می‌گذارد چون با معکوس کردن جهتِ حرکت، حرکت خروجی نسبت به حرکت ورودی خطی نیست. پسماند برخلاف پس‌زدن در همه سیستم‌های مکانیکی دیده میشود اگرچه مقدار آن ممکن است کوچک باشد.
Runout of a Linear Stage – Straightness / Flatness: انحراف در چرخش (Runout) در یک جابجاگر خطی- راست‌بودن/صافی سطح: انحراف در چرخش معادل با جدایی یک نقطه عملکردی متحرک از مسیر حرکت مستقیم ایده‌آل خود است. این پدیده شامل دو جزء عمود بر یکدیگر میشود. در استاندارد ایزو-230 و ASM B5.57، انحراف در چرخش به راست‌بودن (straightness) ربط داده شده است. با این حال، در صنعت حرکت مرسوم است که آن را به تخت‌بودن (flatness) و راست‌بودن ارجاع دهند. تخت‌بودن برابر با انحراف در چرخش در صفحه عمودی و راست‌بودن برابر با انحراف در چرخش در صفحه افقی است (ن.ک شکل 4).
شکل 4- انحراف در چرخش مربوط به Straightness و Flatness در یک جابجاگر خطی.
انحراف در چرخش زاویه‌ای در یک جابجاگر خطی- چرخش حول محور y (Pitch)/ چرخش حول محور z (Yaw)/ چرخش حول محور x (roll)
انحراف در چرخش زاویه‌ای به چرخش یک نقطه عملکردی متحرک مربوط است. این پدیده سه جزء عمود بر هم دارد که معمولاً از آنها تحت عنوان pitch، roll و yaw نام برده میشود. فرض کنید یک جابجاگر خطی در راستای محور افقی x استقرار داشته باشد، چرخش به دور محور y را pitch، چرخش به دور محور z را yaw و چرخش به دور محور x را roll می‌نامند (ن.ک شکل 5). ارزیابی دقیق از میزان خطای انحراف در چرخش برای یک کاربرد مشخص، دشوار است. به ویژه اگر بحث از سیستم‌های چندمحوره باشد یا کاربردهایی مد نظر باشد که نقطه مرجع در فاصله دوری از جابجاگر قرار داشته باشد. در چنین مواردی، خطاهای محوری با انحراف زاویه‌ای جابجاگر شناخته می‌شوند و با فاصله گرفتن از نقطه مرجع بزرگ می‌شوند.
شکل 5- انحراف در چرخش زاویه‌ای مربوط به یک جابجاگر خطی- roll، pitch و yaw
بهره‌وری یک جابجاگر چرخان- خارج از مرکز بودن (eccentricity) برابر با انحراف شعاعی از مرکز چرخش نسبت به میانگینِ موقعیتی است که جابجاگر در یک چرخش طی می‌کند (شکل 6). همچنین خارج از مرکز بودن به انحراف در چرخش شعاعی radial runout. معروف است. یک جابجاگر که به خوبی در مرکز محور می‌چرخد هیچ گونه خارج از مرکز بودن eccentricity را در مسیر چرخش از خود بروز نمی‌دهد.
لنگی (wobble) یک جابجاگر چرخشی- لنگی یا وابل برابر با کج‌شدن محور چرخش نسبت به محور ایده‌آل در یک دور چرخیدن است (ن.ک شکل 6). این پدیده به راحتی در مورد یک استوانه در حال چرخش یا در یک جابجاگر از بالا دیده میشود و میتواند باعث بروز Abbe Offset Error شود. درست شبیه به خارج از مرکزبودن، این پدیده نیز نتیجه استفاده از بلبرینگ‌های ناقص یا نامرغوب در یک جابجاگر چرخان است.
شکل 6- انحراف از محور در یک جابجاگر چرخشی
Position Stability پایداری در استقرار- پایداری در استقرار به توانایی برای حفظ‌کردن یک موقعیت در گستره‌ای از موقعیت‌های مکانی مشخص در طول یک بازه زمانی معین گفته میشود. پایداری در استقرار برابر با حاصل جمع ارتعاش‌ها و دریفت است.
Drift دریفت: دریفت به انحراف آهسته از یک وضعیت پایدار گفته میشود. اساساً این پدیده به حرکت‌کردن روانکارها و تغییرات گرمایی وابسته است.
ارتعاشات Vibrations: ارتعاشات (نویز در موقعیت) حرکات بسیار سریعی با مقداری کوچک هستند که به وسیله محیط (نویزهای حاصل از جریان، فن‌های هوا) و وسایل الکترونیک (حرکت موتور) ایجاد می‌شوند.
Load Capacity – Centered / Transverse / Axial ظرفیت بار- متمرکز/ عرضی/محوری: ظرفیت بار به حداکثر نیروی مجازی گفته میشود که میتواند روی یک جابجاگر در جهتی خاص اعمال شود در حالی که ملزومات جابجاگر نیز حفظ شود. حداکثر نیرو شامل نیروهای استاتیک (جرم x جاذبه) و نیروهای دینامیک (جرم x شتاب) میشود. نیروهای دینامیک باید شامل هر نوع نیروی خارجی اعم از ارتعاشاتی باشد که روی جابجاگر اعمال می‌شوند. مقدار شتابی که یک جابجاگر میتواند روی جرمی اعمال کند به نیروی شتاب‌دهنده‌ای وابسته است که جابجاگر میتواند بدون تجاوز از ظرفیت بار خود تولید کند. هنگامی که بارهای گسترده با استفاده از جابجاگرهای خطی شتابدار می‌شوند، گشتاور پیچشی (torque) که توسط یک بار غیرمتمرکز روی بخش متحرک اعمال میشود، عاملی موثر خواهد بود.
Centered Normal Load Capacity ظرفیت بار نرمال متمرکز: برای جابجاگرهای خطی، ظرفیت بار نرمال متمرکز به حداکثر باری گفته می‌شودکه میتواند روی جابجاگر اعمال شود اگر مرکز بار جرم روی مرکز قسمت متحرک در جهتی عمود به محور حرکت و سطح در حال حرکت قرار داشته باشد (ن.ک شکل 7). برای جابجاگرهای چرخشی- ظرفیت بار نرمال متمرکز به حداکثر بار در راستای محور چرخشی گفته میشود. علاوه بر این، گشتاور جرخشی اینرسی باید در محدوده مجاز جابجاگرهای چرخشی باشد.
ظرفیت بار عرضی: به ظرفیت بار عرضی، ظرفیت بار جانبی نیز گفته میشود و عبارت است از حداکثر باری که میتواند به صورت عمود بر محور حرکت و در راستای سطحِ بخش متحرک اعمال گردد (ن.ک شکل 7). عموماً ظرفیت بار عرضی کوچکتر از ظرفیت بار نرمال است.
ظرفیت بار شعاعی: ظرفیت بار شعاعی برابر با حداکثر بار در راستای قطار است. برای جابجاگرهای خطی که به صورت عمودی قرار گرفته‌اند، ظرفیت بار عمودی محدود به ظرفیت بار شعاعی است. با این حال، بارگذاری گسترده نیز باید در نظر گرفته شود.
قابلیت حرکت دادن به عقب: در سیستمی که قابلیت رانش معکوس داشته باشد، نیرویی که به جابجاگر وارد میشود، به شرط اینکه موتور آن در حال کار نباشد میتواند باعث ایجاد حرکت شود. به این جابجاگرها در اصطلاح جابجاگرهای دارای قابلیت حرکت به عقب back-drivable گفته میشود. جابجاگرهایی که در جهت مستقیم حرکت می‌کنند با ایجاد نیرویی کوچک قابل هدایت به عقب هستند: جابجاگرهای دارای بال اسکرو (ball screw) قابلیت راندن به عقب دارند. اگر نیروی اعمال شده از یک آستانه بیشتر باشد آنها را می‌توان به عقب راند. مقدار این آستانه به ویژگی‌های بال اسکرو وابسته است.
جابجاگرهای با لید اسکرو lead-screw معمولاً back-drivable نیستند مگر آنکه ارتفاع گام‌های پیچ بسیار زیاد باشد. اگر جابجاگر قابلیت راندن به عقب داشته باشد و از آن در کاربردهای عمودی استفاده شود، یک نیروی وابسته به بارمفید به طور پیوسته اعمال میشود. نتیجه‌اش آن است که اگر برق قطع شود، حرکت جابجاگر به سوی پائین است. اگر چیز دیگری ذکر نشده باشد، آستانه مجاز برای همه جابجاگرها با قابلیت راندن به عقب بالاتر از ظرفیت بار محوری است.
Off-Center Load Capacity ظرفیت بار خارج از مرکز: اگر بار به صورت غیرمتمرکز باشد، حداکثر ظرفیت بار یک جابجاگر کاهش می‌یابد.
حداکثر اینرسی Maximum Inertia: اینرسی برابر با مقیاسِ مقاومت بار نسبت به تغییر در سرعت است. هرچه اینرسی بیشتر باشد، نیرویی که برای شتاب بخشیدن یا کاهش شتاب از بار نیاز است نیز بزرگتر است. اگر محدودیتی برای میزان نیروی در دسترس وجود داشته باشد، آنگاه شتاب‌بخشی و یا شتاب‌منفی دادن مجاز باید با یک مقدار قابل قبول تنظیم شود. اینرسی محصولی از اجزای جرم و مربعِ فاصله آنها از محور چرخش است. حداکثر اینرسی مشخص‌شده برای جابجاگر چرخشی مقداری است که به گشتاور چرخشی در دسترس (محدودیت برای شتاب‌دهی) و سفتی بلبرینگ‌ها (محدودیت در فرکانس طبیعی مرتبط با ارتعاشات) بستگی دارد.
سرعتVelocity: سرعت به نرخ تغییر مکان گفته میشود. ویژگی‌های سرعت حداکثری به ظرفیت بار نرمال جابجاگر بستگی دارد. سرعت‌های بالاتر با بار کمتر ممکن است و یا اینکه از موتورهای بزرگتری با نیروی رانش قوی‌تر استفاده شود. حداقل سرعت به پایداری سرعت سیستم حرکت به شدت وابسته است.
Speed Stability پایداری سرعت: پایداری سرعت مقیاسی از توانایی یک سیستم حرکتی برای حفظ‌کردن سرعتی ثابت در محدوده مشخص است. معمولاً پایداری سرعت به عنوان درصدی از سرعت مطلوب ذکر میشود. همچنین به آن تنظیم سرعت گفته میشود. این متغیر به نوع طراحی مکانیکی جابجاگر، مکانیزم بازخورد آن، کنترلر حرکت، الگوریتم حرکت، بزرگی سرعت و کاربرد جابجاگر وابسته است.
معمولاً سرعت واقعی یک جزء در حال حرکت به طور مستقیم اندازه‌گیری نمی‌شود. به جای آن این سرعت بر اساس نمونه‌ای از موقعیت محاسبه میشود. در نتیجه، مقدار پایداری سرعت تا حدود زیادی به فرکانس نمونه‌برداری وابسته است. برای آنکه دقیقتر پایداری سرعت مشخص شود، پایداری سرعت را باید در یک بازه مشخص معین ساخت.
شتاب: شتاب به نرخ تغییر سرعت گفته میشود. اگر چیز دیگری بیان نشده باشد، شتابِ جابجاگرهای خود را روی مقداری تنظیم می‌کند که جابجاگر را قادر می‌سازد تا به حرکت سرعت 250 در 250 میلی‌ثانیه دست یابند. بنابراین حداکثر شتاب = (حداکثر سرعت *4) /ثانیه.
Jerk: به نرخ تغییر شتاب جرک گفته میشود.
Mean Time before Failure زمان میانگین پیش از شکست: زمان میانگین قبل از شکست به پیش‌بینی قابلیتِ اطمینان محصول مربوط میشود. آزمون‌ها و تحلیل آماری اجزاء و بخش‌های مختلف انجام میشود تا نرخی که در آن محصول دچار شکست میشود را پیش‌بینی کنند. این یکی از متداول‌ترین اشکال پیش‌بینی قابلیت اطمینان است و معمولاً بر اساس یک مدل تحلیلی است. مدل‌های بسیاری پیشنهاد شده‌اند. انتخاب کردن یکی از مدل‌ها باید بر اساس مجموعه‌ای از عوامل ویژه یک محصول و کاربرد آن باشد. به طور کلی، میانگین زمان پیش از شکست بر اساس متغیر چرخه‌های کاری تعیین میشود.
در مورد یک سیستم نمونه با نرخ شکست ثابت (تعداد شکست‌ها/ واحد زمان)، کسری از واحدها که پس از گذشتنِ زمان میانگین پیش از شکست همچنان به کار خود ادامه می‌دهند برابر با 37% است.