في أداة الطباعة الحجرية ذات البصمة النانوية، يجب على اللوح الساخن أن يضغط على ختم رئيسي ذي بنية نانوية في فيلم بوليمر بدقة موضعية تقاس بأجزاء من المليار من المتر. تعتبر الأسطوانة الهيدروليكية التي تدفع الصفيحة أداة قوية ولكنها غير دقيقة. إن جهاز التشفير الخطي عالي الدقة-المدمج مباشرة في إطار اللوحة، هو العين الإلكترونية غير الوامضة التي تقيس الموضع الدقيق للوحة في الوقت الفعلي-، مما يوفر التغذية المرتدة المطلوبة لنظام التحكم في حركة الحلقة-الدقيقة للغاية والمغلقة-.
الحاجة إلى ردود فعل موضعية متكاملة في الأطباق الساخنة
تُستخدم الألواح المسخنة في عمليات التصنيع الدقيقة مثل الطباعة الحجرية النانوية، والنقش الساخن، وربط الرقاقات، وربط الضغط الحراري. في هذه التطبيقات، يجب ألا توفر اللوحة حرارة موحدة فحسب، بل يجب أيضًا أن تتحرك إلى موضع يتم التحكم فيه بدقة-في كثير من الأحيان بدقة أقل من ميكرون أو حتى نانومتر. يجب الحفاظ على موضع اللوح تحت الحمل، وفي درجات حرارة متفاوتة، وضد امتثال النظام الميكانيكي. بدون ردود فعل دقيقة، حتى الضغط القوي لا يمكنه تعويض التمدد الحراري، أو رد الفعل الميكانيكي العكسي، أو الانحراف.
يوفر التشفير الخطي عالي الدقة المدمج مباشرة في مجموعة اللوحة هذه التغذية الراجعة. يقوم المشفر بقياس الموضع الفعلي للوحة بالنسبة إلى مرجع ثابت (على سبيل المثال، إطار الضغط أو لوحة القاعدة الثابتة). يتم تغذية هذا القياس إلى وحدة التحكم في الحركة، التي تقارنه بالوضع المتحكم فيه وتضبط المشغل (هيدروليكي أو هوائي أو كهربائي ضغطي) وفقًا لذلك. والنتيجة هي نظام تحديد المواقع ذو الحلقة المغلقة القادر على التكرار في نطاق النانومتر.
المكونات الأساسية لنظام التشفير الخطي المتكامل
يتكون نظام التشفير الخطي للوحة التسخين من ثلاثة عناصر أساسية:
حجم– شريط زجاجي أو معدني أو سيراميكي مصنوع بدقة مع نمط دوري من الخطوط أو المجالات المغناطيسية. يتم تثبيت المقياس بشكل صارم على الجزء المتحرك من مجموعة اللوح (على سبيل المثال، اللوح الخلفي أو دعامة التثبيت المخصصة).
قراءة الرأس- مستشعر مدمج غير متصل يتم تثبيته على إطار الضغط الثابت. يقوم رأس القراءة بمسح نمط المقياس باستخدام مبادئ بصرية أو مغناطيسية أو سعوية ويولد إشارة موضع.
الالكترونيات الاستيفاء- دارات تقسم فترة الإشارة الأساسية (على سبيل المثال، 20 ميكرومتر للمقياس البصري) إلى زيادات أصغر، مما ينتج الاستبانة النهائية. قد يتم دمج هذا في رأس القراءة أو وحدة تحكم منفصلة.
عندما تتحرك اللوحة، يتتبع رأس القراءة إزاحة المقياس. يقوم برنامج التشفير بإخراج قيمة موضع رقمي-عادةً عبر بروتوكولات مثل BiSS أو EnDat أو SSI-إلى وحدة التحكم في الحركة بمعدلات تحديث تتراوح من 10 كيلو هرتز إلى 100 كيلو هرتز.
المشفر هو المسطرة الداخلية الخاصة باللوحة، حيث يقرأ موقعها الدقيق ألف مرة في الثانية ويهمس بها إلى وحدة التحكم، التي تثبتها تمامًا مقابل ختم مقياس النانومتر.
معلمات المواصفات الرئيسية لجهاز التشفير الخطي على لوح التسخين
عند تحديد أردود فعل موقف لوحة التدفئة التشفير الخطيالنظام، يجب تحديد المعلمات التالية:
القرار والدقة
دقة- أصغر تغيير موضعي يستطيع المشفر اكتشافه. بالنسبة للطباعة الحجرية النانوية والنقش الساخن الدقيق، يلزم دقة تبلغ 1 نانومتر، أو 0.1 نانومتر، أو حتى 1 مساءً. تسمح الدقة الدقيقة لوحدة التحكم بإجراء تصحيحات أكثر دقة. يجب أن تكون الدقة المحددة على الأقل أصغر من التسامح المطلوب لتحديد المواقع.
دقة- الفرق بين الموضع المقاس والموضع الحقيقي على مدى القياس الكامل. تتأثر الدقة بأخطاء التخرج على نطاق واسع، والتفاوتات المتصاعدة، والتأثيرات الحرارية. لتحديد المواقع دون الميكرون، تكون الدقة ±0.5 ميكرومتر على مسافة 100 مم نموذجية؛ بالنسبة لتطبيقات النانومتر، تتوفر دقة تصل إلى ±10 نانومتر.
طول القياس (نطاق السفر)
يجب أن يتطابق طول مقياس التشفير مع الحد المطلوب للوحة. بالنسبة لمكبس النقش الساخن، قد يكون السفر 10-50 مم فقط؛ بالنسبة لأداة ربط الويفر، يمكن أن يكون 200-300 ملم. تمت إضافة مسافة صغيرة (5-10 مم) خارج نطاق العمل من أجل التوجيه واكتشاف الحدود.
إدارة التمدد الحراري
تتأثر دقة جهاز التشفير بشكل كبير بالتمدد الحراري لكل من المقياس وهيكل الصوانى. تعمل اللوحة في درجات حرارة مرتفعة-غالبًا 100–400 درجة -بينما يجب أن يظل رأس القراءة والمقياس ضمن الحدود الحرارية المحددة (عادةً 0–80 درجة للإلكترونيات). لذلك:
مواد ذات نطاق منخفض التوسعضرورية.زيرودور(السيراميك الزجاجي) له معامل تمدد حراري (CTE) قريب من الصفر (≈0.02 جزء في المليون/ك).إنفار(سبيكة من الحديد والنيكل) لها CTE تبلغ ≈1.2 جزء في المليون/ك. كلاهما مفضل على الفولاذ القياسي (≈11 جزء في المليون/ك) أو الزجاج (≈8 جزء في المليون/ك). تتم مطابقة مادة المقياس مع CTE الخاص باللوحة أو الإطار المرجعي حسب الحاجة.
الفصل الحراري- يتم تثبيت المقياس على اللوح باستخدام مواضع منخفضة التوصيل أو طبقة متوسطة تسمح للمقياس بالبقاء أكثر برودة من جسم اللوح. قد يتم توجيه قنوات التبريد أو الهواء القسري نحو الميزان.
التعويض الحراري- تشتمل بعض أجهزة التشفير المتطورة على أجهزة استشعار لدرجة الحرارة على الميزان وتستخدم خوارزميات التعويض القائمة على البرمجيات لتصحيح التوسع المتبقي.
تصنيف درجة الحرارة والدرع الحراري
يحتوي رأس القراءة على مكونات إلكترونية حساسة ويتم تصنيفه عادةً للتشغيل حتى 50-85 درجة. نظرًا لأن السطح الزجاجي يمكن أن يصل إلى درجات حرارة أعلى بكثير، يجب أن يكون رأس القراءة:
شنت عن بعدمن المنطقة الساخنة باستخدام ذراع تمديد صلبة أو شريحة عازلة للحرارة.
محمية بواسطة درع الحرارة- يتم وضع درع معدني مصقول (على سبيل المثال، الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم مع طلاء عاكس) بين اللوح الساخن ورأس القراءة. يمكن إضافة حواجز الحمل الحراري (على سبيل المثال، فجوة هوائية أو بطانية سيراميك).
تبريد- في الحالات القصوى، يتم تبريد رأس القراءة بالماء أو تبريد الهواء عبر مروحة صغيرة أو خط هواء مضغوط.
توافق خرج الإشارة ووحدة التحكم
يجب أن يكون إخراج جهاز التشفير متوافقًا مع وحدة التحكم في الحركة المستخدمة في المطبعة. تتضمن البروتوكولات التسلسلية الشائعة عالية الدقة ما يلي:
BiSS- بروتوكول مفتوح وعالي السرعة ومنخفض الكمون مفضل للتحكم الدقيق في الحركة.
إندات(Heidenhain) – ملكية خاصة ولكنها مدعومة على نطاق واسع، وتوفر اتصال ثنائي الاتجاه بما في ذلك إشارات الخطأ وقراءات درجة الحرارة.
مباحث أمن الدولة(واجهة تسلسلية متزامنة) - أبسط وأبطأ ولكنها كافية للعديد من التطبيقات.
أ-رباعية-ب- إخراج التربيع التزايدي مع العلامة المرجعية؛ يقتصر القرار على عامل الاستيفاء ومعدل التحديث.
بالنسبة للتطبيقات على مستوى النانومتر، يلزم وجود بروتوكول تسلسلي مع دورات تحديث ميكروثانية. يجب أن تتلقى وحدة التحكم أيضًا إشارات مفتاح الحد الخاص بجهاز التشفير (علامات نهاية السفر والمرجع/المنزل).
حماية البيئة
يجب حماية جهاز التشفير من:
الغبار والجسيمات- المتولدة عن فيلم البوليمر أو البيئة. يتم وضع رأس القراءة والمقياس في منفاخ أو ختم منزلق مصنوع من PTFE أو المعدن. يوصى بتصنيف IP لا يقل عن IP64 (مقاوم للغبار).
الأبخرة وإطلاق الغازات– من البوليمرات الساخنة أو المذيبات. تحافظ العلبة المغلقة المزودة بمنفذ تطهير (على سبيل المثال، الهواء المضغوط أو النيتروجين) على نظافة جو جهاز التشفير.
الزيت والمبرد- في حالة استخدامه في بيئة المعالجة أو الضغط، يتم تحديد جهاز التشفير بتصنيف IP67 أو أعلى.
خطوات تصميم التكامل
يتضمن تحديد التشفير الخطي للوحة التسخين القرارات الهندسية التالية:
الخطوة 1: تحديد الدقة الموضعية المطلوبة
تحدد العملية التسامح. بالنسبة للطباعة الحجرية النانوية، يعد توحيد سماكة الطبقة المتبقية بمقدار ± 1 نانومتر أمرًا شائعًا. يجب أيضًا التحكم في ميل اللوحة وتوازيها، وغالبًا ما يتطلب ذلك أجهزة تشفير متعددة (ثلاثة أو أكثر) لقياس الموضع في زوايا مختلفة.
الخطوة 2: حدد نوع التشفير
التشفير البصري– توفير أعلى دقة (حتى 1 ظهرًا) ودقة، ولكنها أكثر حساسية للتلوث وتتطلب بيئة نظيفة. يتم استخدام مقياس زجاجي مع محزوز الحيود.
التشفير المغناطيسي- أكثر قوة ضد الغبار والزيوت، ولكن الدقة النموذجية تتراوح بين ميكرومتر إلى ميكرومتر فرعي (على سبيل المثال، 0.1 ميكرومتر). مناسبة لتحديد المواقع الخشنة.
التشفير بالسعة- توفر دقة وضوح جيدة (نطاق النانومتر) مع تحمل بيئي معتدل، ولكنها أقل شيوعًا بالنسبة للتكامل في درجات الحرارة المرتفعة.
بالنسبة لتطبيقات الدقة الأكثر تطلبًا، يتم تحديد جهاز تشفير بصري عالي الجودة بمقياس Zerodur ورأس قراءة محمي من الحرارة.
الخطوة 3: تصميم التركيب والعزل الحراري
مرفق المقياس- يتم ربط المقياس أو تثبيته على هيكل اللوح المتحرك باستخدام مادة لاصقة مع CTE متطابقة (على سبيل المثال، إيبوكسي مكون من جزأين مصمم للمعالجة في درجة حرارة منخفضة). يتم تجنب الثقوب والفتحات لمنع تركيزات الضغط. يتم تثبيت المقياس بالقرب من المحور المحايد للوحة قدر الإمكان لتقليل الأخطاء الناتجة عن الانحناء.
قراءة تركيب الرأس- يتم تثبيت دعامة صلبة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو Invar على الإطار الثابت. تم تصميم الدعامة لتكون مستقرة حرارياً ومخمدة للاهتزاز. يتم ضبط فجوة الاستشعار في رأس القراءة (عادةً 0.2-0.5 مم) وقفلها.
الحاجز الحراري- درع متعدد الطبقات يتكون من رقائق عاكسة وفجوة هوائية ولوحة خزفية توضع بين الصفيحة ورأس القراءة. لا يكون الدرع على اتصال مباشر مع اللوح الساخن ولكنه مثبت على الجانب الثابت.
الخطوة 4: تحديد الواجهات الكهربائية والكابلات
نوع الكابل- يتم استخدام كبل محمي عالي المرونة مصمم للثني المستمر (إذا كان رأس القراءة على حامل كبل متحرك). يجب أن يتحمل الكابل درجة الحرارة المحيطة بالقرب من اللوح؛ ويفضل الغلاف الخارجي PTFE أو السيليكون.
موصل- تم تحديد موصل قفل قوي (مثل M12 أو D‑sub) لخرج المشفر. يتم تضمين سلك تأريض منفصل لمنع الحلقات الأرضية.
الخطوة 5: الاختبار والمعايرة
بعد التجميع، تتم معايرة نظام التشفير باستخدام مقياس تداخل الليزر. تعوض المعايرة أي أخطاء متبقية في تركيب المقياس أو الإزاحات الحرارية. يتم تخزين بيانات المعايرة في وحدة التحكم في الحركة أو إلكترونيات التشفير.
ملاحظة العملية: استخدام أجهزة تشفير متعددة للتحكم في الإمالة
يقوم جهاز تشفير خطي واحد بقياس الإزاحة على طول محور واحد. بالنسبة للوحة التسخين التي يجب أن تظل موازية لسطح متقابل (على سبيل المثال، ختم أو ركيزة)، يتم ترتيب ثلاثة أجهزة تشفير في ثلاث زوايا من اللوحة. تقرأ وحدة التحكم في الحركة المواضع الثلاثة وتستخدم الإشارات التفاضلية للتحكم في الإمالة عبر مشغلات متعددة (على سبيل المثال، ثلاثة مداخن كهربائية ضغطية). يحقق هذا التكوين، المعروف باسم نظام التسوية ثلاثي النقاط، دقة تحديد المواقع الانتقالية والزاوية في نطاق النانومتر.
مواصفات المثال
بالنسبة للوحة الطباعة الحجرية ذات الطباعة النانوية التي يبلغ نطاق سفرها 50 مم، وتعمل عند 180 درجة، يمكن استخدام مواصفات التشفير التالية:
يكتب- التشفير الخطي البصري بمقياس Zerodur
دقة- 0.1 نانومتر (بعد الاستيفاء)
دقة- ±0.2 ميكرومتر على مسافة 50 مم (معايرة)
مقياس CTE– 0.02 جزء في المليون/ك
قراءة درجة حرارة تشغيل الرأس– 0 إلى 70 درجة (مع التبريد النشط)
بروتوكول الإخراج- BiSS بتردد 10 ميجاهرتز
حماية– IP64 مع تنقية النيتروجين
درع حراري- ألومنيوم مصقول مزدوج الطبقات مع فجوة هوائية 5 مم
خاتمة
يعمل التشفير الخطي المدمج عالي الدقة على تحويل المكبس القوي إلى أداة دقيقة دون الميكرون، وهو مكون مهم يمنح اللوحة إحساسًا دقيقًا لا يتزعزع بموضعها. ومن خلال التحديد الدقيق لدقة التشفير، وإدارة التمدد الحراري، والدرع الحراري، وحماية البيئة، يمكن بناء لوحة تسخين تضع نفسها مع إمكانية التكرار على نطاق نانومتر، حتى في ظل الأحمال الحرارية الشديدة. يمكن للأدوات الأكثر دقة رؤية حركتها بعيون نانومترية، ويوفر التشفير الخطي المحدد بشكل صحيح هذه الرؤية.
