Сверхточная нанотехнология
Нанотехнология с ее характерным масштабом в нанометр бросает вызов современным ультраточным системам управления. Рассматривая данный вопрос в моей прошлогодней августовской рубрике, я проводил аналогию с точностью, скорострельностью, и разрешающей способностью, а так же привел пример обстрела мишени. Два утверждения являются особенно важными для понимания того, на что я обращаю внимание в данной статье:
1) В процессе стрельбы, меткость определяется вашей техникой наведения на центр мишени, независимо от её протяженности; скорострельность определяется умением быстро стрелять, независимо от попадания в цель; точность же определяться размером отверстий оставленных на мишени.
„Управление внешними условиями в высокоточных системах так же важно, как и управление движением.” |
2) В одном метре миллиард нанометров.
Теперь рассмотрим реализацию высокоточной машины, которая имеет разрешение в 1 нм на интервале в 1 м, или один к миллиарду. С точки зрения реализации, существуют некоторые сложности, которые необходимо принять во внимание. Задумаемся о взаимосвязи диапазона измерений и разрешающей способности. Если мы контролируем положение одной части из миллиарда (1 нм на 1 м), это означает, что нашей системе необходим, как минимум, 30-битный счетчик. Если же мы используем интерферометр или датчик положения со стеклянной шкалой, движущиеся со скоростью всего лишь 1мм/с, то наш контроллер будет фиксировать сигнал детектора каждую секунду. Если бы мы двигались со скоростью 1м/с, то фиксировали бы импульс каждую наносекунду. Скорость опроса детекторов, да еще и при таком количестве отсчетов, огромна, и поэтому большинство контроллеров используемых в настоящее время не удовлетворяют этим требованиям. В связи с этим, в подобных приложениях применяются только самые современные контроллеры.
Влияние внешних условий.
Рассмотрим задачу управления, с которой сталкиваются высокоточные промышленные системы. Температурный коэффициент расширения стали равен 12*10-6 /oС. Это означает, что при нагревании на 1 oС, стальной стержень длиной 1 метр увеличится на 12 мкм. Это увеличение не кажется таким уж большим, однако с точки зрения высокоточных измерений оно огромно. Если ось машины длинной 2 метра нагреть на 1оС, то она увеличится на 24 мкм, или 24000 нм. Такое явление, известное как температурное расширение, может значительно сократить возможности высокоточных систем. Поэтому, помимо управления перемещениями в таких системах, проблематичным остается контроль внешних параметров. В высокоточных механизмах температура окружающей среды может контролироваться с точностью до 0.1оС и выше, а управление температурой охлаждающей жидкости может осуществляться на еще более высоком уровне.
Непростая задача ближайшего будущего — возможность управления системами с высоким уровнем точности, на дальних расстояниях и при относительно высоких скоростях, поэтому для этой цели будут использоваться только элементы управления с наиболее широкими возможностями. Лишь самые современные датчики и приводы будут способны обеспечить обратную связь и функционирование на уровне, определяемом высокоточными системами.
Кроме того, управление параметрами внешней среды будет так же важно или даже важнее управления движением. В результате вы не найдете доступных и недорогих высокоточных механизмов. Однако технология не стоит на месте, появляется все больше функционально-эффективных контролеров, поэтому можно ожидать серьезного расширения возможностей новых систем без значительного увеличения цен.
*Модель прогнозированного управления находит широкое применение в производстве оборудовании для непрерывных процессов, однако наилучшим использованием данной методики является серийное производство.
Томас Р. Курфес (Thomas R. Kurfess) — профессор машиностроительного колледжа имени Джорджа В. Вудруффа (George W. Woodruff School of Mechanical Engineering)