الحركة المستقيمة والدقيقة ليست سهلة على الإطلاق.

إن الحركة المستقيمة الدقيقة ليست سهلة على الإطلاق، وتثبت أجهزة تحديد المواقع الخطية ذلك من خلال الخطأ ليس في بعد واحد، بل في ثلاثة أبعاد.

عندما ظننتَ أنك أتقنتَ مفهوم "الحركة الخطية" - اصطدم بالنقاط المطلوبة على الطريق المستقيم وستكون في المكان الصحيح - ظهرت درجات الحرية الخمس المتبقية لتُفسد الحفلة. من منظورٍ عام، صحيحٌ أن العربة الخطية تتحرك بشكل أساسي على طول محور واحد (لنسمِّه المحور X)، لكن جميع الأجزاء الهندسية بها عيوب، ومع حاجتنا المتزايدة للدقة والإحكام، يجب أن يتطور اهتمامنا بالتفاصيل وفقًا لذلك.

ولكي نصف دقة النظام بشكل كامل، يتعين علينا أن نضع في الاعتبار جميع درجات الحرية الست، وهي: الانتقال في المحاور X وY وZ، والدوران حول نفس المحور.

مخاوف بشأن التوظيف

بدايةً، لنضع تعريفًا واضحًا لمعايير تحديد المواقع الرئيسية. على الرغم من أن معظم المهندسين على دراية بمصطلحات الدقة والتكرار والدقة، إلا أنها تُستخدم بشكل خاطئ في الممارسة العملية. تُعد الدقة أصعب هذه المصطلحات الثلاثة تحقيقًا، تليها التكرارية، وأخيرًا الدقة. تُفسر الدقة مدى اقتراب نظام متحرك من موضع تحكم دقيق في الفضاء النظري XYZ.

من ناحية أخرى، تشير قابلية التكرار أو الدقة إلى الخطأ بين المحاولات المتتالية للانتقال إلى نفس الموقع من اتجاهات عشوائية. يمكن أن يكون النظام الخطي القابل للتكرار تمامًا غير دقيق للغاية - فقد يكون قادرًا على تحقيق نفس الموقع باستمرار، والذي يحدث أنه بعيدًا جدًا عن الموقع المطلوب. على سبيل المثال، يمكن أن يكون للبرغي الرصاصي ذو صمولة تابعة محملة مسبقًا بشكل كبير، ولكن مع وجود خطأ كبير في الخطوة أو "الخطوة"، تكرار جيد مع دقة ضعيفة. يحافظ التحميل المسبق على صمولة ثابتة في موضعها المحوري، مما يقلل أو يزيل رد الفعل العكسي ويضمن انتقال الصمولة والحمل باستمرار وفقًا لدوران عمود البرغي. لكن خطأ الخطوة يرمي بعلاقة الدوران إلى الترجمة المقصودة خارج التوازن، وبالتالي فإن النظام غير دقيق.

الدقة هي أصغر زيادة في الحركة يمكن تحقيقها. على سبيل المثال، إذا كان موضع القيادة على بُعد 2 ميكرومتر، بينما دقة النظام 4 ميكرومتر، فلا يمكن أن تكون الدقة أفضل من 2 ميكرومتر. في هذه الحالة، لا يمتلك النظام الدقة الكافية للتحرك نحو الموضع المطلوب بشكل أقرب.

لكي يكون النظام دقيقًا، يجب أن تكون جميع مكوناته دقيقة وقابلة للتكرار وتوفر دقة كافية. مع أن النظام قد يوفر دقة "قياسية" جيدة وقابلية تكرار ضعيفة (أي أن النظام يُشكل تشتتًا عشوائيًا حول نقطة التحكم)، إلا أن دقة النظام الإجمالية لا يمكن أن تكون أفضل من قابليته للتكرار.

التدابير الموجهة

تتكون أجهزة الحركة الخطية من مكونين أساسيين: دليل خطي وجهاز لتوليد الدفع. يكون الدليل مسؤولاً عن تقييد الحركة في خمس درجات حرية من أصل ست درجات متاحة في الفضاء ثلاثي الأبعاد. لا يسمح الدليل المثالي بأي حركة في المحورين Y وZ، ولا يسمح بأي دوران حول أيٍّ من المحورين. من المتوقع أن يُنتج جهاز الدفع (عادةً ما يكون سلكًا أو لولبًا كرويًا) الحركة فقط في المحور غير المقيد. من المناسب تقييم دقة هذين المكونين بشكل منفصل، ثم جمع النتائج لتحديد الدقة الكلية.

لننظر إلى الدليل أولًا. قد يعاني الدليل الخطي من عدة مصادر للخطأ: الانحناء لأعلى ولأسفل أو من جانب إلى جانب - أي انحرافات في الاستواء والاستقامة؛ الانحراف الرأسي؛ وانقطاعات بين الدليل والتابع.

يُعدّ الاستواء والاستقامة من أكثر المشاكل شيوعًا، نظرًا لعظم حجمهما. يتحرك دليل مُصمّم بإتقان على طول مستوى موازٍ لمستوى XY، بالإضافة إلى خط موازٍ لمحور X. خطأ الاستواء هو في جوهره انحراف عن مستوى XY. قد يشمل انحناءً بسيطًا في اتجاه واحد أو اتجاهين. يُؤدي خطأ الاستواء دائمًا إلى انزياح في المحور Z (الرأسي). وحسب اتجاه الانحناء، قد يُسبب دورانًا حول المحور Y، أو انحناءً حول المحور X (كما هو الحال في الاعوجاج ثنائي الأبعاد)، أو كليهما. قد يُولّد الاعوجاج أيضًا انزياحًا طفيفًا في المحور Y، عموديًا على الحركة المطلوبة.

يؤدي خطأ الاستقامة إلى انحراف خط سير العربة عن المحور X، وانحنائه في اتجاه ±Y. بالإضافة إلى الإزاحة على المحور Y، سيؤدي ذلك إلى دوران انحرافي حول المحور Z.

الانحراف الرأسي هو تغيير منتظم في ارتفاع الدليل الخطي أثناء انتقاله. قد يكون هذا بسبب عدم دقة تصنيع أسطح المحامل، مما يؤدي إلى انحراف في المحور Z. يُدرج معظم مصنعي الأدلة الاستواء أو الانحراف الرأسي، إلى جانب الاستقامة. من الممكن أن يُحدث الدليل الخطي انتقالًا لحظيًا إلى المحور Y أو Z دون دوران، ولكن حجم هذه الانتقالات يكون عادةً صغيرًا. يميل مُتابع الدليل الخطي إلى توزيع العيوب على طوله، مما يُقلل من التحولات المفاجئة العرضية للحركة المطلوبة.

يعتمد تأثير الدوران على الدقة على موضع نقطة الاهتمام بالنسبة لجهاز مرجع الموضع، والذي قد يكون المسمار اللولبي نفسه أو مقياسًا خطيًا يُستخدم للتغذية الراجعة. في كلتا الحالتين، يُشكل موقع الجهاز خط القياس، موازيًا لاتجاه الحركة المطلوب. ومع ذلك، قد تكون نقطة الاهتمام، وهي نقطة الهدف لنظام الحركة الخطية، مُزاحة عن خط القياس. وبالتالي، فإن أي دوران سيُسبب أطوال قوس مختلفة عند كل منهما. وستختلف مسافة الحركة الفعلية عن المسافة المسجلة على المقياس وفقًا لكمية الدوران والإزاحة. كلما زاد الإزاحة، زادت أخطاء الترجمة الناتجة عن الدورات - والمعروفة باسم خطأ آبي. مع استخدام المسمار اللولبي نفسه كجهاز مرجعي، يكون خط القياس في المركز. ولكن تُستخدم عادةً أجهزة التشفير الخطية، وتُركب على الجانب. قد يؤدي هذا إلى تفاقم أو تحسين ظروف خطأ آبي، اعتمادًا على موقع نقطة الاهتمام (فهي لا تكون دائمًا محاذية للعربة ومسمار الرصاص).

في المقابل، تبقى أخطاء الترجمة الصرفة في المحورين Y وZ، الناتجة عن الانقطاعات والانحراف الرأسي، ثابتة بغض النظر عن نقطة الاهتمام. قد تكون أخطاء الدوران أكثر خداعًا. من الأسهل والأكثر فعالية من حيث التكلفة تقليل الإزاحة مقارنةً ببناء نظام تحديد مواقع مزود بأدلة أكثر دقة.

خطأ في القيادة

يمكن إنتاج الدفع بطرق عديدة. الأجهزة الشائعة عالية الدقة هي براغي الرصاص، وبراغي الكرة، والمحركات الخطية. تُنشئ براغي الرصاص وبراغي الكرة نوعًا محددًا من الخطأ المتأصل في طبيعتها. عندما يدور المسمار، يتحرك التابع على مسار حلزوني محولاً الحركة الدورانية إلى حركة خطية. ونظرًا لأن زاوية الحلزون ليست مثالية أبدًا، فمن المتوقع حدوث نقص أو زيادة في السفر. يمكن أن يكون هذا دوريًا (يُعرف باسم خطأ 2π) أو منتظمًا (يقاس كمتوسط ​​خطأ لكل 300 مم من السفر). قد تكون هناك أيضًا ترددات متوسطة من التذبذب أو تغير السفر. يمكن إزالة متوسط ​​الخطأ بسهولة باستخدام تعويض وحدة التحكم. تصبح الأخطاء المتوسطة والدورية صعبة للغاية في إزالتها. سيكون لبرغي التأريض الدقيق من الفئة C3 خطأ متوسط ​​أو منتظم يبلغ 8 ميكرومتر وخطأ 2π يبلغ 6 ميكرومتر. مع البراغي الأقل دقة، لا يتم الإبلاغ عن خطأ 2π لأنه غير مهم بالنسبة إلى متوسط ​​الخطأ. يتم إدراج متوسط ​​خطأ "الرصاص" لجميع براغي الرصاص من فئة التموضع.

يمكن استخدام برغي كروي أو سلكي مع مُشفِّر خطي لإعادة تغذية الموضع الفعلي إلى وحدة التحكم. هذا يُلغي الحاجة إلى دقة فائقة في شكل لولب البرغي. تُعدّ قدرات القياس وضبط حلقة التحكم من العوامل المُحددة للدقة الخطية.

تنظم المحركات الخطية الحركة بناءً على التغذية الراجعة من مُشفِّر خطي أو أي جهاز استشعار آخر. ستحد دقة جهاز التغذية الراجعة ودقته من دقة النظام، وكذلك ضبط النظام، وهو عنصر أساسي في أي تطبيق سيرفو. يتم اختيار نطاق سكون للضبط، بحيث يتوقف عن التذبذب بمجرد وصول العربة إلى موضع ضمن هذا النطاق. هذا يقلل من زمن الاستقرار، ولكنه يُضعف أيضًا من قابلية تكرار الجهاز ودقته. ومع ذلك، نظرًا لعدم وجود عناصر ميكانيكية وسيطة تُسبب رد فعل عكسي للنظام، أو التصاق، أو انحراف، وما شابه ذلك، فإن المحركات الخطية قادرة على تجاوز دقة النظام المُدار بمسمار كروي أو سلكي.

مجموع الأجزاء

لتحديد الدقة الكلية على طول محور حركة واحد، يجب دمج أخطاء جهاز التوجيه والدفع. تُحوّل أخطاء الدوران إلى أخطاء انتقالية عند نقطة الاهتمام. يمكن بعد ذلك دمج هذا الخطأ مع أخطاء انتقالية أخرى في الاتجاه نفسه.

يُحسب خطأ آبي بضرب ظل التغير الكلي في الزاوية حول محور الدوران في مسافة الإزاحة. لكل دوران، يجب أن تُؤخذ الإزاحة في المستوى العمودي على محور الدوران. الطريقة الوحيدة للتخلص من خطأ آبي عمليًا هي وضع جهاز التغذية الراجعة عند النقطة المعنية.

بمجرد حساب أخطاء الترجمة الخاصة بالدليل في كل اتجاه، يمكن دمجها مع الخطأ الناتج عن جهاز الدفع، والذي يساهم في الخطأ على طول المحور X فقط، ويتم تحديد إجمالي خطأ النظام.

إذا كنت تُحلل جهاز حركة خطية أحادي المحور، يمكنك ببساطة مقارنة أخطاء الانتقال لكل اتجاه بمتطلبات تحديد المواقع. إذا كان أي محور يحتوي على خطأ غير مقبول، فيمكنك معالجة مكونات خطأ هذا المحور واحدًا تلو الآخر.

إذا كان النظام متعدد المحاور، مع العديد من مجموعات الحركة الخطية، فلا يزال لديك نقطة اهتمام واحدة فقط؛ وهي نفسها لكل محور. سيكون للمحور الأبعد عن نقطة الاهتمام أعلى احتمال لخطأ آبي. يمكن جمع أخطاء الترجمة من كل مرحلة عند نقطة الاهتمام لتحديد الخطأ الكلي للنظام. ومع ذلك، يجب أيضًا مراعاة التعامد بين المحاور الآن. ينتج عن هذا انتقالًا خالصًا. في حالة مرحلة XY، على سبيل المثال، سيؤدي انحراف المحور Y بالنسبة إلى X إلى انتقال X إضافي أثناء عبور المحور Y. يمكن تحديد ذلك باستخدام علم المثلثات أو عن طريق قياس الإزاحة مباشرة. تذكر، على عكس الدورات، أن الانتقالات مستقلة عن الإزاحة، أي المسافة إلى نقطة الاهتمام. يمكنك إضافة إزاحة التعامد مباشرة إلى ميزانية الخطأ الإجمالية لديك.

أخيرًا، تذكّر أن مصطلح "الدقة" يُستخدم بحرية، وغالبًا ما يكون عرضة للتأويل. أحيانًا، تُراعي مواصفات الدقة المذكورة برغي التموضع فقط. قد يكون هذا النوع من التمثيل غير الدقيق مُضلّلًا. على سبيل المثال، قد يُفكّر مُصمّم في تحسين دقة النظام من خلال تحسين متوسط ​​خطأ التوصيل، بينما تكمن المشكلة في الواقع في خطأ آبي. ليس هذا هو النهج الأمثل. في كثير من الأحيان، يوجد حل هندسي بسيط واقتصادي، بمجرد تحديد مصدر الخطأ.