تتطلب الصناعات الإلكترونية والبصرية والحاسوبية والتفتيشية والأتمتة والليزر مواصفات متنوعة لأنظمة تحديد المواقع.لا يوجد نظام واحد مناسب للجميع.

لضمان عمل نظام تحديد المواقع عالي الدقة على النحو الأمثل، يجب أن تعمل جميع المكونات التي تشكل النظام - المحامل، ونظام قياس الموضع، ونظام المحرك والقيادة، ووحدة التحكم - معًا بأفضل شكل ممكن لتلبية معايير التطبيق.

القاعدة والمحمل

لتحديد التكوين الأمثل للنظام، ابدأ بالنظر إلى الجزء الميكانيكي منه. بالنسبة للمراحل الخطية، إليك أربعة خيارات شائعة لتصميم القاعدة والمحمل:
• قاعدة ومنزلق من الألومنيوم مع مسارات محمل كروي مثبتة بمسامير.
• قاعدة من الألومنيوم أو الفولاذ وجانب من الألومنيوم أو الفولاذ مع أربعة كتل محامل أسطوانية دوارة على قضبان فولاذية.
• قاعدة ومنزلق من الحديد الزهر من نوع ميهانيت مع مسارات محامل أسطوانية متكاملة.
• أدلة من الجرانيت مع منزلقات من الجرانيت أو الحديد الزهر ومحامل هوائية.

الألومنيوم أخف وزنًا من الميهانيت أو الفولاذ، ولكنه أقل صلابةً واستقرارًا، وأقل قدرةً على تحمل الصدمات، وأقل مقاومةً للإجهاد. إضافةً إلى ذلك، فإن الألومنيوم أكثر حساسيةً لتغيرات درجة الحرارة. أما الحديد الزهر، فهو أكثر صلابةً من الألومنيوم بنسبة 150%، وأفضل منه بنسبة 300% في امتصاص الاهتزازات. الفولاذ متين وأقوى من الحديد، ولكنه يعاني من رنين مستمر، مما يؤثر سلبًا على سرعة الحركة والاستقرار.

توفر الموجهات الجرانيتية المزودة بمحامل هوائية مزيجًا من الصلابة والمتانة. يمكن صقل الجرانيت بدقة متناهية تصل إلى مستوى الميكرون. أما عيب طاولة الجرانيت، فيكمن في أنها، نظرًا لكتلة الجرانيت، تشغل حيزًا أكبر وتزن أكثر من أنظمة التثبيت المصنوعة من الفولاذ أو الحديد. مع ذلك، ولعدم وجود احتكاك بين المحامل وأسطح الموجهات الجرانيتية، لا يحدث تآكل، كما أن المحامل الهوائية ذاتية التنظيف إلى حد كبير. إضافةً إلى ذلك، يتميز الجرانيت بخصائص ممتازة في امتصاص الاهتزازات والثبات الحراري.

بالإضافة إلى ذلك، يُعد تصميم الطاولة نفسها عاملاً هاماً في أدائها العام. تتوفر الطاولات بتشكيلات متنوعة، بدءاً من الوحدات المُجمّعة بمسامير ذات الأجزاء الكثيرة، وصولاً إلى القواعد والشرائح المصبوبة البسيطة. استخدام مادة واحدة في جميع أجزاء الطاولة يُوفر عموماً استجابة أكثر تجانساً لتغيرات درجة الحرارة، مما يُؤدي إلى نظام أكثر دقة. كما تُوفر ميزات مثل التضليعات التخميد، مما يُتيح استقراراً سريعاً.

تتميز الطرق المتكاملة بميزة على الطرق المثبتة بمسامير، وهي أنه حتى بعد مرور وقت طويل، لا يلزم تعديل الطرق للتحميل المسبق.

تتميز محامل الأسطوانات المتقاطعة بتلامس خطي بين الأسطوانة ومجرى الدوران، بينما تتميز محامل الكرات بتلامس نقطي بين الكرة ومجرى الدوران. ينتج عن ذلك حركة أكثر سلاسة لمحامل الأسطوانات. كما يقل تشوه سطح الدوران (والتآكل) وتزداد مساحة التلامس، مما يؤدي إلى توزيع الحمل بشكل أكثر توازناً. تصل الأحمال القياسية إلى 4.5 إلى 14 كجم/أسطوانة، إلى جانب صلابة ميكانيكية عالية تتراوح بين 150 و300 نيوتن/ميكرون. ومن عيوبها الاحتكاك المتأصل الناتج عن التلامس الخطي.

مع ذلك، فإن صغر مساحة التلامس التي تحد من احتكاك محامل الكرات يحد أيضاً من قدرتها على تحمل الأحمال. تتميز محامل الأسطوانات عموماً بعمر أطول من محامل الكرات، إلا أنها أغلى ثمناً.

تشمل أحجام الطاولات القياسية لأحد المصنعين طولًا يتراوح من 25 إلى 1800 مم وعرض انزلاق يتراوح من 100 إلى 600 مم.

يتكون نظام المحامل الهوائية من محامل رفع وتوجيه مُحمّلة مسبقًا بواسطة محامل هوائية متقابلة أو بواسطة مغناطيسات أرضية نادرة عالية القوة مُدمجة في عناصر التوجيه. يتجنب هذا التصميم غير التلامسي الاحتكاك الموجود في تصاميم المحامل الأخرى. كما أن المحامل الهوائية لا تتعرض للتآكل الميكانيكي. علاوة على ذلك، يمكن وضع المحامل الهوائية على مسافات واسعة. وبالتالي، يتم تقليل الأخطاء الهندسية الناتجة، مما ينتج عنه انحرافات زاوية أقل من ثانية قوسية واحدة واستقامة أفضل من 0.25 ميكرون على مسافة 200 مم.

يصعب تحديد القيم العددية بدقة، فهي تعتمد على عوامل عديدة. فعلى سبيل المثال، لا تعتمد دقة تحديد الموضع على المحامل أو الموجهات فحسب، بل تعتمد أيضاً على نظام قياس الموضع ووحدة التحكم. كما أن الاحتكاك في نظام تحديد الموضع لا يعتمد فقط على نظام الدفع المُختار، بل أيضاً على ضبط المحامل، وإحكام إغلاق الطاولة، والتشحيم، وما إلى ذلك. لذا، فإن القيم الدقيقة التي يمكن الوصول إليها تعتمد بشكل كبير على توليفة جميع المكونات، والتي بدورها تعتمد على التطبيق.

نظام القيادة

من بين الأنواع العديدة لأنظمة القيادة - الحزام، والترس المسنن، والبرغي الرصاصي، والبرغي الكروي المطحون بدقة، والمحرك الخطي - يتم اعتبار النوعين الأخيرين فقط لمعظم أنظمة تحديد المواقع عالية الدقة.

تتوفر محركات لولبية كروية بمستويات دقة ووضوح وصلابة متنوعة، ويمكنها توفير سرعات عالية (أكثر من 250 مم/ثانية). مع ذلك، ونظرًا لأن محرك اللولب الكروي محدود بالسرعة الدورانية الحرجة للولب، فإن السرعات العالية تتطلب خطوة لولبية أقل، مع فائدة ميكانيكية أقل ومحرك ذي قدرة أعلى. وهذا يعني عادةً استبدال المحرك بمحرك ذي قدرة أعلى وجهد ناقل أعلى. على الرغم من شيوع استخدام محركات اللولب الكروي، إلا أنها قد تعاني أيضًا من رد فعل ميكانيكي عكسي، وتراكم اللفات، وأخطاء دورية في الخطوة، والاحتكاك. كما يتم إغفال صلابة الوصلة الميكانيكية التي تربط المحرك بالمحرك اللولبي.

في المحرك المؤازر الخطي، تتلامس القوة الكهرومغناطيسية مباشرةً مع الكتلة المتحركة دون أي اتصال ميكانيكي. لا يوجد تخلف ميكانيكي أو خطأ دوري في زاوية الميل. وتعتمد الدقة كلياً على نظام المحامل ونظام التحكم بالتغذية الراجعة.

تشير الصلابة الديناميكية إلى مدى كفاءة نظام المؤازرة في الحفاظ على موضعه استجابةً لحمل نبضي. وبشكل عام، يوفر عرض النطاق الترددي الأكبر والكسب الأعلى صلابة ديناميكية أكبر. ويمكن قياس ذلك بقسمة الحمل النبضي المقاس على مسافة الانحراف.

الصلابة الديناميكية = ΔF/ΔX

تُؤدي الصلابة العالية والتردد الطبيعي العالي إلى أداء ممتاز للمؤازرة مع أوقات استقرار قصيرة. يستجيب المنزلق بسرعة لتغيرات أوامر الموضع لعدم وجود وصلة ميكانيكية بين المحرك والمنزلق. كما أن عدم وجود "رنين" لولب الكرات يُتيح تحقيق أوقات حركة واستقرار سريعة.

يتكون المحرك الخطي عديم الفرش من مجموعة مغناطيس دائم مثبتة على قاعدة الآلة، ومجموعة ملفات مثبتة على المنزلق. تُترك فجوة حوالي 0.5 مم بين مجموعة الملفات والمغناطيسات. لا يوجد أي تلامس مادي بين المجموعتين.

يحتوي قلب مجموعة الملف المتحرك على سلسلة من الملفات النحاسية المتداخلة والمعزولة. هذه الملفات ملفوفة بدقة ومُصممة للعمل في التيار ثلاثي الأطوار. تُستخدم سلسلة من مستشعرات تأثير هول للتبديل الإلكتروني. يوفر تصميم إلكترونيات التبديل حركةً ذات تموج قوة ضئيل. ولأن التبديل إلكتروني وليس ميكانيكيًا، يتم التخلص من ظاهرة التقوس الكهربائي.

تُتيح هذه الخصائص استخدام محرك سيرفو خطي في التطبيقات التي تتطلب تسارعًا عاليًا (مثل 2.5 م/ث² أو أكثر)، أو سرعة عالية (مثل 2 م/ث أو أكثر)، أو تحكمًا دقيقًا في السرعة، حتى مع السرعات المنخفضة جدًا (مثل بضعة مليمترات/ث). علاوة على ذلك، لا يحتاج هذا المحرك إلى تزييت أو صيانة، ولا يتعرض للتآكل. وكما هو الحال مع أي محرك آخر، يجب ألا تتجاوز القيمة الفعالة للقوة أو التيار المستمر القيم المسموح بها لفترات طويلة، وذلك بسبب تبديد الحرارة.

تتوفر محركات سيرفو خطية بقوة دفع مستمرة تتراوح من 25 نيوتن إلى أكثر من 5000 نيوتن. معظم المحركات الكبيرة مزودة بنظام تبريد هوائي أو مائي. ويمكن توصيل عدة محركات خطية على التوازي أو التوالي للحصول على قوة دفع أعلى.

لعدم وجود وصلة ميكانيكية بين المحرك والمنزلق، لا يوجد تخفيض ميكانيكي كما هو الحال في برغي الكرات. ينتقل الحمل إلى المحرك بنسبة 1:1. في نظام برغي الكرات، يقل عزم القصور الذاتي للحمل على المنزلق المنتقل إلى المحرك بمقدار مربع نسبة التخفيض. هذا يجعل محرك الخطي أقل ملاءمة للتطبيقات ذات التغيرات المتكررة في الحمل، إلا إذا تم اختيار وحدة تحكم قابلة للبرمجة بمجموعات مختلفة من معلمات التحكم في المحرك، بما يتناسب مع الأحمال المختلفة، للحصول على تعويض فعال للمحرك المؤازر.

في العديد من التطبيقات الرأسية، يُعدّ استخدام برغي كروي أسهل وأقل تكلفة، إذ يتطلب المحرك الخطي تزويده بالطاقة باستمرار لموازنة الجاذبية. كما يمكن استخدام مكابح كهروميكانيكية لتثبيت وضعية الطاولة عند انقطاع التيار الكهربائي. مع ذلك، يُمكن استخدام محرك خطي إذا تمّت موازنة وزن المحرك والحمل باستخدام زنبرك أو ثقل موازن أو أسطوانة هوائية.

من حيث التكلفة الأولية، لا يوجد فرق كبير بين محرك خطي ومحرك لولبي كروي يشمل المحرك، والوصلات، والمحامل، ووحدات المحامل، واللولب الكروي. عموماً، يكون المحرك الخطي ذو الفرش أرخص قليلاً من المحرك اللولبي الكروي، بينما تكون النسخ عديمة الفرش أغلى ثمناً في الغالب.

هناك عوامل أخرى يجب أخذها في الاعتبار إلى جانب التكلفة الأولية. فالمقارنة الأكثر واقعية تشمل تكاليف الصيانة والموثوقية والمتانة والاستبدال، بما في ذلك أجور العمال. وهنا، يتفوق المحرك الخطي.

سيتناول الجزء الثاني أنظمة قياس المواقع.