تتطلب الصناعات الإلكترونية والبصرية والحاسوبية والتفتيش 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 المكونات التي يتكون منها النظام - المحامل، ونظام قياس الموضع، ونظام المحرك والقيادة، ووحدة التحكم - معًا بأفضل ما يمكن لتلبية معايير التطبيق.

القاعدة والمحمل

لتحديد التكوين الأمثل للنظام، يجب أولاً مراعاة الجزء الميكانيكي منه. بالنسبة للمراحل الخطية، إليك أربعة خيارات شائعة لتصميم القاعدة والمحمل:
• قاعدة من الألومنيوم وشريحة مع مسارات محمل كروي.
• قاعدة من الألومنيوم أو الفولاذ وجانب من الألومنيوم أو الفولاذ مع أربع كتل محملة بأسطوانات دائرية على قضبان فولاذية.
• قاعدة من الحديد الزهر الميهانيت وشريحة مع مسارات محمل أسطواني متكاملة.
• أدلة الجرانيت مع شريحة الجرانيت أو الحديد الزهر ومحامل الهواء.

الألومنيوم أخف وزنًا من الميهانيت أو الفولاذ، ولكنه أقل صلابةً وثباتًا، وأقل تحملًا للصدمات، وأقل مقاومةً للإجهاد. علاوةً على ذلك، يتميز الألومنيوم بحساسية أكبر لتغيرات درجة الحرارة. أما الحديد الزهر، فهو أكثر صلابةً بنسبة 150% من الألومنيوم، وأفضل بنسبة 300% في امتصاص الاهتزازات. الفولاذ متين وأقوى من الحديد. ومع ذلك، فإنه يتعرض لرنين طويل الأمد، مما يؤثر سلبًا على سرعة الحركة والاستقرار.

توفر أدلة الجرانيت المزودة بمحامل هوائية التركيبة الأكثر صلابة ومتانة. يمكن تلميع الجرانيت للحصول على استقامة وسطح أملس في نطاق دون الميكرون. عيب طاولة الجرانيت هو أنها، بسبب كتلة الجرانيت، تتسع لمساحة أكبر وتزن أكثر من نظام تحديد المواقع المصنوع من الفولاذ أو الحديد. ومع ذلك، نظرًا لعدم وجود تلامس بين المحامل وأسطح أدلة الجرانيت، لا يحدث تآكل، كما أن محامل الهواء ذاتية التنظيف إلى حد كبير. كما يتميز الجرانيت بخصائص ممتازة في تخميد الاهتزازات والاستقرار الحراري.

بالإضافة إلى ذلك، يُعد تصميم الطاولة بحد ذاته عاملًا مهمًا في أدائها العام. تتوفر الطاولات بأشكال متنوعة، بدءًا من الوحدات المُثبتة بمسامير متعددة الأجزاء، وصولًا إلى القواعد والشرائح المصبوبة البسيطة. يوفر استخدام مادة واحدة في جميع أنحاء الطاولة استجابةً أكثر اتساقًا لتغيرات درجة الحرارة، مما يؤدي إلى نظام أكثر دقة. كما توفر ميزات مثل التضليع خاصية التخميد، مما يُمكّن من الاستقرار السريع.

تتمتع الطرق المتكاملة بميزة على الطرق الملحقة حيث أنه حتى بعد مرور فترة طويلة، لا يلزم إجراء أي تعديل للطرق من أجل التحميل المسبق.

تتميز محامل الأسطوانات المتقاطعة بتلامس خطي بين الأسطوانة ومسارها، بينما تتميز محامل الكرات بتلامس نقطي بين الكرة ومسارها. هذا يُنتج عمومًا حركة أكثر سلاسة للمحامل الأسطوانية. كما أن التشوه السطحي (والتآكل) أقل على سطح التدحرج، ومساحة التلامس أكبر، مما يُتيح توزيع الحمل بالتساوي. الأحمال القياسية التي تتراوح بين 4.5 و14 كجم/أسطوانة، بالإضافة إلى صلابة ميكانيكية عالية تتراوح بين 150 و300 نيوتن/ميكرون. تشمل عيوبها الاحتكاك الكامن الناتج عن التلامس الخطي.

مع ذلك، فإن مساحة التلامس الصغيرة التي تحد من احتكاك المحمل الكروي تحد أيضًا من قدرته على التحمل. تتميز المحامل الأسطوانية عمومًا بعمر افتراضي أطول من المحامل الكروية، إلا أن تكلفتها أعلى.

تشتمل أحجام الطاولات القياسية لأحد المصنعين على طول يتراوح من 25 إلى 1800 ملم وعرض شريحة يتراوح من 100 إلى 600 ملم.

يتكون تصميم المحامل الهوائية من محامل رفع وتوجيه مُحمّلة مسبقًا بمحامل هوائية مُعاكسة أو بمغناطيسات أرضية نادرة عالية القوة مُدمجة في عناصر التوجيه. هذا التصميم غير التلامسي يُجنّب الاحتكاك الناتج عن تصاميم المحامل الأخرى. كما أن المحامل الهوائية لا تُعاني من التآكل الميكانيكي. علاوة على ذلك، يُمكن وضع المحامل الهوائية على مسافات مُتباعدة. وبالتالي، يتم حساب متوسط ​​الأخطاء الهندسية الناتجة، مما يُنتج انحرافات زاوية أقل من ثانية واحدة للقوس، واستقامة أفضل من 0.25 ميكرون على 200 مم.

يصعب تحديد القيم الرقمية، فهي تعتمد على عوامل عديدة. على سبيل المثال، لا تعتمد دقة تحديد المواقع على المحامل أو الأدلة فحسب، بل تعتمد أيضًا على نظام قياس المواقع ووحدة التحكم. لا يعتمد الاحتكاك في نظام تحديد المواقع على نظام التشغيل المختار فحسب، بل يعتمد أيضًا على ضبط المحامل، وإحكام إغلاق الطاولة، والتزييت، وما إلى ذلك. لذلك، تعتمد القيم الدقيقة التي يمكن الوصول إليها بشكل كبير على تركيبة جميع المكونات، والتي بدورها تعتمد على التطبيق.

نظام القيادة

من بين العديد من أنواع أنظمة القيادة - الحزام، والترس والجناح، والمسمار الرصاصي، والمسمار الكروي الأرضي الدقيق، والمحرك الخطي - يتم أخذ النوعين الأخيرين فقط في الاعتبار بالنسبة لمعظم أنظمة تحديد المواقع عالية الدقة.

تتوفر محركات اللولب الكروي بمجموعة متنوعة من خصائص الدقة والصلابة، ويمكنها توفير سرعات عالية (أكثر من 250 مم/ثانية). ومع ذلك، نظرًا لأن محرك اللولب الكروي محدود بالسرعة الدورانية الحرجة للبرغي، فإن السرعة العالية تتطلب خطوة أقل، مع ميزة ميكانيكية أقل ومحرك أعلى قدرة. هذا يعني عادةً الانتقال إلى محرك ذي قدرة أعلى وجهد ناقل أعلى. على الرغم من انتشار محركات اللولب الكروي، إلا أنها قد تعاني أيضًا من رد فعل عكسي ميكانيكي، ولفّ، وأخطاء دورية في الخطوة، واحتكاك. كما يُغفل أيضًا صلابة الوصلة الميكانيكية التي تربط المحرك بالمحرك.

في محرك السيرفو الخطي، تتفاعل القوة الكهرومغناطيسية مباشرةً مع الكتلة المتحركة دون أي اتصال ميكانيكي. لا يوجد أي تباطؤ ميكانيكي أو خطأ دوري في درجة الانحدار. تعتمد الدقة كليًا على نظام المحامل ونظام التحكم بالتغذية الراجعة.

تشير الصلابة الديناميكية إلى مدى قدرة نظام المؤازرة على الحفاظ على موضعه استجابةً لحمل نبضي. بشكل عام، يُوفر عرض النطاق الترددي الأكبر والكسب الأعلى صلابة ديناميكية أكبر. يمكن قياس ذلك بقسمة حمل النبض المُقاس على مسافة الانحراف:

الصلابة الديناميكية = ΔF/ΔX

تُنتج الصلابة العالية والتردد الطبيعي العالي أداءً ممتازًا للمحرك المؤازر مع أوقات استقرار قصيرة. يستجيب المنزلق بسرعة لأوامر تغيير الوضع نظرًا لعدم وجود رابط ميكانيكي بين المحرك والمنزلق. كما أنه بفضل عدم وجود "رنين" للبرغي الكروي، يمكن تحقيق أوقات حركة واستقرار سريعة.

يتكون المحرك الخطي عديم الفرش من مجموعة مغناطيس دائم مثبتة بقاعدة الآلة، ومجموعة ملف مثبتة بالشريحة. تُترك مسافة حوالي 0.5 مم بين مجموعة الملف والمغناطيس. 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 ثلاثي الطور. تُستخدم سلسلة من مستشعرات تأثير هول للتبديل الإلكتروني. يوفر تصميم إلكترونيات التبديل حركةً ذات تموج ضئيل للقوة. ولأن التبديل إلكتروني وليس ميكانيكيًا، يتم التخلص من قوس التبديل.

هذه الخصائص تجعل محرك السيرفو الخطي مفيدًا في التطبيقات التي تتطلب تسارعًا عاليًا (مثل 2.5 متر/ثانية مربعة أو أكثر)، أو سرعة عالية (مثل 2 متر/ثانية أو أكثر)، أو تحكمًا دقيقًا في السرعة، حتى مع السرعات المنخفضة جدًا (مثل بضعة مليمترات/ثانية). علاوة على ذلك، لا يحتاج هذا المحرك إلى تزييت أو صيانة أخرى، ولا يتعرض للتآكل. وكما هو الحال مع أي محرك آخر، نظرًا لتبديد الحرارة، يجب ألا تتجاوز القيمة التربيعية المتوسطة للقوة أو التيار المستمر القيم المسموح بها لفترات طويلة.

يمكنك الحصول على محركات سيرفو خطية بقوى دفع مستمرة تتراوح بين 25 و5000 نيوتن. معظم المحركات الأكبر حجمًا مزودة بتبريد هوائي أو مائي. يمكن توصيل عدة محركات خطية على التوازي أو التسلسل للحصول على قوى دفع أعلى.

نظرًا لعدم وجود رابط ميكانيكي بين المحرك والشريحة، لا يوجد تخفيض ميكانيكي كما هو الحال في اللولب الكروي. ينتقل الحمل بنسبة 1:1 إلى المحرك. في محرك اللولب الكروي، ينخفض ​​عزم الحمل على الشريحة إلى المحرك بمقدار مربع نسبة التخفيض. هذا يجعل محرك المحرك الخطي أقل ملاءمة للتطبيقات ذات التغيرات المتكررة في الحمل، إلا إذا اخترت وحدة تحكم يمكن برمجتها بمجموعات مختلفة من معلمات التحكم في المحرك تتوافق مع أحمال مختلفة للحصول على تعويض فعال للسيرفو.

في العديد من التطبيقات الرأسية، يُعدّ استخدام لولب الكرة أسهل وأكثر فعالية من حيث التكلفة، إذ يجب تشغيل المحرك الخطي باستمرار لموازنة الجاذبية. كما يُمكن لفرامل كهروميكانيكية تثبيت موضع الطاولة عند انقطاع التيار الكهربائي. مع ذلك، يُمكنك استخدام محرك خطي إذا موازنة المحرك ووزن الحمل باستخدام زنبرك أو ثقل موازن أو أسطوانة هوائية.

من حيث التكلفة الأولية، لا يوجد فرق كبير بين محرك خطي ومحرك لولبي كروي، حيث يتضمن المحرك، والوصلات، والمحامل، وكتل المحامل، واللولب الكروي. بشكل عام، يكون المحرك الخطي ذو الفرشاة أرخص قليلاً من محرك اللولب الكروي، بينما تكون الإصدارات الخالية من الفرشاة أغلى قليلاً.

هناك أمور أخرى يجب مراعاتها بخلاف التكلفة الأولية. تتضمن المقارنة الأكثر واقعية تكاليف الصيانة، والموثوقية، والمتانة، وتكاليف الاستبدال، بما في ذلك تكاليف العمالة. هنا، يُظهر المحرك الخطي أداءً جيدًا.

الجزء الثاني سوف يتناول أنظمة قياس الموضع.