تصميم المسرح والمحرك والمشفر.

يجب أن تعمل مكونات نظام تحديد المواقع عالي الدقة - المحامل، ونظام قياس الموضع، ونظام المحرك والقيادة، ووحدة التحكم - معًا بأفضل شكل ممكن. غطى الجزء الأول قاعدة النظام والمحامل. وغطى الجزء الثاني قياس الموضع. نناقش هنا تصميم المنصة، ووحدة القيادة، والمُشفِّر؛ ومُضخِّم القيادة؛ ووحدات التحكم.

الطرق الثلاث المستخدمة بشكل شائع لتجميع المراحل الخطية عند استخدام المشفرات الخطية:
• يتم وضع المحرك والمشفر في مركز كتلة الشريحة أو بالقرب منهما قدر الإمكان.
• يقع المحرك في مركز الكتلة، ويتم تثبيت المشفر على جانب واحد.
• يقع محرك الأقراص على جانب واحد، والمُشفِّر على الجانب الآخر.

النظام المثالي هو وضع المحرك في مركز كتلة الشريحة مع المُشفِّر. إلا أن هذا الحل غير عملي عادةً. الحل الوسط المعتاد هو وضع المحرك بعيدًا قليلاً عن أحد الجانبين، ووضع المُشفِّر بعيدًا قليلاً عن الجانب الآخر. هذا يُعطي تقريبًا جيدًا لمحرك مركزي مع تغذية راجعة للحركة بجوار نظام الدفع. تُفضَّل المحركات المركزية لأن قوة الدفع لا تُدخل أي متجهات قوة غير مرغوب فيها إلى الشريحة تُسبب الالتواء أو التسليح. ولأن نظام المحامل يُقيِّد الشريحة بإحكام، فإن التسليح سيؤدي إلى زيادة الاحتكاك والتآكل وعدم دقة موضع الحمل.

هناك طريقة بديلة تستخدم نظامًا على شكل جسر مزود بمحركين، أحدهما على كل جانب من جوانب الشريحة. تحاكي قوة الدفع الناتجة محركًا مركزيًا. باستخدام هذه الطريقة، يمكنك تحديد موضع التغذية الراجعة للموضع في المنتصف. إذا تعذر ذلك، يمكنك تحديد موضع وحدات التشفير على كلا الجانبين والتحكم في الطاولة باستخدام برنامج محرك جسر خاص.

مضخم محرك الأقراص
تستقبل مضخمات محرك السيرفو إشارات تحكم، عادةً ±10 فولت تيار مستمر، من وحدة التحكم، وتُزوّد ​​المحرك بجهد التشغيل والتيار الناتج. يوجد عمومًا نوعان من مضخمات القدرة: المضخم الخطي والمضخم المُعدّل بعرض النبضة (PWM).

المضخمات الخطية غير فعّالة، ولذلك تُستخدم بشكل رئيسي في المحركات منخفضة الطاقة. تتمثل القيود الرئيسية على قدرة معالجة طاقة الخرج للمضخم الخطي في الخصائص الحرارية لمرحلة الخرج وخصائص انهيار ترانزستورات الخرج. يُحسب تبديد الطاقة لمرحلة الخرج على أنه حاصل ضرب التيار والجهد عبر ترانزستورات الخرج. على النقيض من ذلك، تتميز مضخمات تعديل عرض النبضة (PWM) بالكفاءة، وتُستخدم عادةً لسعات طاقة تزيد عن 100 واط. تُبدّل هذه المضخمات جهد الخرج عند ترددات تصل إلى 50 ميجاهرتز. يتناسب متوسط ​​قيمة جهد الخرج طرديًا مع جهد التحكم. تكمن ميزة هذا النوع في إمكانية تشغيل الجهد وإيقافه، مما يُؤدي إلى زيادة كبيرة في سعة تبديد الطاقة.

بمجرد اختيار نوع مكبر الصوت، فإن الخطوة التالية هي التأكد من أن مكبر الصوت يمكنه توفير التيار المستمر المطلوب وجهد الإخراج عند المستويات المطلوبة لأقصى سرعة دوران للمحرك (أو السرعة الخطية للمحركات الخطية) للتطبيق.

بالنسبة للمحركات الخطية عديمة الفرش، يُمكن التمييز بين المُضخِّمات. يُستخدم نوعان من تبديلات المحركات بشكل عام: شبه المنحرف وجيبية الشكل. التبديل شبه المنحرف هو نوع رقمي من التبديلات، حيث يتم تشغيل أو إيقاف التيار لكل طور من الأطوار الثلاثة. عادةً ما تقوم مستشعرات تأثير هول المُدمجة في المحرك بذلك. تُفعِّل مغناطيسات خارجية المستشعرات. ومع ذلك، فإن العلاقة بين مستشعرات تأثير هول، وملفات الملف، والمغناطيسات بالغة الأهمية، وتتضمن دائمًا تفاوتًا طفيفًا في الموضع. لذلك، يكون توقيت استجابة المستشعرات دائمًا غير متوافق مع المواضع الحقيقية للملف والمغناطيس. يؤدي هذا إلى اختلاف طفيف في تطبيق التيار على الملفات، مما يؤدي إلى اهتزاز لا مفر منه.

التبديل شبه المنحرف أقل ملاءمةً للمسح الدقيق للغاية وتطبيقات السرعة الثابتة. ومع ذلك، فهو أقل تكلفةً من التبديل الجيبي، لذا يُستخدم على نطاق واسع في الأنظمة عالية السرعة، أو الأنظمة التي لا تؤثر سلاسة الحركة فيها على المعالجة.

في التبديل الجيبي، لا يحدث تبديل بين التشغيل والإيقاف. بل، باستخدام التبديل الإلكتروني، يتم تعديل انزياح طور التيار بمقدار 360 درجة للأطوار الثلاثة بنمط جيبي. ينتج عن ذلك قوة ثابتة ومنتظمة من المحرك. لذا، يُعد التبديل الجيبي مناسبًا تمامًا لرسم خطوط دقيقة وللتطبيقات التي تتطلب سرعة ثابتة دقيقة، مثل المسح الضوئي واستخدامات الرؤية.

وحدات التحكم
هناك فئاتٌ أخرى من وحدات التحكم لا يمكننا مناقشتها بشكلٍ كافٍ هنا. بشكلٍ أساسي، يمكن تقسيم وحدات التحكم إلى عدة فئاتٍ حسب لغة البرمجة ومنطق التحكم.

تستخدم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) نظامًا منطقيًا تسلسليًا. وتُستخدم بشكل رئيسي للتحكم في وظائف الإدخال/الإخراج المتعددة والمتقطعة، على الرغم من أن بعضها يوفر إمكانيات محدودة للتحكم في الحركة.

تُبرمج أنظمة التحكم الرقمي (NC) باستخدام لغة برمجة قياسية في الصناعة، وهي RS274D أو أحد أنواعها. ويمكنها تنفيذ حركات معقدة، مثل الأشكال الكروية واللولبية، باستخدام تحكم متعدد المحاور.

تستخدم الأنظمة غير المتحكمة بالتحكم (NC) مجموعة متنوعة من أنظمة التشغيل الخاصة، بما في ذلك برامج واجهة سهلة الاستخدام لأنماط الحركة الأساسية. تتكون معظم هذه الوحدات من وحدة تحكم أساسية بدون شاشة أو لوحة مفاتيح. تتواصل وحدة التحكم مع جهاز مضيف عبر منفذ RS-232. يمكن أن يكون هذا الجهاز المضيف جهاز كمبيوتر شخصي (PC)، أو جهاز طرفي صامت، أو وحدة اتصالات محمولة باليد.

جميع وحدات التحكم الحديثة تقريبًا رقمية. فهي توفر مستوى من الموثوقية وسهولة الاستخدام لم تكن متوفرة في وحدات التحكم التناظرية. عادةً ما تُستمد معلومات تغذية راجعة السرعة من إشارة موضع المحور. تُضبط جميع معلمات السيرفو عبر برامج بدلاً من ضبط "أوعية" مُضخّم المحرك المُرهِق، والتي تميل إلى الانجراف بعد الاستخدام ومع تغيرات درجة الحرارة. كما توفر معظم وحدات التحكم الحديثة ضبطًا تلقائيًا لجميع معلمات سيرفو المحور.

تتضمن وحدات التحكم الأكثر تقدمًا أيضًا المعالجة الموزعة والتحكم في محاور معالج الإشارة الرقمية (DSP). معالج الإشارة الرقمية هو في جوهره معالج مصمم خصيصًا لإجراء العمليات الحسابية بسرعة فائقة (أسرع بعشر مرات على الأقل من المعالج الدقيق). يوفر هذا أزمنة أخذ عينات من محرك سيرفو تصل إلى 125 مللي ثانية. وتتمثل ميزة هذا التحكم الدقيق في المحور للتحكم في السرعة الثابتة وتشكيل الخطوط بسلاسة.

تُحسّن خوارزمية مرشح التناسب التكاملي التفاضلي (PID) والتغذية الأمامية للسرعة والتسارع التحكم في المحور بواسطة المؤازرة. بالإضافة إلى ذلك، تتحكم برمجة منحنى S لأنماط التسارع والتباطؤ في الاهتزازات التي عادةً ما تصاحب حركة الطاولة عند بدء التشغيل وإيقافه. هذا يُتيح تشغيلًا أكثر سلاسةً وتحكمًا، مما يُؤدي إلى أوقات استقرار أسرع لكلٍّ من الموضع والسرعة.

تتضمن وحدات التحكم أيضًا إمكانيات إدخال/إخراج رقمية أو تناظرية واسعة. يمكن تعديل برنامج المستخدم أو البرنامج الفرعي بناءً على معلومات الموقع أو الوقت أو الحالة، أو قيم المتغيرات، أو العمليات الحسابية، أو أحداث الإدخال/الإخراج الخارجية أو الداخلية، أو انقطاعات الأخطاء. كما يمكن أتمتة عملية المستخدم بسهولة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمعظم وحدات التحكم زيادة دقة تغذية راجعة الموضع من خلال الضرب الإلكتروني. على الرغم من شيوع الضرب بمقدار 4×، إلا أن بعض وحدات التحكم المتقدمة يمكنها الضرب بما يصل إلى 256×. مع أن هذا لا يُحسّن الدقة، إلا أنه يُحسّن استقرار موضع المحور بشكل ملحوظ، والأهم من ذلك في العديد من الاستخدامات، إمكانية التكرار.

في نهجك الشامل، بالإضافة إلى العوامل المذكورة أعلاه، يجب عليك مراعاة عوامل أخرى قد تؤثر على قراراتك بشأن المكونات، مثل الميزانية، والبيئة، ومتوسط ​​العمر المتوقع، وسهولة الصيانة، ومتوسط ​​وقت التعطل (MTBF)، وتفضيلات المستخدم النهائي. يتيح النهج المعياري تجميع النظام من مكونات قياسية متوفرة بسهولة، تلبي حتى أكثر متطلبات التطبيقات تطلبًا، وذلك إذا تم تحليل النظام من البداية إلى النهاية لضمان توافق المكونات بشكل عام.