الحركة المستقيمة والدقيقة ليست بالأمر السهل على الإطلاق.

إن الحركة المستقيمة والدقيقة ليست بالأمر السهل على الإطلاق، وتثبت أجهزة تحديد المواقع الخطية ذلك من خلال الخطأ ليس في بُعد واحد، بل في ثلاثة أبعاد.

عندما تظن أنك أتقنت مفهوم "الحركة الخطية" تمامًا - أي أنك وصلت إلى النقاط المطلوبة على المسار المستقيم - تظهر درجات الحرية الخمس المتبقية لتُفسد عليك الأمر. من منظور عام، صحيح أن العربة الخطية تتحرك بشكل أساسي على طول محور واحد (لنسميه المحور X)، لكن جميع الأجزاء المصممة هندسيًا لا تخلو من العيوب، ومع ازدياد حاجتنا إلى الدقة والضبط، يجب أن يتطور اهتمامنا بالتفاصيل تبعًا لذلك.

لوصف دقة النظام بشكل كامل، يجب علينا مراعاة جميع درجات الحرية الست، وهي الانتقال في المحاور X و Y و Z، والدوران حول نفس المحاور.

مخاوف بشأن مكان الإقامة

بدايةً، دعونا نحدد تعريفًا واضحًا لمعايير تحديد المواقع الرئيسية. على الرغم من أن معظم المهندسين على دراية بمصطلحات الدقة والتكرارية والوضوح، إلا أنها تُستخدم بشكل خاطئ في كثير من الأحيان. تُعد الدقة أصعب هذه المعايير الثلاثة من حيث تحقيقها، تليها التكرارية، وأخيرًا الوضوح. تُشير الدقة إلى مدى اقتراب النظام المتحرك من موقع محدد، وهو موقع دقيق يقع في فضاء XYZ النظري.

من ناحية أخرى، تشير قابلية التكرار أو الدقة إلى الخطأ بين المحاولات المتتالية للانتقال إلى نفس الموقع من اتجاهات عشوائية. قد يكون النظام الخطي القابل للتكرار تمامًا غير دقيق للغاية، إذ قد يتمكن من الوصول باستمرار إلى نفس الموقع، والذي يكون بعيدًا جدًا عن الموقع المطلوب. على سبيل المثال، قد يتمتع لولب قيادة مزود بصامولة تابعة محملة مسبقًا بشكل كبير، ولكن مع خطأ كبير في الخطوة أو "الخطوة الأمامية"، بقابلية تكرار جيدة ودقة ضعيفة. يحافظ التحميل المسبق على ثبات الصامولة في وضعها المحوري، مما يقلل أو يزيل الخلوص ويضمن تحرك الصامولة والحمل باستمرار وفقًا لدوران عمود اللولب. لكن خطأ الخطوة الأمامية يُخل بتوازن العلاقة المقصودة بين الدوران والانتقال، وبالتالي يكون النظام غير دقيق.

الدقة هي أصغر مقدار ممكن للتحرك. على سبيل المثال، إذا كان موضع الأمر يبعد 2 ميكرومتر، بينما دقة النظام 4 ميكرومتر، فلن تتجاوز الدقة 2 ميكرومتر. في هذه الحالة، لا يمتلك النظام الدقة الكافية للتحرك نحو الموضع المطلوب بدقة أكبر.

لكي يكون النظام دقيقًا، يجب أن تكون جميع مكوناته دقيقة وقابلة للتكرار وتوفر دقة كافية. على الرغم من أن النظام قد يوفر دقة جيدة في تحديد الاتجاه الأولي ولكنه ضعيف في التكرار (أي أن النظام يُظهر تشتتًا عشوائيًا حول نقطة التحكم)، إلا أن دقة النظام الإجمالية لا يمكن أن تكون أفضل من قابليته للتكرار.

التدابير الإرشادية

تتكون أجهزة الحركة الخطية من عنصرين أساسيين: دليل خطي وجهاز لتوليد قوة الدفع. يختص الدليل بتقييد الحركة في خمس من درجات الحرية الست المتاحة في الفضاء ثلاثي الأبعاد. لا يسمح الدليل المثالي بأي انتقال على المحورين Y وZ، ولا بأي دوران حول أي من المحاور. أما جهاز الدفع (عادةً ما يكون لولبًا لولبيًا أو لولبًا كرويًا)، فمن المتوقع أن يُنتج حركةً فقط على المحور غير المقيد. من المفيد تقييم دقة هذين العنصرين بشكل منفصل، ثم دمج النتائج لتحديد الدقة الإجمالية.

لنلق نظرة على الدليل أولاً. قد يعاني الدليل الخطي من عدة مصادر للخطأ: الانحناء لأعلى ولأسفل أو من جانب إلى آخر - بعبارة أخرى انحرافات في التسطيح والاستقامة؛ الانحراف الرأسي؛ وعدم الاستمرارية بين الدليل والتابع.

يُعدّ التسطيح والاستقامة من أكثر المشاكل شيوعًا، نظرًا لارتفاع تأثيرهما عادةً. يتحرك الدليل المصنوع بدقة على طول مستوى موازٍ للمستوى XY، وكذلك على طول خط موازٍ للمحور X. خطأ التسطيح هو في جوهره انحراف عن المستوى XY، وقد يشمل انحناءً بسيطًا في اتجاه واحد أو اتجاهين. يُحدث خطأ التسطيح دائمًا إزاحة على طول المحور Z (الرأسي). وبحسب اتجاه الانحناء، قد يتسبب في دوران حول المحور Y، أو دوران حول المحور X (كما في حالة الالتواء ثنائي الأبعاد)، أو كليهما. قد يُحدث الالتواء أيضًا إزاحة طفيفة على طول المحور Y، عمودية على الحركة المطلوبة.

يؤدي خطأ الاستقامة إلى انحراف مسار العربة عن التوازي مع المحور X، وانحرافه في الاتجاه ±Y. إلى جانب الإزاحة على المحور Y، فإنه يُحدث دورانًا حول المحور Z.

الانحراف الرأسي هو تغير منتظم في ارتفاع الدليل الخطي أثناء حركته. قد يعود ذلك إلى عدم دقة تصنيع أسطح التحميل، مما يُحدث حركةً على المحور Z. تُدرج معظم الشركات المصنعة للأدلة مستوى التسطيح أو الانحراف الرأسي، إلى جانب الاستقامة. من الممكن أن يُحدث الدليل الخطي حركةً لحظيةً على المحور Y أو Z دون دوران، ولكن عادةً ما يكون مقدار هذه الحركة ضئيلاً. يميل تابع الدليل الخطي إلى توزيع العيوب على طوله، مما يمنع التحولات المفاجئة العرضية للحركة المطلوبة.

يعتمد تأثير الدوران على الدقة على موقع النقطة المراد قياسها بالنسبة لجهاز تحديد الموضع، والذي قد يكون لولب القيادة نفسه أو مقياسًا خطيًا يُستخدم للتغذية الراجعة. في كلتا الحالتين، يُشكّل موقع الجهاز خط القياس، الموازي لاتجاه الحركة المطلوب. مع ذلك، قد تكون النقطة المراد قياسها، وهي النقطة المستهدفة لنظام الحركة الخطية، منحرفة عن خط القياس. لذا، سيؤدي أي دوران إلى اختلاف أطوال الأقواس عند كل نقطة. وستختلف مسافة الحركة الفعلية عن المسافة المسجلة على المقياس وفقًا لمقدار الدوران والانحراف. كلما زاد الانحراف، زادت أخطاء الإزاحة الناتجة عن الدوران - والمعروفة بخطأ آبي. عند استخدام لولب القيادة نفسه كجهاز مرجعي، يكون خط القياس في المركز. ولكن عادةً ما تُستخدم مشفرات خطية، وتُثبّت على الجانب. قد يؤدي ذلك إلى تفاقم أو تحسين ظروف خطأ آبي، اعتمادًا على موقع النقطة المراد قياسها (فهي لا تكون دائمًا محاذية للعربة ولولب القيادة).

في المقابل، تظل أخطاء الإزاحة البحتة على المحورين Y وZ الناتجة عن الانقطاعات والانحراف الرأسي ثابتة بغض النظر عن نقطة الاهتمام. أما الأخطاء الناتجة عن الدوران فقد تكون مضللة للغاية. وعمومًا، يُعد تقليل الإزاحة أسهل وأقل تكلفة من بناء نظام تحديد المواقع باستخدام أدلة أكثر دقة.

خطأ في القيادة

يمكن توليد قوة الدفع بطرق عديدة. من بين الأجهزة الشائعة عالية الدقة: البراغي اللولبية، والبراغي الكروية، والمحركات الخطية. تُنتج البراغي اللولبية والبراغي الكروية نوعًا محددًا من الخطأ المتأصل في طبيعتها. فمع دوران البرغي، يتحرك التابع على مسار حلزوني محولًا الحركة الدورانية إلى حركة خطية. ولأن زاوية الحلزون لا تكون مثالية أبدًا، فمن المتوقع حدوث نقص أو زيادة في مسافة الحركة. قد يكون هذا الخطأ دوريًا (يُعرف بخطأ 2π) أو منتظمًا (يُقاس كمتوسط ​​خطأ لكل 300 مم من مسافة الحركة). وقد توجد أيضًا ترددات متوسطة للتذبذب أو تغير في مسافة الحركة. يمكن إزالة متوسط ​​الخطأ بسهولة عن طريق تعويض وحدة التحكم. أما الأخطاء المتوسطة والدورية فيصعب إزالتها. يبلغ متوسط ​​الخطأ أو الخطأ المنتظم في برغي دقيق من الفئة C3 حوالي 8 ميكرومتر، وخطأ 2π حوالي 6 ميكرومتر. أما في البراغي الأقل دقة، فلا يُذكر خطأ 2π لأنه ضئيل مقارنةً بمتوسط ​​الخطأ. تم إدراج متوسط ​​خطأ "الخطوة" لجميع براغي التوجيه من فئة تحديد المواقع.

يمكن استخدام لولب رصاصي أو لولب كروي مع مشفر خطي لإعادة إرسال الموضع الفعلي إلى وحدة التحكم. وهذا يُغني عن الحاجة إلى دقة فائقة في شكل لولب البرغي. وبذلك، تُصبح إمكانيات المقياس وضبط حلقة التحكم هي العوامل المحددة للدقة الخطية.

تُنظّم المحركات الخطية الحركة بناءً على بيانات التغذية الراجعة من مُشفّر خطي أو جهاز استشعار مماثل. وتُحدِّد دقة جهاز التغذية الراجعة ووضوحه دقة النظام، وكذلك ضبط النظام، وهو عنصر أساسي في أي تطبيق للمؤازرة. يتم اختيار نطاق ميت للضبط، بحيث تتوقف العربة عن التذبذب بمجرد وصولها إلى موضع ضمن هذا النطاق. يُقلِّل هذا من زمن الاستقرار، ولكنه يُقلِّل أيضًا من قابلية التكرار ووضوح الجهاز. ومع ذلك، نظرًا لعدم وجود عناصر ميكانيكية وسيطة تُسبِّب رد فعل عكسي أو احتكاك أو انحراف في النظام، فإن المحركات الخطية قادرة على تجاوز دقة نظام التشغيل باللولب الرصاصي أو اللولبي الكروي.

مجموع الأجزاء

لتحديد الدقة الإجمالية على طول محور حركة واحد، يجب دمج أخطاء جهاز التوجيه وجهاز الدفع. تُحوّل الأخطاء الدورانية إلى أخطاء انتقالية عند النقطة المراد قياسها. ويمكن بعد ذلك دمج هذا الخطأ مع أخطاء انتقالية أخرى في نفس الاتجاه.

يُحسب خطأ آبي بضرب ظل زاوية التغير الكلي حول محور الدوران في مسافة الإزاحة. في كل دورة، تُؤخذ الإزاحة في المستوى العمودي على محور الدوران. والطريقة الوحيدة للتخلص من خطأ آبي عمليًا هي وضع جهاز التغذية الراجعة عند النقطة المراد قياسها.

بمجرد حساب أخطاء الانتقال للدليل 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 تحلل جهاز حركة خطية أحادي المحور، يمكنك ببساطة مقارنة أخطاء الانتقال لكل اتجاه مع متطلبات تحديد المواقع. إذا كان أي محور به خطأ غير مقبول، يمكنك معالجة مكونات خطأ ذلك المحور واحدًا تلو الآخر.

إذا كان النظام متعدد المحاور، مع عدة مجموعات حركة خطية، فستظل لديك نقطة اهتمام واحدة فقط؛ وهي نفسها لكل محور. المحور الأبعد عن نقطة الاهتمام سيكون الأكثر عرضة لخطأ آبي. يمكن جمع أخطاء الإزاحة من كل مرحلة عند نقطة الاهتمام لتحديد إجمالي خطأ النظام. مع ذلك، يجب مراعاة تعامد المحاور أيضًا. ينتج عن ذلك إزاحة خالصة. في حالة مرحلة XY، على سبيل المثال، سيؤدي انحراف المحور Y بالنسبة للمحور X إلى إزاحة إضافية على المحور X أثناء تحرك المحور Y. يمكن تحديد ذلك باستخدام حساب المثلثات أو بقياس الإزاحة مباشرةً. تذكر، على عكس الدوران، فإن الإزاحات مستقلة عن الإزاحة، أي المسافة إلى نقطة الاهتمام. يمكنك إضافة إزاحة التعامد مباشرةً إلى إجمالي هامش الخطأ.

أخيرًا، ضع في اعتبارك أن مصطلح "الدقة" يُستخدم بشكل فضفاض، وغالبًا ما يُترك مفتوحًا للتأويل. في بعض الأحيان، لا تشمل مواصفات الدقة المذكورة سوى برغي التموضع. هذا النوع من التمثيل غير الدقيق قد يكون مُضللًا. على سبيل المثال، قد يعتقد المصمم أنه يُمكن تحسين دقة النظام عن طريق تقليل متوسط ​​خطأ التقدّم، بينما تكمن المشكلة في الواقع في خطأ آبي. هذا ليس النهج الأمثل. في كثير من الأحيان، يوجد حل هندسي بسيط واقتصادي بمجرد تحديد مصدر الخطأ.