نظام تحديد المواقع عالي الأداء

نظام تحديد المواقع عالي الأداء (HPPS) هو نوع من أنظمة تحديد المواقع يتكون من قطعة من المعدات الكهروميكانيكية (مثل مجموعة من المراحل الخطية والدوارة ) قادرة على تحريك جسم في فضاء ثلاثي الأبعاد ضمن نطاق عمل محدد. يمكن تحديد الموقع من نقطة إلى أخرى أو على طول مسار حركة مطلوب . يُحدد الموقع عادةً بست درجات حرية ، تشمل الحركة الخطية، في نظام إحداثيات ديكارتية ( س، ص، ع) ، والزاوية ( الانحراف، الميل، الدوران). تُستخدم أنظمة تحديد المواقع عالية الأداء في العديد من عمليات التصنيع لتحريك جسم (أداة أو قطعة) بسلاسة ودقة بست درجات حرية، على طول مسار مطلوب، وبالاتجاه المطلوب، مع تسارع عالٍ ، وتباطؤ عالٍ ، وسرعة عالية، وزمن استقرار منخفض . صُمم هذا النظام لإيقاف الحركة بسرعة ووضع الجسم المتحرك بدقة في موضعه واتجاهه النهائي المطلوبين بأقل قدر من الاهتزاز.

يتطلب نظام تحديد المواقع عالي الأداء (HPPS) خصائص هيكلية تتميز بكتلة متحركة منخفضة وصلابة عالية. وتتمثل الخاصية الناتجة للنظام في قيمة عالية لأدنى تردد طبيعي له. يسمح التردد الطبيعي العالي لوحدة التحكم في الحركة بتشغيل النظام بنطاق ترددي عالٍ ، مما يعني أن نظام HPPS قادر على رفض جميع الترددات المزعجة للحركة، والتي تعمل بتردد أقل من نطاق التردد. بالنسبة للاضطرابات ذات الترددات العالية، مثل اهتزاز الأرضية ، والضوضاء الصوتية ، واهتزاز المحرك، وارتجاج المحامل، وخشخشة حامل الكابلات ، قد يستخدم نظام HPPS مواد مركبة هيكلية للتخميد ووحدات عزل لتخفيف الاهتزازات . على عكس الروبوتات المفصلية، التي تحتوي على مفاصل دورانية تربط وصلاتها، تتكون وصلات نظام HPPS عادةً من مفاصل انزلاقية، وهي أكثر صلابة نسبيًا من المفاصل الدورانية. لهذا السبب، يُشار غالبًا إلى أنظمة تحديد المواقع عالية الأداء باسم الروبوتات الكارتيزية .

مثال على تكوين XYZ مخصص مع مراحل محرك خطي لـ XY ومسمار كروي لـ Z

أداء

تستطيع أنظمة HPPS، التي تعمل بمحركات خطية، التحرك بسرعة عالية تصل إلى 3-5 م/ث، وتسارع عالٍ يصل إلى 5-7 g، ودقة تحديد مواقع تصل إلى الميكرون أو أقل من الميكرون، مع أزمنة استقرار في حدود أجزاء من الألف من الثانية، ونطاق ترددي للمؤازر يتراوح بين 30 و50 هرتز. في المقابل، يبلغ النطاق الترددي النموذجي لمشغلات لولب الكرات 10-20 هرتز، بينما يبلغ النطاق الترددي النموذجي للمشغلات التي تعمل بالسيور حوالي 5-10 هرتز. تبلغ قيمة النطاق الترددي لأنظمة HPPS حوالي ثلث أدنى تردد طبيعي في نطاق 90-150 هرتز. يستغرق زمن الاستقرار إلى سرعة ثابتة ±1%، أو تذبذب ±1 ميكرومتر، بعد تسارع أو تباطؤ عالٍ على التوالي، ما يُقدّر بثلاث دورات نطاق ترددي. على سبيل المثال، سيستقر محرك سيرفو بتردد 50 هرتز، وفترة زمنية قدرها 20 مللي ثانية (1/50 × 1000)، عند دقة موضع تبلغ 1 ميكرومتر خلال فترة زمنية تُقدّر بـ 60 مللي ثانية (3 × 20). ويساوي أدنى تردد طبيعي الجذر التربيعي لصلابة النظام مقسومًا على عزم القصور الذاتي المتحرك. ويبلغ صلابة سكة محمل إعادة التدوير الخطية النموذجية، في مرحلة تحديد المواقع عالية الأداء، ما بين 100 و300 نيوتن/ميكرومتر. هذا الأداء مطلوب في معدات معالجة أشباه الموصلات ، وخطوط تجميع الإلكترونيات ، وأدوات الآلات التي يتم التحكم فيها رقميًا ، وآلات قياس الإحداثيات ، والطباعة ثلاثية الأبعاد ، وآلات الالتقاط والوضع ، واختبارات اكتشاف الأدوية ، وغيرها الكثير. في أعلى مستويات أدائها، قد تستخدم أنظمة تحديد المواقع عالية الأداء قاعدة من الجرانيت لتحقيق الاستقرار الحراري والأسطح المستوية، ومحامل هوائية لحركة خالية من الاهتزاز ، ومحركات خطية بدون فرش للتشغيل بدون تلامس أو احتكاك، وقوة عالية، وعزم قصور ذاتي منخفض، ومقياس تداخل ليزري للحصول على تغذية راجعة دقيقة للموضع دون الميكرومتر. من جهة أخرى، يتمتع الروبوت المفصلي النموذجي ذو الست درجات حرية ، والذي يبلغ مداه مترًا واحدًا، بصلابة هيكلية تبلغ حوالي 1 نيوتن/ميكرومتر. ولذلك، يُفضل استخدام الروبوتات المفصلية كمعدات أتمتة في العمليات التي تتطلب دقة تكرار الموضع في حدود مئات الميكرونات، مثل روبوتات اللحام ، وروبوتات الطلاء ، وآلات التعبئة على المنصات ، وغيرها الكثير.

تاريخ

طُوِّرت أنظمة المعالجة عالية الأداء (HPPS) الأصلية في شركة أنوراد (التي تُعرف الآن باسم روكويل أوتوميشن ) في ثمانينيات القرن الماضي، بعد اختراع المحركات الخطية عديمة الفرش على يد مؤسس أنوراد ورئيسها التنفيذي، أنور شيتايات . استُخدمت أنظمة المعالجة عالية الأداء في البداية لعمليات التصنيع عالية الدقة في تطبيقات أشباه الموصلات، مثل شركة أبلايد ماتيريالز ، وشركة أوربوتيك لفحص لوحات الدوائر المطبوعة ، وشركة فورد لأدوات الآلات عالية السرعة . [ 1 ] بالتوازي، توسع استخدام تقنية المحركات الخطية ودمجها في أنظمة المعالجة عالية الأداء في جميع أنحاء العالم. ونتيجة لذلك، قامت شركة سيمنز في عام 1996 بدمج نظام التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC) الخاص بها مع محركات أنوراد الخطية لتشغيل آلة ماسكانت بطول 20 مترًا في شركة بوينغ، وذلك لتصنيع أجنحة الطائرات كيميائيًا . [ 2 ] وفي عام 1997، حصلت شركة فانوك على ترخيص تقنية المحركات الخطية من أنوراد، ودمجتها كحل متكامل مع خط منتجاتها من أنظمة التحكم الرقمي بالحاسوب. [ 3 ] وفي عام 1998، استحوذت شركة روكويل أوتوميشن على شركة أنوراد لمنافسة سيمنز وفانوك في توفير حلول متكاملة للمحركات الخطية لتشغيل أدوات الآلات عالية السرعة في خطوط نقل السيارات . [ 4 ] تُستخدم المحركات الخطية اليوم في مئات الآلاف من أنظمة تحديد المواقع عالية الأداء، والتي تُشغّل عمليات التصنيع حول العالم. ومن المتوقع أن ينمو سوقها، وفقًا لبعض الدراسات، بنسبة 4.4% سنويًا ليصل إلى 1.5 مليار دولار أمريكي في عام 2025. [ 5 ]

نظام تحديد المواقع عالي الأداء - من النوع الجسري

متطلبات النظام

التطبيقات

تحديد

مواصفات النظام (المعيار التقني) هي واجهة رسمية بين متطلبات التطبيق (المشكلة)، كما يصفها المستخدم (العميل) والتصميم (الحل) كما تم تحسينه بواسطة المطور (المورد).

  • القصور الذاتي - يشير إلى مقاومة الحمل المتحرك (الأداة أو القطعة) للتغير الخطي (كجم) والزاوي (كجم·م²) في السرعة. ولتحقيق أقصى تردد طبيعي، يجب أن يكون القصور الذاتي للحمل المتحرك في حده الأدنى.
  • الحجم - يشير إلى القيود الهندسية لعرض النظام (م)، وطوله (م)، وارتفاعه (م)، حسب الحاجة للمناولة والنقل والتركيب.
  • الحركة - تشير إلى وقت دورة العملية (ثانية) وقيود العملية لكل درجة من درجات الحرية ، بما في ذلك أقصى مسافة سفر (متر، راديان)، وأقصى سرعة (متر/ثانية، راديان/ثانية) وأقصى تسارع/تباطؤ (متر/ثانية مربعة، راديان/ثانية مربعة).
  • الدقة - تشير إلى الدقة الخطية والزاوية لقياس الموضع والحركة (ميكرومتر، راديان) بالإضافة إلى قراءة المؤشر الكلية للدقة والضبط لكل درجة من درجات الحرية.
  • الارتعاش - يشير إلى أقصى سعة (ميكرومتر) للاهتزازات عالية التردد المسموح بها في ظروف السكون.
  • السرعة الثابتة - تشير إلى سلاسة الحركة المطلوبة والاختلافات المسموح بها في (+/-  %) السرعة الثابتة المطلوبة (م/ث، راديان/ث) أثناء الحركة.
  • الصلابة - تشير إلى مقاومة تغيير الموضع استجابة للحمل الخارجي (نيوتن/ميكرومتر، نيوتن متر/راديان).
  • يشير العمر الافتراضي إلى الوقت المتوقع (بالساعات) أو المسافة (بالكيلومترات) التي من المتوقع أن تعمل فيها درجة الحرية الأكثر نشاطًا للنظام بشكل موثوق في عملية التشغيل.
  • الموثوقية - متوسط ​​الوقت بين الأعطال (ساعات، دورات) والذي يرتبط غالبًا بمتطلبات تحليل أنماط الأعطال وآثارها وتشخيصها
  • قابلية الصيانة - متوسط ​​وقت الإصلاح (بالساعات)، وغالبًا ما يرتبط ذلك بكتيبات النظام بما في ذلك التشغيل وجدول الصيانة وقائمة قطع الغيار.
  • البيئة - تشير إلى ظروف الاضطراب المتوقعة التي قد يواجهها النظام أثناء التشغيل خلال فترة حياته، بما في ذلك الحرارة والرطوبة والصدمات والاهتزازات والنظافة والإشعاع.

بيئة

  • الحرارة - تشير إلى أعلى وأدنى درجة حرارة (°مئوية) قد يتعرض لها النظام أثناء التشغيل. تؤثر على التشوهات الهيكلية والدقة. قد تتطلب التبريد والعزل واستخدام مواد ذات موصلية حرارية منخفضة.
  • الرطوبة - تشير إلى مستوى بخار الماء في الهواء المحيط (%). قد تشمل الحماية المطلوبة للنظام وفقًا لمعيار IP . قد تتطلب استخدام موانع تسرب واقية.
  • الصدمات (الميكانيكية) والاهتزازات - تشير إلى مستوى اهتزاز الأرضية واضطرابات العمليات الأخرى. قد تتطلب حوامل عزل اهتزازات نشطة أو سلبية ومواد هيكلية ذات تخميد عالٍ. [ 12 ]
  • النظافة - تشير إلى المستوى المسموح به (الحجم والكمية لكل وحدة حجم) للجسيمات في الهواء المحيط. قد يتطلب ذلك تشغيل غرفة نظيفة ، وترشيح الهواء الداخل، وأختام واقية. [ 13 ]
  • الإشعاع - قد يتطلب التداخل الكهرومغناطيسي إدارة الكابلات المحمية، والمواد الهيكلية غير الحديدية، والدروع الواقية لألواح مغناطيس المحرك الخطي.
مثال على نظام تحديد المواقع عالي الأداء مع نموذج محاكاة تحليل النظام

حلول النظام

إعدادات

يتم عادةً تحسين تكوين HPPS لتحقيق أقصى قدر من الصلابة الهيكلية مع أقصى قدر من التخميد وأقل قدر من القصور الذاتي، وأصغر خطأ آبي عند نقطة الاهتمام (POI)، مع الحد الأدنى من المكونات وأقصى قدر من قابلية الصيانة.

تحليل النظم

تحليل النظم هو عملية فهم العلاقات بين معايير التصميم، وظروف التشغيل، والمتغيرات البيئية، وأداء النظام، وذلك بالاعتماد على أدوات نمذجة وتحليل النظم.

تحديد حجم المكونات

تحديد حجم المكونات هو عملية اختيار الأجزاء القياسية من موردي المكونات، أو تصميم جزء مخصص للتصنيع

  • الإطار - عادةً ما يكون مصنوعًا من أنابيب مجوفة ملحومة من الألومنيوم أو الفولاذ، وقد يُملأ بمركب خرساني للتخميد. يُركّب على قواعد تسوية ويُثبّت بالأرضية، وربما بأعمدة مقاومة للزلازل.
  • المشغل
    • قاعدة المنزلق - تستخدم القواعد عالية الدقة الجرانيت لتحقيق التسطيح والاستقرار الحراري. أما المنصات القياسية ذات الدقة المنخفضة فتستخدم الألومنيوم المبثوق. بينما تستخدم المنصات المصممة حسب الطلب عادةً الألومنيوم المضلع أو الفولاذ المقاوم للصدأ المشكل آليًا لتحقيق صلابة عالية مع انخفاض القصور الذاتي.
    • المحامل - تشمل الخيارات محمل الأسطوانة المتقاطعة لحركة قصيرة نسبياً، ومحمل إعادة التدوير لصلابة أعلى وحركة أطول، ومحمل هوائي بقاعدة من الجرانيت لحركة سلسة ودقة أعلى.
    • محرك سيرفو - عادةً ما يكون محركًا كهربائيًا خطيًا بدون فرش يعمل بالتيار المستمر، مُصمم للمحاور الأفقية، ويحتوي على تيار متزامن ثلاثي الأطوار في الملف المتحرك ومجال مغناطيسي في صفائح مغناطيسية ثابتة ذات عزم منخفض. بالنسبة للمحاور الرأسية، يمكن استخدام ثقل موازن. تستخدم المراحل الدوارة جزأين مماثلين: محرك ذو دفع مباشر، يتضمن ملفًا ثابتًا ودوارًا مغناطيسيًا متحركًا.
    • التغذية الراجعة - عادةً ما تكون مشفرات عالية الدقة، بصرية أو مغناطيسية أو ذات آلية التقاط، تناظرية أو رقمية، خطية أو دورانية، مطلقة أو تزايدية، مع علامة فهرسة لتحديد نقطة الصفر. قياس التداخل الليزري للمسافات الطويلة، بدقة دون الميكرون.
    • تشمل خيارات نظام الدفع اللولبي الكروي للقوة العالية، ونظام التروس المسننة والمسننة للمسافات الطويلة، ونظام سير التوقيت للسرعة العالية. أما عيوبها في أنظمة الدفع عالية الضغط فتتمثل في الاحتكاك، والاهتزاز، والارتداد، وانخفاض الصلابة، والصيانة.
  • إدارة الكابلات - لنقل الطاقة والإشارات. تُعدّ هذه النقطة أضعف حلقة في سلسلة موثوقية النظام. يؤدي نصف قطر الانحناء المنخفض إلى زيادة الإجهاد. يتطلب ذلك استخدام حامل كابلات أو كابل شريطي مسطح، مما قد يُسبب اهتزازًا.
  • الملحقات - نقاط توقف صلبة، أقواس تقوية، منفاخ، حوامل امتصاص الصدمات ، مراوح تبريد الهواء ، حدود، انحناءات، مقابض نهاية الروبوت ، كاميرا رؤية آلية وأجهزة استشعار للذكاء الاصطناعي ، والتعلم الآلي ، والمراقبة مثل مقاييس التسارع ، وأجهزة استشعار درجة الحرارة، والجيروسكوبات .
  • محرك سيرفو - يقوم بتضخيم إشارات التحكم في الحركة لتشغيل محركات السيرفو. تتراوح قدرته من منخفضة إلى عشرات الكيلوواط. على سبيل المثال، 40 كيلوواط لتشغيل محرك خطي عالي القوة بقوة 10000 نيوتن يتحرك بسرعة 4 أمتار/ثانية. يتراوح جهد التيار المستمر من 24/48 فولت (وهو جهد آمن) إلى أكثر من 400 فولت. تصل معدلات تحديث حلقة التيار العالية لإشارات المحرك إلى آلاف الهرتز. يُعدّ بروتوكول EtherCAT من أكثر بروتوكولات الاتصال الشبكي شيوعًا مع وحدة التحكم في الحركة .
  • وحدة تحكم الحركة PID - تشمل الخيارات التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC)، أحادي المحور، متعدد المحاور، قائم على الكمبيوتر الشخصي، مستقل أو مدمج مع محرك سيرفو و/أو وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، بما في ذلك الإدخال/الإخراج، والضبط التلقائي، والتشخيص والبرمجة المتاحة من مصادر متعددة. [ 15 ]
  • وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) - طبقة عليا في نظام التحكم الهرمي للتحكم في تسلسل العمليات، يتم توفيرها من قبل العديد من الموردين. [ 16 ]

اختبار النظام

اختبار النظام هو عملية تكرارية لتطوير النظام، تهدف إلى التحقق من صحة نمذجة تحليل النظام، وإثبات المفاهيم، ومعامل الأمان لمواصفات الأداء، واختبار القبول.

  • حركة السفر، والسرعة القصوى، والتسارع الأقصى، والارتجاج - يتم توفيرها عادةً داخل وحدة التحكم في الحركة.
  • الدقة الخطية، والتكرارية، والتسطيح، والاستقامة، والانحراف، والميل - مقياس التداخل الليزري . [ 17 ]
  • الدقة الزاوية، والتكرارية، والانحراف، والتذبذب - جهاز التوجيه الذاتي .
  • زمن الدورة، زمن الاستقرار، الارتعاش، السرعة الثابتة - يتم توفيرها عادةً داخل وحدة التحكم في الحركة.
  • الاستقرار الحراري - تم تركيب مجسات درجة الحرارة في مواقع متعددة لمراقبة انتقال الحرارة.
  • القصور الذاتي، الصلابة - المقاييس، مؤشرات القرص ومقياس القوة .
  • التردد الطبيعي ، عرض نطاق المؤازرة - يتم توفيرها عادةً مع وحدة التحكم في الحركة التي تحتوي على أدوات استجابة التردد . [ 18 ]
  • متوسط ​​الوقت بين الأعطال ، اختبار العمر الافتراضي - التشغيل المتواصل لفترة محددة دون حدوث عطل في ظروف تشغيل قاسية تحت مراقبة مستمرة مع فحص بصري ومستشعري متكرر. [ 19 ]

مراجع

  1. براون، ستيوارت (25 نوفمبر 1996). "العالم الجديد السريع للمحركات المسطحة" (ملف PDF) . مجلة فورتشن (صفحة الغلاف) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 5 يونيو 2020. تم الاطلاع عليه في 9 ديسمبر 2020 .
  2. تشايكوفسكي، ستيفن (سبتمبر 1996). "المحركات الخطية: مستقبل أدوات الآلات عالية الأداء" . قررت شركتا سيمنز وأنوراد كورب أن هناك حاجة إلى معلومات لدعم الدور الرئيسي الذي ستلعبه المحركات الخطية عالية الأداء كمشغل رئيسي لأدوات الآلات.
  3. إيدلبرغ، بواز (أكتوبر 2020). "في ذكرى قائد تكنولوجي عظيم" . لينكد إن.
  4. "شركة روكويل أوتوميشن تستحوذ على شركة أنوراد، وتتوقع توسعاً في مجال المحركات الخطية" . هندسة التحكم . 1 أكتوبر 1998.
  5. "حجم سوق المحركات الخطية 2025" . أخبار اتجاهات السوق من فراكتوفيا. 23 ديسمبر 2020. معدل نمو سنوي مركب 4.4%... 1508.1 مليون دولار أمريكي بحلول عام 2025
  6. "تلتقي السرعة والدقة في آلات الطباعة الحجرية المتقدمة من ASML" . ASML. طاولات رقائق معلقة مغناطيسيًا تتسارع أسرع من طائرة مقاتلة؟.. بدقة تصل إلى 60 بيكومترًا... كل هذا جزء من الآليات المتطورة للغاية في آلات ASML.
  7. "تقنيات منصة فيوجن للأداء والمرونة والإنتاجية" . يونيفرسال إنسترومنتس. مؤرشف من الأصل بتاريخ 30 نوفمبر 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 ديسمبر 2020. نظام تحديد موضع المحرك الخطي VRM، عالي الدقة (دقة 1 ميكرومتر)... تسارع عالٍ - يصل إلى 2.5G
  8. "نتائج دقيقة وقابلة للتكرار مع منصة المسح الضوئي XY من لايكا LMT260" . شركة لايكا مايكروسيستمز. ... تستخدم منصة المسح الضوئي XY ... محركين خطيين لإنتاج نتائج دقيقة وقابلة للتكرار مع المجاهر المجسمة.
  9. "القطع الكهربائي السلكي: تشغيل فائق الدقة وتشطيب سطحي مثالي لعمليات الأسلاك الصغيرة/الدقيقة" . ماكينو. ... تحقيق دقة تصل إلى مستوى دون الميكرون ... باستخدام تقنية التوجيه الهوائي الساكن وحركة المحرك الخطي في هذه الآلات.
  10. "آلة قياس متطورة لتحقيق أقصى دقة" . زايس. ... محركات خطية على جميع المحاور. المزايا: سرعات عالية، تسارع فائق السرعة، دقة عالية في تحديد المواقع، ومحركات خالية من قوى القص.
  11. «فيديو جديد يوضح طفرة في تصميم أتمتة المختبرات» . هايدنهاين. 5 فبراير 2019. تحقيق الإنتاجية العالية والدقة الاستثنائية اللازمة لأتمتة المختبرات
  12. " تنزيل MIL-STD-810H " . IEST . 31 يناير 2019.
  13. "تصميم الآلات للغرف النظيفة" . تكنولوجيا الغرف النظيفة . 6 أكتوبر 2004.
  14. "موردو المنزلقات الخطية والمنصات الخطية" . GlobalSpec Engineering 360. 484 موردًا للمنزلقات الخطية والمنصات الخطية
  15. "التحكم بالحركة عبر الإنترنت" . جمعية التحكم بالحركة والمحركات (MCMA). الشركات المصنعة لأنظمة التحكم بالحركة، والمحركات، والبرمجيات، أو المنتجات والمعدات ذات الصلة.
  16. موردو وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) . GlobalSpec Engineering 360. اعثر على 656 موردًا لوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مع Engineering360.
  17. "نظام الليزر XL-80" . يوفر مقياس التداخل الليزري XL-80 من رينيشو أعلى مستويات الأداء في القياس والمعايرة لأنظمة الحركة، بما في ذلك آلات قياس الإحداثيات ثلاثية الأبعاد وأدوات الآلات.
  18. محلل وظيفة استجابة التردد . نظام التحكم في الحركة ACS . زيادة الإنتاجية من خلال تحليل التردد الكهروميكانيكي والتحسين.
  19. كينسلر، جينيفر (21 مارس 2014). "تخطيط اختبار الموثوقية لأفضل الممارسات لمتوسط ​​الوقت بين الأعطال" (ملف PDF) . تقرير مركز التميز لاختبار وتقييم STAT رقم 09-2013. الهدف هو المساعدة في تطوير استراتيجيات اختبار صارمة وقابلة للدفاع عنها لتقييم أداء النظام وتوصيفه بشكل أكثر فعالية، وتوفير معلومات تقلل المخاطر.

للمزيد من القراءة

  • سلوكوم، ألكسندر (1992). تصميم الآلات الدقيقة . جمعية التصنيع. ص  750. ISBN 0872634922أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 22 سبتمبر 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 ديسمبر 2020 .