كيفية تصنيع الجيروسكوب

تعريف الجيروسكوب:

يشبه الجيروسكوب قمة معقدة مصنوعة من المعدن المشكل بدقة، وهو عبارة عن عجلة دوارة يمكن أن توضع ضمن إطارين دائريين أو أكثر من ذلك، كل منها موجه على طول خط أو محور مختلف، يمكن إمالة الإطار بأي زاوية وستحافظ العجلة طالما أنها تدور على موضعها أو اتجاهها.

كما انه لا يمكن اعتبار الجيروسكوب مجرد مادة وغير مفيدة، بل هو جزء من العديد من الأدوات العلمية والمتعلقة بالنقل وتشمل هذه البوصلة والآليات التي توجه الطوربيدات نحو أهدافها والمعدات التي تحافظ على السفن الكبيرة مثل حاملات الطائرات من التدحرج على الأمواج والطيارين الآليين على الطائرات والسفن والأنظمة التي توجه الصواريخ والمركبات الفضائية بالنسبة للأرض.

إلى جانب ذلك فقد يتكون الجيروسكوب من عجلة مركزية أو دوار مركب في إطار من الحلقات، وهي عبارة عن أجهزة تدعم عجلة أو بنية أخرى، ولكنها تسمح لها بالتحرك بحرية، كما أنّ الحلقات نفسها مدعومة على محور في أحد طرفيها، والذي بدوره يمكن تركيبه على قاعدة أو داخل أداة، حيث تسمى خاصية محور الدوار للإشارة إلى اتجاهه الأصلي في الفضاء بالقصور الذاتي الجيروسكوبي.

مفهوم القصور الذاتي:

إلى جانب ذلك فإن القصور الذاتي هو ببساطة خاصية لجسم متحرك لمواصلة الحركة حتى يتم إيقافه، حيث يؤدي الاحتكاك مع الهواء في النهاية إلى إبطاء عجلة الجيروسكوب وبالتالي يتلاشى زخمها، ثم يبدأ المحور في التذبذب؛ للحفاظ على القصور الذاتي يجب أن يدور الجيروسكوب بسرعة عالية، لم يجد المصنعون استخدام للجيروسكوب إلا في أوائل القرن العشرين، فالاتجاه المستقر للجيروسكوب يمكن استخدامه في البوصلة الجيروسكوبية.

أثناء التطوير المكثف لأنظمة الصواريخ والقنابل الطائرة قبل وأثناء الحرب العالمية الثانية، تم إقران الجيروسكوبات ذات الإطارين بأدوات ثلاثية الإطارات لتصحيح حركات اللف والنغمة ولتوفير التوجيه التلقائي على التوالي، حيث استخدم الألمان هذا المزيج في القنبلة الطائرة (V-1) والصاروخ (V-2) والطائرة بدون طيار، يعتبر (V-2) صاروخ باليستي مبكر، تستخدم المركبة الفضائية المدارية منصة صغيرة مثبتة جيروسكوب لأنظمة الملاحة الخاصة بها.

كما تم تطبيق خاصية الجيروسكوبات للحفاظ على ثباتها وتحديد الاتجاه بدرجة عالية جداً من الدقة على مناظير البنادق والقنابل ومنصات السفن التي تدعم المدافع والرادار، كما تم تحسين العديد من هذه الآليات بشكل كبير خلال الحرب العالمية الثانية.

مواد أولية لصناعة الجيروسكوب:

يمكن أن تتراوح المواد المستخدمة في تصنيع الجيروسكوب من بسيطة نسبياً إلى شديدة التعقيد، وذلك بالاعتماد على التصميم والغرض من الجيروسكو، حيث إن بعضها مصنوع بدقة أكثر من أفضل الساعات وقد تدور على محامل كروية صغيرة أو بقع مصقولة من الأحجار الكريمة أو أغشية رقيقة من الهواء أو الغاز، كما يعمل بعضها بالكامل في فراغ معلق بتيار كهربائي بحيث لا تلمس شيء ولا يحدث أي احتكاك.

يحتوي الجيروسكوب المزود بمحرك كهربائي ومحور معدني على أربع مجموعات أساسية من المكونات، هذه هي المحرك والمكونات الكهربائية وبطاقات الدوائر الإلكترونية للتشغيل المبرمج، حيث تشتري معظم الشركات المصنعة المحركات والمكونات الكهربائية والإلكترونية من مقاولين من الباطن، وقد تكون هذه عناصر مخزون أو قد يتم تصنيعها وفقاً لمجموعة من المواصفات المقدمة إلى المورد من قبل صانع الجيروسكوب.

وعادة ما يقوم مصنعو الجيروسكوب بتجهيز المحاور الخاصة بهم، حيث يعتبر الألمنيوم معدن مفضل نظراً لخصائص تمدده وقوته، ولكن الجيروسكوبات الأكثر تطور مصنوعة من التيتانيوم يتم شراء المعادن بكميات كبيرة كمخزون قضبان وتشكيله آلياً.

وباستخدام الجوانب الكهربائية والميكانيكية للنظرية الجيروسكوبية كمرشدين لهم، إذ يختار المصنعون تصميم للعجلات واختيار مخزون معدني مناسب للتصميم، كما تعتبر تصميمات العديد من استخدامات الجيروسكوبات قياسية إلى حد ما؛ أي أن إعادة تصميم خط جديد هي مسألة تكييف تصميم موجود لاستخدام جديد بدلاً من إنشاء منتج جديد من البداية الأساسية.

كيفية تصنيع الجيروسكوب:

يتم تشكيل إطارات (gimbal) من مخزون قضبان الألومنيوم باستخدام مثال على الجيروسكوب، فقد تم تطويرها كجزء من عملية التصميم ويتم صقلها وتنظيفها وتخزينها في صناديق حتى التجميع، كما يتم نقل الصناديق إلى المواقع المناسبة على طول خط التجميع، حيث يتم تصنيع الجيروسكوبات في عملية خط تجميع مباشرة، والتي تؤكد على أهمية العمل باللمس على الأتمتة.

يتم تجميع الجيروسكوبات من الداخل إلى الخارج، إذ أن المحرك هو قلب الجيروسكوب ويتم تثبيته أولاً، تتم مزامنة محرك جيروسكوب نموذجي ليدور بسرعة 24000 دورة في الدقيقة، يجب أن تكون متزامنة تماماً، وعادة ما يتم اختبار المحرك قبل التجميع، كما يتم إضافة التوصيلات الكهربائية إلى المحرك، ويتم تجميع المحاور والإطارات بعد ذلك بدءاً من الحامل الداخلي وتنتهي بالإطار الخارجي.

يعتبر الجيروسكوب مثال لتطبيق مبادئ الفيزياء البسيطة نظراً لكونها بسيطة، فإنّ الشركات المصنعة تحرس عن كثب أي تقنيات احتكارية، ونظراً لأنّ الجيروسكوب عبارة عن جهاز بسيط له استخدامات واسعة النطاق، فإنّ البعض يتطلب المزيد من عمليات التصنيع، حيث تستغرق خطوات التصنيع حوالي 10 ساعات، وقد يتطلب الجيروسكوب الأكثر غرابة 40 ساعة من وقت التجميع.

تعد مراقبة الجودة أمر ضروري خلال عمليات التصميم والتجميع في تصنيع الجيروسكوبات؛ وذلك لأن الأدوات جزء من الطائرات المأهولة والصواريخ غير المأهولة وأجهزة النقل والأسلحة الأخرى التي يمكن أن تسبب كوارث إذا فشلت، يتمتع المصنعون والعلماء والمصممين بمستوى عالي من التعليم والتدريب قبل تعيينهم وأثناء عملهم، حيث يجب أن يجتاز عمال خط التجميع التدريب الأولي ليتم تعيينهم، وقد حددوا بانتظام جلسات تدريبية مستمرة.

يمكن قياس العديد من معايير الجودة التي يجب الوفاء بها في تصنيع الجيروسكوب، لذلك يتم إجراء الفحص أثناء العملية طوال فترة التصنيع، كما يتم تنفيذ مراقبة الجودة على أعلى مستوى من قبل مفتشين من خارج الشركة وتشمل مفتشين حكوميين، حيث يقوم العملاء بإجراء عمليات الفحص واختبار القبول الخاصة بهم، إذا فشل منتج الشركة المصنعة في اختبارات العملاء، كما يتم إرجاع الجيروسكوبات الفاشلة.

المنتجات الثانوية / النفايات:

لا ينتج مصنعو الجيروسكوب منتجات ثانوية، ولكنهم يميلون إلى صنع خطوط كاملة من الجيروسكوبات لمجموعة متنوعة من التطبيقات، كما أنها لا تنتج الكثير من النفايات، حيث ينتج عن تصنيع المحاور والحلقات بعض رقائق الألمنيوم، ولكن يتم جمعها وإعادتها إلى مورد الألمنيوم لإعادة تدويرها في المستقبل.

يقوم العديد من المصنعون بمراعاة تفويضات إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) للضوء والتهوية وبيئة العمل (مقاعد مريحة ومقاعد عمل تقلل من احتمالية إصابات الإجهاد المتكررة)، حيث يجب الحفاظ على الرطوبة في المصنع لمنع تفريغ الكهرباء الساكنة، مطلوب كميات قليلة من مذيبات التنظيف، ولكن يتم استخدام المنظفات التي تحتوي على الحمضيات والتي تكون حميدة (غير ضارة).