مراحل المحرك الخطي الكاملة - بما في ذلك اللوحة الأساسية، والمحرك الخطي، والموجهات الخطية، والمشفر، وأدوات التحكم.

شهدت محركات السيرفو الخطية ذات الدفع المباشر زيادة ملحوظة في الاستخدام خلال السنوات القليلة الماضية، ويعود ذلك جزئيًا إلى مطالب المستخدمين النهائيين بزيادة الإنتاجية وتحسين الدقة. ورغم أن المحركات الخطية تُعرف غالبًا بقدرتها على توفير مزيج من السرعات العالية، والأشواط الطويلة، ودقة تحديد المواقع الممتازة، وهو ما لا توفره آليات الدفع الأخرى، إلا أنها قادرة أيضًا على تحقيق حركة بطيئة وسلسة ودقيقة للغاية. في الواقع، توفر تقنية المحركات الخطية نطاقًا واسعًا من القدرات - قوة الدفع، والسرعة، والتسارع، ودقة تحديد المواقع، وقابلية التكرار - لدرجة أن هناك تطبيقات قليلة لا تُعدّ المحركات الخطية حلاً مناسبًا لها.

تشمل أنواع المحركات الخطية محركات السيرفو الخطية، ومحركات السائر الخطية، ومحركات الحث الخطية، ومحركات أنبوب الدفع الخطية. عندما يكون محرك السيرفو الخطي هو الخيار الأمثل لتطبيق معين، فإليك ثلاثة أمور يجب مراعاتها عند اختيار المحرك الأولي.

الاعتبار "الأساسي": نواة من الحديد أو خالية من الحديد؟
تتوفر محركات السيرفو الخطية ذات الدفع المباشر بنوعين رئيسيين: ذات قلب حديدي أو بدون حديد، وذلك بناءً على ما إذا كانت لفات الجزء الأساسي (مثل الجزء الثابت في المحرك الدوار) مُركّبة في كومة من صفائح الحديد أو في مادة الإيبوكسي. عادةً ما يكون تحديد ما إذا كان التطبيق يتطلب محركًا خطيًا ذو قلب حديدي أو بدون حديد هو الخطوة الأولى في التصميم والاختيار.

المحركات الخطية ذات القلب الحديدي هي الأنسب للتطبيقات التي تتطلب قوى دفع عالية جدًا. ويرجع ذلك إلى احتواء طبقة الجزء الأساسي على أسنان (نتوءات) تُركز التدفق الكهرومغناطيسي نحو مغناطيسات الجزء الثانوي (كما هو الحال في الدوار في المحرك الدوار). هذا التجاذب المغناطيسي بين الحديد في الجزء الأساسي والمغناطيسات الدائمة في الجزء الثانوي يُمكّن المحرك من توليد قوى دفع عالية.

تتميز المحركات الخطية الخالية من الحديد عادةً بقدرات دفع أقل، لذا فهي غير مناسبة لمتطلبات الدفع العالية جدًا في تطبيقات مثل الضغط والتشغيل الآلي والقولبة. لكنها تتميز بسرعات عالية في التجميع والنقل.

الجانب السلبي لتصميم القلب الحديدي هو الترس، مما يُضعف سلاسة الحركة. يحدث الترس لأن التصميم المُشقوق للجزء الأساسي يُعطيه مواقع "مُفضلة" أثناء حركته على طول مغناطيسات الجزء الثانوي. وللتغلب على ميل الجزء الأساسي للتوافق مع مغناطيسات الجزء الثانوي، يتعين على المحرك إنتاج قوة أكبر، مما يُسبب تموجًا في السرعة - يُسمى الترس. يُضعف هذا التباين في القوة وتموج السرعة سلاسة الحركة، وهو ما قد يُمثل مشكلة كبيرة في التطبيقات التي تُعتبر فيها جودة الحركة أثناء الحركة (وليس فقط دقة تحديد الموقع النهائي) مهمة.

هناك العديد من الطرق التي يستخدمها المصنعون لتقليل الترس. ومن الأساليب الشائعة تغيير موضع المغناطيسات (أو الأسنان)، مما يُؤدي إلى انتقالات أكثر سلاسةً مع مرور الأسنان اللبنية عبر المغناطيسات الثانوية. ويمكن تحقيق تأثير مماثل بتغيير شكل المغناطيسات إلى شكل مثمن ممدود.

هناك طريقة أخرى لتقليل الترس تُعرف باللف الجزئي. في هذا التصميم، يحتوي الملف الأساسي على أسنان تصفيح أكثر من عدد المغناطيسات في الملف الثانوي، وتتميز مجموعة التصفيح بشكل خاص. يعمل هذان التعديلان معًا على إلغاء قوى الترس. وبالطبع، تُقدم البرمجيات دائمًا حلاً. تسمح خوارزميات منع الترس لمحركات السيرفو ووحدات التحكم بضبط التيار المُزود للملف الأساسي لتقليل التغيرات في القوة والسرعة إلى أدنى حد.

لا تعاني المحركات الخطية الخالية من الحديد من الترس، لأن ملفاتها الأساسية مُغلَّفة بالإيبوكسي، بدلاً من لفها حول صفيحة فولاذية. كما تتميز محركات السيرفو الخطية الخالية من الحديد بكتلة أقل (الإيبوكسي أخف وزناً، وإن كان أقل صلابة، من الفولاذ)، مما يسمح لها بتحقيق أعلى قيم تسارع وتباطؤ وسرعة قصوى موجودة في الأنظمة الكهروميكانيكية. عادةً ما تكون أزمنة الاستقرار أفضل (أقل) للمحركات الخالية من الحديد مقارنةً بالإصدارات ذات النواة الحديدية. كما أن نقص الفولاذ في الملف الأساسي، وما يرتبط به من نقص في الترس أو تموج السرعة، يعني أن المحركات الخطية الخالية من الحديد يمكنها توفير حركة بطيئة وثابتة للغاية، عادةً مع اختلاف في السرعة أقل من 0.01%.

ما هو مستوى التكامل؟
كما هو الحال مع المحركات الدوارة، تُعدّ محركات السيرفو الخطية جزءًا واحدًا فقط من نظام الحركة. يتطلب نظام المحرك الخطي الكامل أيضًا محامل لدعم وتوجيه الحمل، وإدارة الكابلات، وتغذية راجعة (عادةً ما تكون مُشفّرًا خطيًا)، ومحرك سيرفو ووحدة تحكم. يمكن لمصنعي المعدات الأصلية (OEMs) ومصنعي الآلات ذوي الخبرة العالية، أو أولئك الذين لديهم متطلبات تصميم أو أداء فريدة، بناء نظام كامل بإمكانيات داخلية ومكونات جاهزة من مختلف الشركات المصنعة.

يمكن القول إن تصميم أنظمة المحركات الخطية أبسط من تصميم الأنظمة القائمة على الأحزمة، أو الرف والترس، أو البراغي. فهي تحتوي على مكونات أقل وخطوات تجميع أقل كثافة في العمل (لا حاجة لمحاذاة دعامات اللولب الكروي أو شد الأحزمة). كما أن المحركات الخطية غير تلامسية، لذا لا يضطر المصممون للقلق بشأن توفير التشحيم أو التعديلات أو أي صيانة أخرى لوحدة القيادة. أما بالنسبة لمصنعي المعدات الأصلية (OEM) وبناة الآلات الذين يبحثون عن حلول جاهزة، فهناك خيارات لا حصر لها للمشغلات الكاملة التي تعمل بمحرك خطي، والمراحل عالية الدقة، وحتى الأنظمة الديكارتية والأنظمة الجسرية.

هل البيئة مناسبة للمحرك الخطي؟
غالبًا ما تُعدّ المحركات الخطية الحل الأمثل في البيئات الصعبة، مثل الغرف النظيفة والبيئات الفراغية، نظرًا لقلة أجزائها المتحركة، وإمكانية ربطها بأي نوع تقريبًا من أنظمة التوجيه الخطي أو أنظمة إدارة الكابلات لتلبية متطلبات توليد الجسيمات، وإخراج الغازات، ودرجة الحرارة المطلوبة للتطبيق. وفي الحالات القصوى، يمكن استخدام الجزء الثانوي (مسار المغناطيس) كجزء متحرك، مع بقاء الجزء الأساسي (الملفات، بما في ذلك الكابلات ونظام إدارة الكابلات) ثابتًا.

ولكن إذا كانت البيئة تتكون من رقائق معدنية أو غبار معدني أو جسيمات معدنية، فقد لا يكون محرك السيرفو الخطي الخيار الأمثل. وينطبق هذا بشكل خاص على المحركات الخطية ذات النواة الحديدية لأن تصميمها مفتوح بطبيعته، مما يعرض مسار المغناطيس للتلوث. يوفر التصميم شبه المغلق للمحركات الخطية الخالية من الحديد حماية أفضل، ولكن يجب الحرص على عدم تعرض الفتحة في الجزء الثانوي لمصادر التلوث مباشرةً. تتوفر خيارات تصميم لإغلاق كل من المحركات الخطية ذات النواة الحديدية والمحركات الخطية الخالية من الحديد، ولكن هذه الخيارات قد تقلل من قدرة المحرك على تبديد الحرارة، مما قد يؤدي إلى استبدال مشكلة بأخرى.