الهيكل والمكونات والأسلاك الإلكترونية وسهولة الصيانة.

إن الجمع بين الهندسة الميكانيكية والكهربائية والبرمجية والتحكم ليس بالأمر الهيّن. لكن دمج التطورات التكنولوجية، والتركيز على هذه المجالات الخمسة، من شأنه تبسيط العملية وضمان سهولة استخدام الميكاترونيات.

لقد دفعت دورات تطوير المنتجات المتسارعة والتقدم التكنولوجي السريع اليوم إلى الحاجة إلى هندسة متعددة التخصصات. فبينما كان المهندس الميكانيكي يركز في السابق على الأجهزة فقط، والمهندس الكهربائي على الأسلاك ولوحات الدوائر، ومهندس التحكم على البرمجيات والبرمجة الخوارزمية، يجمع مجال الميكاترونيكس هذه المجالات معًا، مما يُسهم في إيجاد حلول حركة متكاملة. ويساهم التقدم في هذه المجالات الثلاثة، وتكاملها معًا، في تبسيط تصميم الميكاترونيكس.

وهذا التبسيط هو الذي يدفع التقدم في مجال الروبوتات وأنظمة ديكارت متعددة المحاور للاستخدامات الصناعية والتصنيع، والأتمتة للأسواق الاستهلاكية في الأكشاك وأنظمة التوصيل، إلى جانب القبول السريع للطابعات ثلاثية الأبعاد في الثقافة السائدة.

فيما يلي خمسة عوامل رئيسية تؤدي، عند جمعها معًا، إلى تسهيل تصميم الميكاترونيات.

1. الأدلة الخطية المتكاملة والهيكل

في تصميم الآلات، لطالما كانت مجموعات المحامل والدلائل الخطية موجودة، لدرجة أن ميكانيكا نظام الحركة غالبًا ما تُعتبر ثانوية. مع ذلك، فإن التطورات في المواد والتصميم والميزات وطرق التصنيع تجعل من المفيد دراسة خيارات جديدة.

على سبيل المثال، تُسهم المحاذاة المُصممة مسبقًا والمُدمجة في القضبان المتوازية أثناء عملية التصنيع في خفض التكلفة نظرًا لقلة المكونات، وزيادة الدقة، وتقليل المتغيرات المؤثرة على طول القضيب. كما تُحسّن هذه القضبان المتوازية التركيب، إذ تُغني عن أدوات التثبيت المتعددة والمحاذاة اليدوية.

في الماضي، كان من شبه المؤكد أن أي نظام توجيه خطي يختاره المهندس، سيحتاج أيضًا إلى مراعاة ألواح التركيب، أو قضبان الدعم، أو هياكل أخرى لتحقيق الصلابة المطلوبة. أما المكونات الحديثة، فتدمج هياكل الدعم في القضبان الخطية نفسها. هذا التحول من تصميم المكونات الفردية إلى تصاميم هندسية من قطعة واحدة أو تجميعات فرعية متكاملة يقلل من عدد المكونات، ويخفض التكلفة والعمالة.

2. مكونات نقل الطاقة

يُعد اختيار آلية القيادة أو مكونات نقل الطاقة المناسبة عاملاً مؤثراً أيضاً. تبدأ عملية الاختيار، التي تتضمن موازنة السرعة وعزم الدوران والأداء الدقيق مع المحرك والمكونات الإلكترونية، بفهم النتائج التي يمكن أن يُنتجها كل نوع من أنواع المحركات.

كما هو الحال في ناقل الحركة في السيارات التي تعمل بالترس الرابع، تُناسب أنظمة الدفع بالأحزمة التطبيقات التي تتطلب سرعات قصوى على مدى أشواط طويلة. على النقيض من ذلك، توجد براغي كروية ومسامير رصاصية تُشبه إلى حد كبير السيارات ذات الترس الأول والثاني القويين والسريعي الاستجابة. فهي توفر عزم دوران جيد مع تفوقها في الانطلاق والتوقف السريع وتغيير الاتجاه. يوضح الرسم البياني الفرق بين سرعة الأحزمة وعزم دوران البراغي.

على غرار التطورات في السكك الحديدية الخطية، تُعد المحاذاة المُصممة مسبقًا مجالًا آخر شهد تطورًا في تصميم براغي الرصاص، مما يوفر تكرارًا أفضل في التطبيقات الديناميكية. عند استخدام وصلة، انتبه لمحاذاة المحرك والبرغي لتجنب "التذبذب" الذي يقلل من الدقة وعمر الخدمة. في بعض الحالات، يمكن الاستغناء عن الوصلة تمامًا وتثبيت البرغي مباشرةً بالمحرك، مما يُدمج المكونات الميكانيكية والكهربائية مباشرةً، مما يُغني عن المكونات الأخرى، ويزيد من الصلابة والدقة، مع خفض التكلفة.

3. الإلكترونيات والأسلاك

تتضمن التكوينات التقليدية لتطبيقات التحكم في الحركة الإلكترونية ترتيبات أسلاك معقدة، بالإضافة إلى الخزائن ومعدات التركيب اللازمة لتجميع جميع المكونات وإيوائها. والنتيجة غالبًا نظام غير مُحسَّن، وصعوبة تعديله وصيانته.

تُقدّم التقنيات الناشئة مزايا نظامية من خلال وضع المُشغّل ووحدة التحكّم والمُضخّم مباشرةً على محرّك "ذكي". لا يقتصر الأمر على الاستغناء عن المساحة اللازمة لاستيعاب المكونات الإضافية، بل يُقلّص أيضًا إجمالي عدد المكونات ويُبسّط عدد الموصلات والأسلاك، مما يُقلّل من احتمالية الخطأ مع توفير التكلفة والجهد.

4. مصمم للتصنيع (DFM)

• الأقواس

إلى جانب سهولة تجميع سكك التصاميم المتكاملة، تُعزز الخبرة والتقنيات الناشئة، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد، قدرتك على إنشاء نماذج أولية لتجميعات الميكاترونيك والروبوتات وفقًا لمعايير التصنيع الرقمي. على سبيل المثال، غالبًا ما كانت حوامل الموصلات المخصصة لأنظمة الحركة مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً لمعالجتها في غرفة الأدوات أو ورشة التصنيع. أما اليوم، فتتيح لك الطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء نموذج CAD وإرساله إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد، والحصول على جزء نموذجي قابل للاستخدام في وقت أقل وبتكلفة أقل.

• التوصيل

من المجالات الأخرى التي تمت تغطيتها في مجال تصنيع الكابلات الرقمية (DFM) استخدام المحركات الذكية التي تُثبّت الإلكترونيات مباشرةً على المحرك، مما يُسهّل عملية التجميع. إضافةً إلى ذلك، تُبسّط التقنيات الحديثة، التي تُدمج الموصلات والكابلات وإدارة الكابلات في حزمة واحدة، عملية التجميع وتُلغي الحاجة إلى حاملات الكابلات البلاستيكية التقليدية الثقيلة.

5. إمكانية الصيانة على المدى الطويل

لا تؤثر التقنيات الحديثة والتطورات في التصميم على سهولة التصنيع المسبق فحسب، بل تؤثر أيضًا على استمرارية صيانة النظام. على سبيل المثال، يُبسط نقل وحدة التحكم والمحرك إلى المحرك أي استكشاف للأعطال وإصلاحها. أصبح الوصول إلى المحرك والإلكترونيات سهلًا وبسيطًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن الآن ربط العديد من الأنظمة بشبكات، مما يتيح الوصول إليها من أي مكان تقريبًا لإجراء التشخيص عن بُعد.