لتحديد المواقع الآلية الدقيقة، فكر في المحركات الخطية المعتمدة على المحرك المتدرج.

تُولّد المُشغّلات الخطية أساسًا القوة والحركة عبر خط مستقيم. في النظام الميكانيكي النموذجي، يُوفّر عمود خرج الجهاز حركة خطية باستخدام محرك دوار عبر تروس، أو سير وبكرة، أو مكونات ميكانيكية أخرى. تكمن المشكلة في ضرورة اقتران هذه المكونات ومحاذاتها. والأسوأ من ذلك، أنها تُضيف عوامل تآكل مثل الاحتكاك والارتداد إلى النظام. ولتحديد المواقع بدقة، تُعدّ المُشغّلات الخطية القائمة على مُحرّك متدرج بديلاً أكثر فعالية وبساطة.

تُبسّط هذه الأجهزة تصميم الآلات أو الآليات التي تتطلب تحديد موضع خطي دقيق، إذ تُوفّر تحويلاً من دوراني إلى خطي مباشرةً داخل المحرك. تُحرّك المُشغّلات درجةً مُحدّدةً من الحركة الدورانية لكل نبضة دخل كهربائي. تُوفّر هذه الميزة، المعروفة باسم "التدرّج"، واستخدام لولب توجيه دقيق، تحديد موضع دقيق وقابل للتكرار.

أساسيات المحرك المتدرج
لمعرفة كيفية عمل المحركات الخطوية، من المفيد فهم أساسيات المحركات الخطوية. تشمل الأنواع المختلفة من المحركات الخطوية المحركات ذات الممانعة المتغيرة (VR)، والمحركات ذات المغناطيس الدائم (PM)، والمحركات الهجينة. تركز هذه المناقشة على المحركات الخطوية الهجينة، التي توفر عزم دوران عاليًا ودقة تحديد موضع دقيقة (خطوة 1.8 أو 0.9 درجة). في أنظمة المحركات الخطية، توجد المحركات الهجينة في أجهزة مثلس صالطاولات، وأجهزة تحليل الدم، ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وروبوتات الرافعات الصغيرة، وآليات التحكم في الصمامات، وأنظمة الإضاءة المسرحية الآلية.

تحت غطاء محرك المحرك الخطوي الهجين، يوجد دوار ذو مغناطيس دائم وجزء ثابت فولاذي ملفوف بملف لولبي. يُولّد تنشيط الملف مجالًا كهرومغناطيسيًا بقطبين شمالي وجنوبي. يُوصل الجزء الثابت المجال المغناطيسي، مما يُؤدي إلى محاذاة الدوار مع المجال. ولأن تنشيط وإيقاف تنشيط ملفات الملف بالتتابع يُغيّر المجال المغناطيسي، فإن كل نبضة أو خطوة مُدخلة تُؤدي إلى تحريك الدوار تدريجيًا بمقدار 0.9 أو 1.8 درجة دوران، حسب الطراز الهجين. في المُشغّل الخطي بمحرك خطوي، تتشابك صامولة دقيقة مُسننة مُدمجة في الدوار مع لولب التوجيه (الذي يحل محل العمود التقليدي).

يُولّد لولب التوجيه قوة خطية باستخدام المبدأ الميكانيكي البسيط للمستوى المائل. تخيّل عمودًا فولاذيًا مُحاطًا بمنحدر أو مستوى مائل. تُحدَّد الميزة الميكانيكية أو تضخيم القوة بزاوية المنحدر، وهي دالة لقطر اللولب، والقيادة (المسافة المحورية التي يقطعها خيط اللولب في دورة واحدة)، والخطوة (المسافة المحورية المُقاسة بين أشكال الخيوط المتجاورة).

تُحوّل خيوط لولب التوجيه قوة دوران صغيرة إلى قدرة تحمل عالية، وذلك حسب انحدار المنحدر (خيط التوجيه). يوفر السلك الصغير قوة أعلى ولكن بسرعات خطية أقل. بينما يوفر السلك الكبير قوة أقل ولكن بسرعات خطية أعلى من نفس مصدر الطاقة الدورانية. في بعض التصاميم، تُصنع صامولة الطاقة المُدمجة في الدوار من برونز عالي التحمل، مما يُناسب تشغيل الخيوط الداخلية. لكن البرونز يُمثل حلاً هندسيًا وسطًا بين سهولة التزييت والاستقرار المادي. المادة الأفضل هي مادة بلاستيكية حرارية مُزيتة ذات معامل احتكاك أقل بكثير عند سطح لولب الصامولة والبرغي.

تسلسلات الخطوات
تتضمن مخططات تشغيل محرك متدرج خطوة "تشغيل مرحلة واحدة" وخطوة "تشغيل مرحلتين".

في تسلسل تشغيل طور واحد لمحرك ثنائي الطور مُبسط، تُظهر الخطوة 1 الطور أ للجزء الثابت المُنشَّط. يُثبِّت هذا الدوار مغناطيسيًا لأن الأقطاب المتباينة تتجاذب. يؤدي تشغيل الطور أ إلى o وB إلى تحريك الدوار 90 درجة مع عقارب الساعة (الخطوة 2). في الخطوة 3، يكون الطور ب في o والطور أ في وضع التشغيل، ولكن مع عكس قطبية الخطوة 1. يؤدي هذا إلى دوران الدوار 90 درجة أخرى. في الخطوة 4، يُدار الطور أ إلى o ويُشغَّل الطور ب، مع عكس قطبية الخطوة 2. يؤدي تكرار هذا التسلسل إلى تحريك الدوار في اتجاه عقارب الساعة بخطوات 90 درجة.

في تسلسل "التشغيل ثنائي الطور"، يُغذّى كلا طوري المحرك دائمًا، ويتم تبديل قطبية طور واحد فقط. يؤدي هذا إلى محاذاة الدوار بين القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي المتوسطين. ولأن كلا الطورين يعملان دائمًا، توفر هذه الطريقة عزم دوران أكبر بنسبة 41.4% من خطوة "التشغيل أحادي الطور".

للأسف، على الرغم من أن البلاستيك يُناسب الخيوط، إلا أنه غير مستقر بما يكفي لأعمدة المحامل في تصميم المحرك الهجين المتدرج. ويرجع ذلك إلى أنه في ظل ظروف الحمل الكامل المستمر، يمكن أن تتمدد أعمدة المحامل البلاستيكية أربعة أضعاف تمدد أعمدة المحامل النحاسية. هذه النسبة غير مقبولة لأن تصميم المحرك يتطلب أن تكون الفجوة الهوائية بين العضو الثابت والدوار بضعة أجزاء من الألف من البوصة فقط. هناك طريقة للتغلب على هذه المشكلة وهي حقن الخيوط البلاستيكية داخل غلاف نحاسي يُدخل في العضو الدوار ذي المغناطيس الدائم. هذا النهج يزيد من عمر المحرك ويوفر احتكاكًا منخفضًا مع الحفاظ على استقرار عمود المحمل.

من بين أنواع مشغلات هايدون المختلفة، تتميز الأجهزة "المحصورة" بآلية مدمجة لمنع الدوران. يوفر هذا التكوين شوطًا أقصى يصل إلى 2.5 بوصة، ويناسب تطبيقات مثل توزيع السوائل بدقة، والتحكم في الخانق، وحركة الصمامات. أنواع أخرىهايدونالمحركات الخطية هي المحركات "غير الأسيرة" و"الخطية الخارجية" التي تناسب التطبيقات التي تحتاج إلى شوط أطول مثل نقل أنابيب الدم بواسطة روبوتات جسرية صغيرة،س صأنظمة الحركة، وأنظمة التصوير.

تحديد حجم المحرك
يوضح مثال تطبيقي كيفية تحديد حجم المحرك. ضع في اعتبارك المعلمات التالية:

القوة الخطية المطلوبة لتحريك الحمل = 15 رطلاً (67 نيوتن)
المسافة الخطية، م، التي يجب نقل الحمل إليها = 3 بوصة (0.0762 م)
وقت،t، اللازمة لنقل الحمل بالثواني = 6 ثانية
عدد الدورات المستهدفة = 1,000,000

هناك أربع خطوات لتحديد حجم المحرك الخطي للمحرك المتدرج: 1) تحديد تصنيف القوة الأولية للمحرك المطلوب لتلبية العمر المطلوب؛ 2) تحديد السرعة بالمليمترات/الثانية؛ 3) اختيار حجم إطار المحرك المناسب؛ و4) تحديد دقة المسمار المناسبة بناءً على متطلبات القوة.

أفضل طريقة للتنبؤ بالحياة هي من خلال اختبار التطبيق، وهو أمر موصى به بشدة. تقنية تستخدمنسبة الحمل مقابل عدد الدوراتيُمثل المنحنى تقريبًا أوليًا جيدًا. لا تحتوي محركات السائر على فرش تتآكل، وتستخدم محامل كروية دقيقة وطويلة العمر، لذا فإن مُكوّن التآكل الرئيسي هو صمولة الطاقة. لذلك، فإن عدد دورات تشغيل الجهاز مع الحفاظ على مواصفات التصميم يعتمد على الحمل.

راجع إلىنسبة الحمل مقابل عدد الدوراتمخطط لتحديد عامل الحجم المناسب للمشغل لتحمل مليون دورة. وتبين أن هذا العامل يساوي ٥٠٪، أي معامل ٠.٥. وبالتالي، فإن القوة الابتدائية المُصنّفة (نيوتن) اللازمة لتحمل الحمل بعد مليون دورة هي ١٥ رطلاً/٠.٥ = ٣٠ رطلاً أو ١٣٣ نيوتن.

الآن حدد القدرة الميكانيكية الخطية المطلوبة بالواط:

P_خطي= (ن × م)/ت

في مثالنا، يصبح هذا (133 × 0.0762)/6 = 1.7 واط

مع هذه البيانات، استخدمحجم إطار المحركاستخدم جدولًا لاختيار حجم الإطار الصحيح. تتطلب جميع المحركات الخطية ذات المحركات المتدرجة محركًا لإرسال نبضات إلى المحرك. يُرجى ملاحظة أن الجدول يسرد طاقة كلٍّ من محرك يسار/يمين (جهد ثابت) ومحرك قاطع (تيار ثابت). ما لم يكن التطبيق يعمل بالبطارية (كما في الأجهزة المحمولة)، يُوصي المُصنِّعون بشدة باستخدام محرك قاطع لتحقيق أقصى أداء. في هذا المثال، تُظهر مراجعة مواصفات طاقة محرك القاطع في الجدول أن سلسلة Haydon 43000 (الحجم 17 الهجين) تُلبي متطلبات 1.7 واط على أكمل وجه. يُلبي هذا الخيار متطلبات الحمل دون الإفراط في تصميم النظام.

بعد ذلك، احسب السرعة الخطية (ips). تُعطى هذه القيمة بواسطةم/تويبلغ 3 بوصات/6 ثوانٍ = 0.5 بوصة في الثانية. مع حجم الإطار الأمثل (الحجم 17 الهجين) والسرعة الخطية (0.5 بوصة في الثانية)، استخدمالقوة مقابل السرعة الخطيةمنحنى لتحديد الدقة المناسبة لبرغي التوجيه. في هذه الحالة، دقة برغي التوجيه المطلوبة هي 0.00048 بوصة.

تذكر أن برغي التوجيه يتحرك بناءً على عدد خطوات الإدخال للمحرك. تُعبَّر منحنيات الأداء بوحدتي "ips" و"steps/sec". للتحقق من اختيارك، تحقق من القوة عند معدل الخطوة المطلوب بالرجوع إلىالقوة مقابل معدل النبضالمنحنى، حيث: الدقة المختارة = 0.00048 بوصة/خطوة السرعة الخطية المطلوبة = 0.5 بوصة/ثانية معدل الخطوة المطلوبة = (0.5 بوصة/ثانية)/ (0.00048 بوصة/خطوة) = 1041 خطوة.

إن رسم 1,041 كقيمة المحور X (معدل النبض) ورسم خط عمودي من هذه النقطة إلى المنحنى يوضح أن قيمة المحور Y (القوة) هي 30. وبالتالي، فإن الاختيار صحيح.