للحصول على تحديد موضع آلي دقيق، فكر في المحركات الخطية المعتمدة على محرك متدرج.

تولد المحركات الخطية بشكل أساسي القوة والحركة عبر خط مستقيم. في النظام الميكانيكي النموذجي، يوفر عمود إخراج الجهاز حركة خطية باستخدام محرك دوار من خلال التروس أو الحزام أو البكرة أو المكونات الميكانيكية الأخرى. المشكلة هي أن هذه المكونات يجب أن تكون مقترنة ومتوافقة. والأسوأ من ذلك أنها تضيف عناصر تآكل مثل الاحتكاك ورد الفعل العكسي إلى النظام. لتلبية احتياجات تحديد المواقع بشكل أدق، يأتي البديل الأكثر فعالية ومباشرة من المحركات الخطية القائمة على المحركات السائر.

تعمل هذه الأجهزة على تبسيط تصميم الآلة أو الآلية التي تتطلب تحديد موضع خطي دقيق لأنها توفر تحويلاً دوارًا إلى خطيًا مباشرة داخل المحرك. تحرك المحركات درجة معينة من الحركة الدوارة لكل نبضة دخل كهربائي. توفر ميزة "الخطوة" المزعومة واستخدام المسمار الرئيسي الدقيق تحديد موضع دقيق وقابل للتكرار.

أساسيات المحركات السائر
لمعرفة كيفية عمل المحركات، من المفيد أن نفهم أساسيات المحركات السائر. تشمل الأنواع المختلفة من محركات السائر الممانعة المتغيرة (VR)، والمغناطيس الدائم (PM)، والهجين. تركز هذه المناقشة على السائر الهجين، الذي يوفر عزم دوران عاليًا ودقة تحديد المواقع الدقيقة (خطوة 1.8 أو 0.9 درجة). في أنظمة المحركات الخطية، توجد الهجينة في أجهزة مثلس صالطاولات، وأجهزة تحليل الدم، ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، والروبوتات العملاقة الصغيرة، وآليات التحكم في الصمامات، وأنظمة إضاءة المسرح الآلية.

يوجد تحت غطاء المحرك الهجين دوار ذو مغناطيس دائم وعضو ساكن فولاذي ملفوف بملف. يؤدي تنشيط الملف إلى إنشاء مجال كهرومغناطيسي ذو قطبين شمالي وجنوبي. يقوم الجزء الثابت بتوصيل المجال المغناطيسي، مما يتسبب في محاذاة الجزء المتحرك مع المجال. نظرًا لأن تنشيط وإلغاء تنشيط ملفات الملف بشكل تسلسلي يغير المجال المغناطيسي، فإن كل نبضة أو خطوة مدخلة تتسبب في تحرك الجزء المتحرك بشكل متزايد بمقدار 0.9 أو 1.8 درجة دوران، اعتمادًا على النموذج الهجين. في المحرك الخطي، يتم تثبيت صامولة دقيقة ملولبة مدمجة في الجزء الدوار مع المسمار الرئيسي (الذي يحل محل العمود التقليدي).

يوفر المسمار الرئيسي قوة خطية باستخدام المبدأ الميكانيكي البسيط للمستوى المائل. تخيل عمودًا فولاذيًا به منحدر أو مستوى مائل ملفوف حوله. يتم تحديد الميزة الميكانيكية أو تضخيم القوة من خلال زاوية المنحدر التي تعتمد على قطر المسمار، والرصاص (المسافة المحورية التي يتقدم بها الخيط اللولبي في دورة واحدة)، والميل (المسافة المحورية المقاسة بين أشكال الخيط المتجاورة).

تترجم خيوط اللولب الرصاصي قوة دوران صغيرة إلى قدرة تحميل كبيرة، اعتمادًا على انحدار المنحدر (سلك اللولب). يوفر الرصاص الصغير قوة أعلى ولكن بسرعات خطية أقل. يعطي الرصاص الكبير قوة أقل ولكن سرعة خطية أعلى من نفس مصدر الطاقة الدوارة. في بعض التصميمات، تكون صامولة الطاقة المدمجة في الدوار مصنوعة من البرونز المتحمل الذي يفسح المجال لتصنيع الخيوط الداخلية. لكن البرونز هو حل وسط هندسي بين التشحيم والاستقرار الجسدي. المادة الأفضل هي اللدائن الحرارية المشحمة ذات معامل احتكاك أقل بكثير عند واجهة الخيط اللولبي.

تسلسلات الخطوة
تشتمل مخططات قيادة محرك السائر على خطوة "مرحلة واحدة" وخطوة "مرحلتين".

في تسلسل "تشغيل الطور الواحد" لمحرك مبسط ثنائي الطور، توضح الخطوة 1 الطور A للجزء الثابت المنشط. يؤدي هذا إلى قفل الدوار مغناطيسيًا لأنه يتجاذب على عكس الأقطاب. يؤدي تشغيل المرحلتين A o وB إلى تحريك الدوار بمقدار 90 درجة في اتجاه عقارب الساعة (الخطوة 2). في الخطوة 3، تكون المرحلة B في وضع التشغيل والمرحلة A في وضع التشغيل، ولكن مع عكس القطبية عن الخطوة 1. يؤدي ذلك إلى دوران الجزء المتحرك بمقدار 90 درجة أخرى. في الخطوة 4، يتم تشغيل المرحلة A ويتم تشغيل المرحلة B، مع عكس القطبية من الخطوة 2. يؤدي تكرار هذا التسلسل إلى تحرك الدوار في اتجاه عقارب الساعة بخطوات 90 درجة.

في تسلسل "التشغيل على مرحلتين"، يتم دائمًا تنشيط كلا المرحلتين المحركتين، ويتم تبديل قطبية مرحلة واحدة فقط. يؤدي هذا إلى محاذاة الجزء المتحرك بين القطبين المغناطيسيين "المتوسط" الشمالي والجنوبي "المتوسط". نظرًا لأن كلا المرحلتين قيد التشغيل دائمًا، فإن هذه الطريقة توفر عزمًا أكبر بنسبة 41.4% من خطوة "مرحلة واحدة".

لسوء الحظ، على الرغم من أن البلاستيك يعمل بشكل جيد مع الخيوط، إلا أنه ليس مستقرًا بدرجة كافية لمجلات التحمل في تصميم السائر الهجين. وذلك لأنه في ظل حالة التحميل الكامل المستمر، يمكن للمجلات البلاستيكية أن تتوسع بمقدار أربعة أضعاف المجلات النحاسية. هذه الكمية غير مقبولة لأن تصميم المحرك يتطلب أن تكون فجوة الهواء من الجزء الثابت إلى الجزء الدوار بضعة أجزاء من الألف من البوصة فقط. هناك طريقة للتغلب على هذه المشكلة وهي حقن خيوط بلاستيكية في قالب داخل غلاف نحاسي سيتم إدخاله في الجزء الدوار ذي المغناطيس الدائم. يزيد هذا الأسلوب من عمر المحرك ويوفر احتكاكًا منخفضًا مع الحفاظ على ثبات مجلة المحمل.

من بين الأنواع المختلفة لمشغلات Haydon، تحتوي الأجهزة "المقيدة" على آلية مدمجة لمقاومة الدوران. يوفر هذا التكوين حدًا أقصى يصل إلى 2.5 بوصة ويناسب التطبيقات مثل توزيع السوائل بدقة والتحكم في الخانق وحركة الصمام. أنواع أخرى منهايدونالمحركات الخطية هي "غير الأسيرة" و"الخطية الخارجية" التي تناسب التطبيقات التي تحتاج إلى شوط أطول مثل نقل أنابيب الدم بواسطة الروبوتات العملاقة الصغيرة،س صأنظمة الحركة، وأنظمة التصوير.

تحجيم المحرك
يوضح مثال التطبيق بشكل أفضل كيفية تحديد حجم المشغل. النظر في المعلمات التالية:

القوة الخطية اللازمة لتحريك الحمولة = 15 رطلاً (67 نيوتن)
المسافة الخطية م، الحمولة المراد نقلها = 3 بوصة (0.0762 م)
وقت،t، اللازمة لتحريك الحمولة في ثواني = 6 ثواني
العدد المستهدف للدورات = 1,000,000

هناك أربع خطوات لتحديد حجم المحرك الخطي للمحرك السائر: 1) تحديد معدل القوة الأولي للمحرك اللازم للوفاء بالعمر المطلوب؛ 2) تحديد السرعة بالملليمتر/الثانية؛ 3) اختر حجم إطار المحرك المناسب؛ و4) تحديد دقة المسمار المناسبة بناءً على متطلبات القوة.

أفضل طريقة للتنبؤ بالحياة هي من خلال اختبار التطبيقات، وهو ما يوصى به بشدة. تقنية تستخدمنسبة التحميل مقابل عدد الدوراتالمنحنى بمثابة تقريب أولي جيد. لا تحتوي المحركات السائرة على فرش تتآكل، وتستخدم محامل كروية دقيقة وطويلة العمر، لذا فإن مكون التآكل الرئيسي هو صامولة الطاقة. لذلك، فإن عدد الدورات التي يستمر فيها الجهاز مع استمرار استيفائه لمواصفات التصميم هو دالة للحمل.

الرجوع إلىنسبة التحميل مقابل عدد الدوراتمخطط لتحديد عامل الحجم الصحيح للمشغل لتحمل 1,000,000 دورة. وتبين أن هذا يساوي 50% - بمعامل 0.5. وبالتالي فإن القوة المقدرة الأولية، N، المطلوبة لمواجهة الحمل بعد 1,000,000 دورة هي 15 رطل/0.5 = 30 رطل أو 133 نيوتن.

حدد الآن الطاقة الميكانيكية الخطية المطلوبة بالواط:

P_خطي= (ن × م)/ر

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

باستخدام هذه البيانات، استخدمحجم إطار المحركالجدول لتحديد حجم الإطار الصحيح. تتطلب جميع المحركات الخطية ذات المحركات الخطوية محركًا لإرسال نبضات إلى المحرك. لاحظ أن الجدول يسرد الطاقة لكل من محرك L/R (جهد ثابت) ومحرك المروحية (تيار ثابت). ما لم يكن التطبيق يعمل بالبطارية (كما هو الحال في الأجهزة المحمولة باليد)، يوصي المصنعون بشدة باستخدام محرك مروحية لتحقيق أقصى قدر من الأداء. في هذا المثال، تكشف مراجعة مواصفات قوة محرك المروحية في الجدول أن سلسلة Haydon 43000 (الحجم 17 هجين) تلبي بشكل وثيق متطلبات 1.7 واط. يلبي هذا الاختيار متطلبات التحميل دون المبالغة في تصميم النظام.

بعد ذلك، حساب السرعة الخطية (ips). يتم إعطاء هذا بواسطةم / رويأتي إلى 3 بوصة/6 ثانية = 0.5 بوصة. مع حجم الإطار الأمثل (الحجم 17 الهجين) والسرعة الخطية (0.5 ips) في متناول اليد، استخدم المناسبالقوة مقابل السرعة الخطيةمنحنى لتحديد القرار المناسب للمشغل يؤدي المسمار. في هذه الحالة، دقة المسمار الرصاص المطلوبة هي 0.00048 بوصة.

تذكر أن المسمار الرئيسي يتقدم بناءً على عدد خطوات الإدخال للمحرك. يتم التعبير عن منحنيات الأداء بكل من "ips" و"steps/sec". للتحقق من اختيارك، تحقق من القوة بمعدل الخطوة المطلوب من خلال الرجوع إلىالقوة مقابل معدل النبضالمنحنى، حيث: الدقة المختارة = 0.00048 بوصة/الخطوة السرعة الخطية المطلوبة = 0.5 ips معدل الخطوة المطلوب = (0.5 ips)/ (0.00048 بوصة/الخطوة) = 1,041 خطوة.

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