التكوين النموذجي لتصميم نظام الحركة

الحركة الخطية أساسية للعديد من الآلات المتحركة، وطبيعة الدفع المباشر للمحركات الخطية تُبسط التصميم العام للآلات في هذه التطبيقات. ومن المزايا الأخرى تحسين الصلابة، لأن المحركات الخطية تُثبّت مباشرة على الحمل.

قد يبدو دمج هذه المحركات (والمكونات الطرفية التي تتطلبها) أمرًا شاقًا، ولكن يمكن تقسيم العملية إلى خمس خطوات بسيطة. يتيح اتباع هذه العملية التدريجية لمُصنّعي الآلات والروبوتات جني فوائد المحركات الخطية دون بذل جهد أو تعقيد إضافي.

1. تحديد نوع المحرك: محرك ذو قلب حديدي مقابل محرك بدون قلب حديدي

الخطوة الأولى هي اختيار المحرك الخطي من الأنواع المتوفرة.

محركات القلب الحديدي: تُعد محركات القلب الحديدي الأكثر شيوعًا، وهي مناسبة لتطبيقات الأتمتة العامة. يشير القلب الحديدي إلى بنية ملف هذا المحرك، والتي تتكون من صفائح حديدية. يتكون التكوين النموذجي من مسار مغناطيسي ثابت أحادي الجانب وملف أو قوة محرك متحركة. يُعزز القلب الحديدي قوة الدفع المتولدة، ويُنشئ قوة جذب مغناطيسية بين الملف والمغناطيس.

يمكن استخدام قوة الجذب المغناطيسي هذه لزيادة صلابة نظام التوجيه الخطي بفعالية عن طريق التحميل المسبق لمحامل الحركة الخطية. كما يمكن للتحميل المسبق المغناطيسي أن يعزز استجابة النظام للتردد من خلال تحسين التباطؤ والاستقرار.

من ناحية أخرى، يجب دعم قوة الجذب بشكل صحيح من خلال زيادة سعة التحميل من العناصر الداعمة والمحامل الخطية. قد يؤثر ذلك على حرية التصميم الميكانيكي للآلة.

يتكون تصميم محرك خطي ثانٍ ذو قلب حديدي من زوج من مسارات مغناطيسية ثابتة موضوعة على جانبي الملف المتحرك. يُلغي هذا التصميم الحاصل على براءة اختراع تأثيرات الجذب المغناطيسي مع توفير أعلى قوة لكل مساحة مقطع عرضي. يُقلل التصميم المتوازن من حمل المحامل، مما يسمح باستخدام محامل حركة خطية أصغر حجمًا ويقلل من ضوضاء المحامل.

مميزات المحركات الخالية من الحديد: توجد أيضًا محركات خطية خالية من الحديد؛ حيث لا تحتوي هذه المحركات على حديد في ملفاتها، وبالتالي لا يوجد تجاذب بين أعضاء المحرك.

أكثر أنواع المحركات الخالية من الحديد شيوعًا هو قناة U: حيث يتصل مساران مغناطيسيان لتشكيل قناة يتحرك فيها ملف المحرك (أو القوة الدافعة). يُعد هذا المحرك مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب تموجًا منخفض السرعة وتسارعًا عاليًا. تقلل قوة الجذب الصفرية وطبيعة الهيكل الخالي من الحديد من تموج عزم الدوران؛ ويزداد التسارع لأن الملف خفيف الوزن نسبيًا.

هناك تصميم أسطواني ثانٍ بدون حديد. تُركّب المغناطيسات داخل أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ، ويدور ملف المحرك حول الأسطوانة. يُعد هذا التصميم مناسبًا لاستبدال الكرات اللولبية، إذ يُنتج سرعات ودقة تحديد مواقع أعلى بكثير في نفس النطاق تقريبًا.

حجم الملف وطول المسار

بغض النظر عن التكوين، يجب أن تتناسب أحجام جميع ملفات المحركات الخطية مع متطلبات التطبيق: الحمل المطبق، ونمط حركة الهدف، ودورة العمل، والدقة، والضبط، وعمر الخدمة، وبيئة التشغيل. نصيحة: اطلب الدعم الفني من مصنعي المحركات الخطية، واستخدم برنامجًا لتحديد الأحجام (وهو غالبًا مجاني) لاختيار أفضل نوع وحجم للمحرك لتطبيق معين.

تتوفر مقاطع مسارات المغناطيس بأطوال متعددة، ويمكن تكديسها من طرف إلى طرف لتحقيق طول الحركة المطلوب، مع طول مغناطيسي إجمالي غير محدود تقريبًا. لتبسيط التصميم وخفض التكاليف، يُفضل استخدام أطول مقاطع مسارات مغناطيسية متوفرة لدى الشركة المصنعة.

2. حدد جهاز الترميز

الخطوة الثانية عند تصميم نظام محرك خطي هي اختيار المُشفِّر الخطي. أكثرها شيوعًا هي المُشفِّرات الخطية التزايدية المزودة بمستشعرات رأس قراءة بصرية أو مغناطيسية. اختر مُشفِّرًا بالدقة والوضوح المطلوبين للتطبيق، ومناسبًا لبيئة الآلة.

عادةً ما تُرسَل تغذية راجعة للمُشفِّر إلى مُضخِّم المؤازرة عبر سلسلة نبضات جيبية تناظرية أو رقمية. وهناك خيار آخر يتمثل في تغذية راجعة تسلسلية عالية السرعة للمُشفِّر، مما يُوفِّر معدلات بيانات أعلى، ودقة بت أعلى، ومقاومة أكبر للضوضاء، وأطوال كابلات أطول، ومعلومات إنذار شاملة.

تتصل الاتصالات التسلسلية بطريقتين.

من الممكن إجراء اتصال مباشر بين مكبر الصوت ومُشفِّر الصوت باستخدام مُشفِّرات تتميز ببروتوكول مُشفِّر تسلسلي متوافق مع مكبر الصوت.

في حال عدم وجود مخرج تسلسلي للمُشفِّر (أو في حال عدم توافق بروتوكول المخرج التسلسلي مع المُضخِّم)، يُمكن استخدام وحدة مُحوِّل تسلسلي. في هذه الحالة، تستقبل الوحدة إشارة تناظرية من المُشفِّر مع إشارة مستشعر هول، وتُقسِّمها، ثم تُرسل بيانات هذه الإشارة تسلسليًا إلى مُضخِّم المؤازرة. تُستخدم بيانات مستشعر هول عند بدء التشغيل وللتحقق من تغذية المُشفِّر الراجعة.

توفر العديد من الشركات المصنعة لمشفرات الخطية الآن مشفرات خطية مطلقة تدعم مجموعة متنوعة من بروتوكولات الاتصال التسلسلية، بما في ذلك البروتوكولات الملكية من مصنعي مكبرات الصوت التابعين لجهات خارجية.

3. اختر مكبر الصوت

الخطوة الثالثة في عملية التصميم هي اختيار مُضخِّم السيرفو. يجب أن يكون حجم المُضخِّم مناسبًا لحجم المحرك.

التوصيل والتشغيل ميزة لا تُقدم إلا من قِبل الموردين الذين يُصنّعون محركات السيرفو ومُضخّمات الصوت. يُوفّر بعض الموردين هذه الميزة لتقليل وقت بدء التشغيل وضمان التكوين الصحيح.

تتميز بعض مضخمات السيرفو بخاصية التعرف التلقائي على المحرك ووضع عدم الضبط، مما يُغني عن ضبط نظام السيرفو. باستخدام هذا البرنامج، تُحمّل مواصفات المحرك (بما في ذلك خصائص الحمل الزائد) تلقائيًا إلى مضخم السيرفو من المحرك عند تشغيله. هذا يُزيل أي خطأ مُحتمل للمستخدم عند إدخال مواصفات المحرك، ويُقلل عمليًا من خطر تعطل المحرك وأخطاء الطور.

4. حدد أعضاء الدعم والمحامل

تتم خطوتان التصميم النهائيتان جنبًا إلى جنب لاستكمال تصميم نظام المحرك الخطي: الخطوة الرابعة هي اختيار نظام محمل الحركة الخطية، والخطوة الخامسة هي تصميم عناصر الدعم.

هناك محاذاتان مهمتان في معظم مجموعات المحركات الخطية: المسافة بين المحرك والمغناطيس، أي بين الملف ومسار المغناطيس، والمسافة بين رأس قراءة المشفر والمقياس الخطي. يُستثنى هذا المعيار عند اختيار مشفر خطي مغلق.

نصائح:

يجب أن توفر محامل الحركة الخطية دقة كافية لتلبية متطلبات الفجوة، في حين يجب تصميم عناصر الدعم لتباعد المكونات بشكل صحيح وتلبية متطلبات التوازي للمحامل الخطية والمشفر.

بعد استيفاء هذه المعايير، يعتمد اختيار وتصميم المحامل والأجزاء الداعمة في النهاية على متطلبات أداء الآلة. تتطلب التطبيقات التي تتطلب دقة عالية مُشفِّرًا عالي الدقة والوضوح، بالإضافة إلى محامل خطية عالية الدقة.

عند تحديد أحجام هذه المحامل، يُراعى الحمل وقوى الجذب المغناطيسي المرتبطة بالمحركات الخطية ذات النواة الحديدية. في كثير من الحالات، يمكن أن تكون الأجزاء الداعمة للمحامل الخطية والمسارات المغناطيسية جزءًا لا يتجزأ من هيكل الآلة.