أصبحت المحركات والمشغلات الخطية الآن منافسةً من حيث التكلفة للبراغي الكروية ومحركات الأحزمة، وتوفر مرونةً ونطاقًا تردديًا فائقين لتطبيقات تحديد المواقع المتقدمة. تُساعد المحركات الدقيقة والمشغلات الجديدة على أتمتة مهام لم تكن ممكنةً سابقًا. وتحل المحركات الخطية المباشرة محل الأسطوانات الهوائية التي يتم التحكم بها بواسطة محرك سيرفو بشكل متزايد، مما يُسهم في زيادة الموثوقية وسهولة التحكم، دون تكلفة ضواغط الهواء وصيانتها وضوضاءها.

مدفوعًا بمتطلبات صناعة أشباه الموصلات، عزز مصنعو المحركات الخطية دقتها باستمرار، وخفضوا أسعارها، وطوروا أنواعًا متعددة من المحركات، وسهّلوا دمجها في معدات الأتمتة. توفر المحركات الخطية الحديثة تسارعًا يصل إلى 20 جيًا (قوة تسارع جاذبة) وسرعة 10 أمتار/ثانية، وتتميز بمرونة ديناميكية لا مثيل لها، وتُقلل من تكاليف الصيانة، وتُضاعف زمن التشغيل. لقد تجاوزت هذه المحركات الاستخدام المتخصص في صناعة أشباه الموصلات لتُقدم أداءً متقدمًا في تطبيقات متعددة.

بفضل السرعة وعمر التشغيل الأطول بعشر مرات من براغي الكرة، فإن تقنية الدفع المباشر الخطي غالبًا ما تكون الحل الوحيد للأتمتة التي تعزز الإنتاجية.

التفوق الديناميكي

يُحدَّد الأداء الديناميكي لآليات التموضع التقليدية بمسامير التوصيل، وسلاسل التروس، وأحزمة الدفع، والوصلات المرنة، مما يُسبب التباطؤ، والارتداد، والتآكل. وبالمثل، تُعاني المُشغِّلات الهوائية من كتلة المكبس واحتكاك المكبس بالأسطوانة، بالإضافة إلى انضغاط الهواء، مما يُؤدي إلى تعقيد التحكم في المُؤازرة. تُزيل المُحركات والمُشغِّلات الخطية كتلة وقصور مُؤشِّرات التموضع التقليدية، وتُحرِّرها من هذه القيود الأساسية، وتُوفِّر صلابة ديناميكية لا مثيل لها.

يُمكّن توليد قوة الدفع المباشر المحركات والمشغلات الخطية من تحقيق نطاق ترددي مغلق الحلقة، وهو نطاق غير متاح بآليات تحديد المواقع البديلة. ويستطيع المحرك والمشغل الاستفادة الكاملة من وحدات التحكم الحديثة. هذه الوحدات مُعدّلة للعمل بكسب حلقة عالٍ، مما يُحقق تحكمًا واسع النطاق في النطاق الترددي، وثباتًا سريعًا، وتعافيًا سريعًا من الاضطرابات العابرة.

تتميز المحركات والمشغلات الخطية بقدرتها على القيام بحركات بمسافات ملليمترية تعمل في منطقة الاحتكاك الساكن. فانخفاض كتلتها وانخفاض احتكاكها الساكن يُقللان قوة الدفع اللازمة لبدء الحركة، ويُبسطان مهمة نظام التحكم في منع تجاوز السرعة عند التوقف. تُمكّن هذه الخصائص محركات ومشغلات الدفع المباشر من مسح شرائح المجهر، على سبيل المثال، ورسم مواقع القطع الأثرية (XY) التي لا تفصل بينها سوى ملليمترات.

يمكن للتطبيقات التي تتطلب حركة متكررة سريعة الاستفادة من النطاق الترددي العالي للمشغل الخطي لمضاعفة إنتاجية الكرات اللولبية أو محركات الأحزمة. تعمل الآلات التي تقطع لفات المواد حسب الطول (الورق، البلاستيك، وحتى الحفاضات) على زيادة الإنتاجية إلى أقصى حد من خلال العمل دون توقف تدفق المواد. وللقطع السريع، تعمل هذه الآلات على تسريع شفرة القطع لتتزامن مع تدفق المواد، وتتحرك بسرعة المواد إلى موقع القطع، ثم تبدأ عملية القطع. بعد القطع، تُعاد الشفرة إلى نقطة البداية لانتظار دورة القطع ذهابًا وإيابًا التالية.

أنواع المحركات الخطية

تتوفر ثلاثة تكوينات أساسية للمحركات الخطية: محركات مسطحة، ومحركات على شكل حرف U، ومحركات أنبوبية. لكل محرك مزاياه وعيوبه.

على الرغم من أن محركات القاعدة المسطحة توفر حركة غير محدودة وقوة دفع عالية، إلا أنها تمارس تجاذبًا مغناطيسيًا كبيرًا وغير مرغوب فيه بين قوة حمل الحمل ومسار المغناطيس الدائم للمحرك. تتطلب قوة التجاذب هذه محامل تدعم الحمل الزائد.

يتميز محرك القناة على شكل حرف U، بنواته الخالية من الحديد، بقصور ذاتي منخفض، مما يضمن أقصى قدر من المرونة. ومع ذلك، تتحرك الملفات المغناطيسية الحاملة للحمل في المحرك عميقًا داخل إطار القناة على شكل حرف U، مما يحد من إزالة الحرارة.

تتميز المحركات الخطية الأنبوبية بالمتانة، والكفاءة الحرارية، وسهولة التركيب. وهي توفر بدائل سهلة التركيب لمثبتات الكرات اللولبية والهوائية. تُغلّف المغناطيسات الدائمة للمحرك الأنبوبي بأنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ (قضيب دفع)، مدعوم من كلا الطرفين. بدون دعم إضافي لقضيب الدفع، يقتصر نطاق حركة الحمل على مترين إلى ثلاثة أمتار، حسب قطر قضيب الدفع.

من بين أنواع المحركات الثلاثة، تُعدّ المحركات الأنبوبية الأنسب للاستخدامات الصناعية الشائعة. وقد استفادت المحركات الخطية الأنبوبية استفادة كبيرة من ابتكار هندسي أساسي. تستبدل محركات كوبلي كونترولز الخطية المُشفّر الخطي الخارجي التقليدي بمستشعرات هول مدمجة. تُمكّن دائرة مغناطيسية حاصلة على براءة اختراع مستشعرات تأثير هول من تحقيق تحسين في الدقة وقابلية التكرار يُقارب عشرة أضعاف.

بما أن تكلفة مُرمِّزات الدارة الخطية تُقارب تكلفة المحرك الخطي نفسه، فإن الاستغناء عنها يُمثل خفضًا كبيرًا في التكلفة. كما يُبسِّط هذا دمج المحرك الخطي في أنظمة الأتمتة، إذ لا يتطلب الأمر مُرمِّزًا دقيقًا لدعمه وضبطه. وتشمل المزايا الأخرى المتانة والموثوقية، وعدم حاجة المُرمِّز إلى بيئات محمية.

يمكن تحويل المحركات الخطية الأنبوبية إلى محركات خطية قوية ومتعددة الاستخدامات تعمل بالدفع المباشر. في هذا النموذج، يبقى المحرك ثابتًا (مثبتًا بإطار الآلة)، بينما يتحرك قضيب دفع تحديد موضع الحمل على محامل منخفضة الاحتكاك وخالية من التزييت مثبتة داخل المحرك. إلى جانب تفوقه على براغي الكرة ومحركات الأحزمة، يُعد المحرك الخطي بديلاً عالي الأداء لأنظمة تحديد المواقع الهوائية المؤازرة القابلة للبرمجة.

تُناسب المحركات الخطية الأنبوبية تطبيقات مضاعفة الإنتاجية، حيث تعمل قوّتان مستقلتان على قضيب دفع واحد. لكلّ قوّة محرك سيرفو خاص بها، ويمكنها العمل بشكل مستقل تمامًا عن الأخرى. على سبيل المثال، يمكن لقوّة واحدة التحميل بينما تقوم الأخرى بالتفريغ. تُضاعف هذه التقنية الإنتاج برفع عنصرين في كل مرة من ناقل سريع الحركة ووضعهما بدقة على ناقل ثانٍ.

وبالمثل، يمكن لمحركات دفع متعددة تعمل على قضيب دفع واحد مضاعفة قوة الدفع، أو ثلاث مرات، أو حتى أربع مرات. ويمكن تشغيل هذه المحركات بواسطة وحدة تحكم واحدة.

يتحرك محرك الحمل الخطي على محامل أحادية السكة طويلة العمر. في المقابل، تنطوي آليات تحويل الدوران إلى خطي في الكرات اللولبية على مصادر تآكل إضافية تُضعف الأداء وتُقصّر العمر الافتراضي.

ينزلق قضيب دفع المحرك الخطي على محامل طويلة العمر، خالية من التزييت، مثبتة في المحرك. هذه البساطة تُمكّن المحرك من أداء 10 ملايين دورة تشغيل. محامل المحرك ذاتية المحاذاة، مما يُسهّل التركيب. تُطبّق قوة دفع المحرك مباشرةً على قضيب الدفع، مما يُحسّن التسارع والاستجابة.

مع استبدال المُشفِّر الخارجي بمستشعر حالة صلبة مُدمج في المُحفِّز، تُصبح محركات الدفع المباشر والمُشغِّلات أجهزةً بسيطةً للغاية ثنائية المكونات. يُعدُّ كلٌّ من المُحفِّز وقضيب الدفع مُكوِّنين قويَّين للغاية، مما يُمكِّن المُحرِّك والمُشغِّل من التوافق مع تصنيفات IP67 الدولية للغسيل.

إن غياب تروس الطحن وبرغي الرصاص الدوار يمنح المحركات والمشغلات الخطية صفة التشغيل منخفض الضوضاء، وهو شرطٌ حيويٌّ متزايد الأهمية. وتسير إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) على خطى القوانين الصناعية الأوروبية، التي تفرض قواعد صارمةً على الضوضاء في أماكن العمل. يُعدّ التشغيل الهادئ أمرًا بالغ الأهمية في بيئات المختبرات والمستشفيات؛ وسيزداد هذا القلق انتشارًا مع توسيع إدارة السلامة والصحة المهنية نطاق أحكامها ليشمل بيئات إنتاج أخرى.