تتزايد المحركات الخطية، فهي تمنح الآلات أعلى درجات الدقة والأداء الديناميكي.

تتميز المحركات الخطية بسرعة ودقة فائقتين في تحديد المواقع، كما أنها قادرة على العمل بسرعة بطيئة وثابتة لرؤوس الآلات والشرائح، بالإضافة إلى أنظمة مناولة الأدوات والأجزاء. وتستخدم المحركات الخطية في تطبيقات متنوعة، مثل جراحة الليزر، وفحص النظر، ومناولة الزجاجات والأمتعة، لما تتميز به من موثوقية عالية، وقلة صيانتها، وتحسن دورات الإنتاج.

سرعة وقوة أعلى

ترتبط المحركات الخطية مباشرةً بحملها، مما يُغني عن العديد من مكونات التوصيل - مثل الوصلات الميكانيكية، والبكرات، وأحزمة التوقيت، والبراغي الكروية، ومحركات السلسلة، والرفوف والتروس، على سبيل المثال لا الحصر. وهذا بدوره يُقلل التكاليف، بل ويُقلل أيضًا من رد الفعل العكسي. كما تتيح المحركات الخطية حركةً ثابتةً، وتحديدًا دقيقًا للمواضع لمئات الملايين من الدورات، وسرعات أعلى.

تختلف السرعات النموذجية التي يمكن تحقيقها باستخدام المحركات الخطية: تستخدم آلات الالتقاط والوضع (التي تقوم بالعديد من الحركات القصيرة) ومعدات التفتيشالمحركات الخطيةبسرعات تصل إلى 60 بوصة/ثانية؛ تطبيقات القص الطائر وآلات الالتقاط والوضع التي تستخدم حركات أطولبدون فرشاة بدون تروسمحركات خطية لسرعات تصل إلى 200 بوصة/ثانية؛ تستخدم الأفعوانيات وقاذفات المركبات ومحركات الأشخاص محركات خطيةتحريض التيار المترددالمحركات للوصول إلى سرعات تصل إلى 2000 بوصة/ثانية.

هناك عامل آخر يُحدد أفضل تقنية للمحركات الخطية، وهو القوة اللازمة لتحريك حمل التطبيق. الحمل أو الكتلة، بالإضافة إلى نمط تسارع التطبيق، هما العاملان اللذان يُحددان هذه القوة في النهاية.

يُقدّم كل تطبيق تحديات مختلفة؛ ومع ذلك، بشكل عام، تستخدم أنظمة نقل الأجزاء محركات خطية متدرجة بقوى تصل إلى 220 نيوتن أو 50 رطلاً؛ وتستخدم أشباه الموصلات، والقطع بالليزر، والقطع بنفث الماء، والروبوتات محركات تروسية بدون فرش بقوة 2500 نيوتن؛ وتستخدم أنظمة النقل محركات حثية خطية تعمل بالتيار المتردد بقوة 2200 نيوتن؛ وتستخدم خطوط النقل وأدوات الآلات محركات بدون فرش ذات قلب حديدي بقوة 14000 نيوتن. يُرجى العلم أن كل تطبيق يختلف عن الآخر، وأن مهندسي تطبيقات الشركات المصنعة يقدمون عادةً المساعدة في هذه الخطوة من عملية تحديد المواصفات.

هناك عوامل أخرى إلى جانب السرعة والقوة. على سبيل المثال، تستخدم أنظمة النقل محركات حثية خطية ذات تيار متردد نظرًا لطول مسارها، ومزايا وجود ملف ثانوي سلبي بدون مغناطيسات دائمة. تستخدم تطبيقات مثل جراحة العيون بالليزر وتصنيع أشباه الموصلات محركات بدون تروس لضمان دقة وسلاسة المسار.

التشغيل الأساسي

تعمل المحركات الخطية من خلال تفاعل قوتين كهرومغناطيسيتين - نفس التفاعل الأساسي الذي ينتج عزم الدوران في المحرك الدوار.

تخيل قطع محرك دوار ثم تسطيحه: هذا يعطي فكرة تقريبية عن هندسة المحرك الخطي. فبدلاً من ربط الحمل بعمود دوار للحصول على عزم الدوران، يُربط الحمل بعربة متحركة مسطحة للحصول على حركة خطية وقوة. باختصار، عزم الدوران هو تعبير عن الشغل الذي يوفره المحرك الدوار، بينما القوة هي تعبير عن شغل المحرك الخطي.

دقة

لنأخذ أولاً نظام محرك دوار تقليدي: متصل ببرغي كروي بسرعة خمس دورات في البوصة، وتتراوح دقته بين 0.004 و0.008 بوصة، أو 0.1 و0.2 مم تقريبًا. أما النظام الدوار الذي يعمل بمحرك سيرفو، فتتراوح دقته بين 0.001 و0.0001 بوصة.

على النقيض من ذلك، فإن المحرك الخطي المتصل مباشرة بحمله يعطي دقة تتراوح من 0.0007 إلى 0.000008 بوصة. لاحظ أن الاقتران ورد الفعل العكسي للكرة اللولبية غير مدرجين في هذه الأرقام، وهذا يؤدي إلى تدهور دقة الأنظمة الدوارة.

تختلف الدقة النسبية: فالمحرك الدوار النموذجي الذي نفصله هنا لا يزال قادرًا على تحديد موضعه بدقة تصل إلى قطر شعرة الإنسان. ومع ذلك، تُحسّن محركات السيرفو هذه الدقة بمقدار يصل إلى 80 ضعفًا، بينما يُمكن للمحرك الخطي تحسينها أكثر - ليصبح قطره أصغر بـ 500 مرة من قطر شعرة الإنسان.

أحيانًا، تكون الصيانة والتكلفة (طوال عمر المعدات) أهم من الدقة. وتتفوق المحركات الخطية في هذا الجانب أيضًا: فتكاليف الصيانة تنخفض عمومًا مع استخدام المحركات الخطية، حيث تُحسّن الأجزاء غير التلامسية من تشغيل الآلة وتزيد من متوسط ​​الوقت بين الأعطال. بالإضافة إلى ذلك، يُزيل رد الفعل العكسي الصفري للمحركات الخطية الصدمات، مما يُطيل عمر الآلة. مزايا أخرى: يمكن زيادة الوقت بين دورات الصيانة، مما يسمح بتدفق تشغيلي أكبر. كما أن تقليل الصيانة ووجود كوادر بشرية مُشاركة يُحسّن الربح النهائي ويُقلل من تكلفة الملكية على مدار عمر المعدات.

الفوائد مقارنة

تتطلب التطبيقات حركة خطية. في حال استخدام محرك دوار، يلزم وجود آلية تحويل ميكانيكية لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة خطية. هنا، يختار المصممون آلية التحويل الأنسب للتطبيق مع تقليل القيود.

• المحرك الخطي مقابل الحزام والبكرة:للحصول على حركة خطية من محرك دوار، يُنصح باستخدام سير وبكرة. عادةً ما تكون قوة الدفع محدودة بقوة شد السير؛ إذ قد يؤدي التشغيل والتوقف السريعان إلى تمدد السير، وبالتالي حدوث رنين، مما يؤدي إلى زيادة زمن الاستقرار. كما أن اللف الميكانيكي، وارتداد الحركة، وتمدد السير يُقلل من قابلية التكرار والدقة وإنتاجية الآلة. ولأن السرعة وقابلية التكرار هما أساس حركة المؤازرة، فإن هذا ليس الخيار الأمثل. فبينما يمكن أن يصل تصميم السير والبكرة إلى 3 أمتار في الثانية، يمكن أن يصل التصميم الخطي إلى 10 أمتار في الثانية. وبدون أي رد فعل عكسي أو لف، تُعزز المحركات الخطية ذات الدفع المباشر قابلية التكرار والدقة.
• المحرك الخطي مقابل المحرك ذو الترس والرف:توفر آلية الجريدة والترس قوة دفع وصلابة ميكانيكية أكبر من تصميمات الحزام والبكرة. ومع ذلك، يؤدي التآكل ثنائي الاتجاه بمرور الوقت إلى تكرارات مشكوك فيها وعدم دقة، وهي من أبرز عيوب هذه الآلية. يمنع رد الفعل العكسي تغذية المحرك الراجعة من اكتشاف موضع الحمل الفعلي، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار، ويؤدي إلى انخفاض المكاسب وتباطؤ الأداء العام. في المقابل، تتميز الآلات التي تعمل بمحركات خطية بأنها أسرع وأكثر دقة في تحديد موضعها.
• المحرك الخطي مقابل المحرك اللولبي الكروي:الطريقة الأكثر شيوعًا لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة خطية هي استخدام لولب رصاصي أو لولبي كروي. هذه الطرق غير مكلفة لكنها أقل كفاءة: عادةً ما تكون نسبة كفاءة اللولب الرصاصي 50% أو أقل، بينما تكون نسبة كفاءة اللولب الكروي حوالي 90%. يُنتج الاحتكاك الشديد حرارة، ويُقلل التآكل طويل الأمد من الدقة. مسافة الحركة محدودة ميكانيكيًا. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن زيادة حدود السرعة الخطية إلا بزيادة درجة الصوت، ولكن هذا يُضعف دقة تحديد الموضع؛ كما أن السرعة الدورانية العالية جدًا قد تُسبب اهتزاز اللولب، مما يُؤدي إلى اهتزازه. تُوفر المحركات الخطية حركة طويلة وغير محدودة. مع وجود مُشفِّر عند الحمل، تكون الدقة طويلة المدى عادةً ±5 ميكرومتر/300 مم.

أنواع المحركات الخطية الأساسية

كما تختلف تقنيات المحركات الدوارة، تتعدد أنواع المحركات الخطية أيضًا: المحركات الخطية، والمحركات عديمة الفرش، والمحركات الخطية ذات التيار المتردد الحثي، وغيرها. تجدر الإشارة إلى أن التقنية الخطية تستخدم محركات (مضخمات) بالإضافة إلى متحكمات موضع (وحدات تحكم في الحركة) وأجهزة تغذية راجعة (مثل مستشعرات هول ومشفرات) متوفرة بكثرة في الصناعة.

تستفيد العديد من التصميمات من المحركات الخطية المخصصة، ولكن التصميمات المخزنة عادة ما تكون مناسبة.

محركات خطية بدون فرشاة ذات قلب حديديتتميز هذه المحركات بصفائح فولاذية في القوة المتحركة لتوجيه التدفق المغناطيسي. يتميز هذا النوع من المحركات بتصنيفات قوة أعلى وكفاءة أعلى، إلا أن وزنه يزن من ثلاثة إلى خمسة أضعاف وزن المحركات غير المسننة المماثلة في الحجم. تتكون الأسطوانة الثابتة من مغناطيسات دائمة متعددة الأقطاب متناوبة القطبية مثبتة على صفيحة فولاذية مدلفنة على البارد من النيكل. تتفاعل الصفائح الفولاذية على القوة المتحركة مع المغناطيسات على الأسطوانة الثابتة، مما يُولّد قوة "جاذبية" ويُظهر قدرًا ضئيلًا من الترس أو التموج أثناء انتقال المحرك من مجال مغناطيسي إلى آخر، مما يؤدي إلى تغيرات في السرعة.

تنتج هذه المحركات كمية كبيرة من قوة الذروة، وتتمتع بكتلة حرارية أكبر، وثابت زمني حراري طويل - وبالتالي فهي مناسبة لتطبيقات دورة العمل المتقطعة ذات القوة العالية والتي تحرك أحمالًا ثقيلة جدًا، كما هو الحال في خطوط النقل وأدوات الآلات؛ وهي مصممة للسفر غير المحدود وقد تتضمن عدة أسطوانات متحركة ذات مسارات متداخلة.

محركات بدون فرشاة وبدون تروستحتوي على مجموعة ملفات في القوة المتحركة بدون صفائح فولاذية. تتكون الملفات من سلك وإيبوكسي وهيكل دعم غير مغناطيسي. هذه الوحدة أخف وزنًا بكثير. يُنتج التصميم الأساسي قوة أقل، لذلك تُدرج مغناطيسات إضافية على المسار الثابت (للمساعدة في زيادة القوة)، ويكون المسار على شكل حرف U مع مغناطيسات على جانبيه. تُدرج القوة في منتصفه.

هذه المحركات مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تشغيلًا سلسًا دون تروس مغناطيسية، مثل معدات المسح أو التفتيش. وتُعدّ تسارعاتها العالية مفيدة في التقاط أشباه الموصلات ووضعها، وفرز الرقائق، وتوزيع اللحام والمواد اللاصقة. صُممت هذه المحركات لسفر غير محدود.

المحركات الخطيةكانت متوفرة منذ فترة طويلة؛ تتكون قوة الدفع المتحركة من نوى فولاذية مغلفة ذات شقوق دقيقة بأسنان، ومغناطيس دائم واحد، وملفات مدمجة في النواة المغلفة. (لاحظ أن الملفين ينتجان محركًا متدرجًا ثنائي الطور). هذا التجميع مغلف بغلاف من الألومنيوم.

تتكون الأسطوانة الثابتة من أسنان محفورة ضوئيًا على قضيب فولاذي، مُصقول ومطلي بالنيكل. يمكن تكديسها من طرف إلى طرف للحصول على أطوال غير محدودة. يأتي المحرك مزودًا بأداة دفع، ومحامل، وأسطوانة. تُستخدم قوة الجذب المغناطيسي كحمل مسبق للمحامل؛ كما تُمكّن الوحدة من العمل في وضع مقلوب لمجموعة متنوعة من التطبيقات.

محركات الحث التيار المترددتتكون من قوة دفع عبارة عن تجميع ملف مكون من صفائح فولاذية ولفائف طورية. يمكن أن تكون اللفائف أحادية أو ثلاثية الطور. يتيح ذلك التحكم المباشر عبر الإنترنت، أو التحكم من خلال عاكس أو محرك متجه. تتكون اللوحة الثابتة (وتسمى لوحة التفاعل) عادةً من طبقة رقيقة من الألومنيوم أو النحاس مثبتة على فولاذ مدرفل على البارد.

بمجرد تنشيط ملف الدفع، يتفاعل مع لوحة التفاعل ويتحرك. تتميز هذه التصميمات بسرعات أعلى وأطوال سفر غير محدودة، وتُستخدم في مناولة المواد، ونقل الأشخاص، والناقلات، والبوابات المنزلقة.

مفاهيم التصميم الجديدة

طُبّقت بعض أحدث تحسينات التصميم عبر إعادة الهندسة. على سبيل المثال، أُعيد تصميم بعض محركات السائر الخطية (المصممة أصلاً لتوفير الحركة في مستوى واحد) لتوفير الحركة في مستويين - للحركة على المحور X وY. في هذه الحالة، يتكون المحرك المحرك من محركين خطيين متعامدين بزاوية 90 درجة، بحيث يوفر أحدهما حركة على المحور X، والآخر حركة على المحور Y. كما يُمكن استخدام محركات سائر متعددة ذات مسارات متداخلة.

في هذه المحركات ثنائية المستوى، تستخدم المنصة الثابتة (أو الأسطوانة) بنيةً مركبةً جديدةً لتعزيز المتانة. كما تم تحسين صلابتها، مما أدى إلى تقليل الانحراف بنسبة 60% إلى 80% مقارنةً بنماذج الإنتاج السابقة. يتجاوز استواء الأسطوانة 14 ميكرونًا لكل 300 مم لضمان دقة الحركة. وأخيرًا: نظرًا لامتلاك المحركات المتدرجة قوة جذب طبيعية، يسمح هذا التصميم بتركيب الأسطوانة إما بشكل رأسي أو مقلوب، مما يوفر تنوعًا ومرونة في التطبيقات.

يُوسِّع ابتكار هندسي آخر، وهو التبريد المائي، قدرة محركات التيار المتردد الحثية الخطية بنسبة 25%. بفضل هذه القدرة الإضافية، بالإضافة إلى ميزة طول الحركة غير المحدود، تُوفِّر محركات التيار المتردد الحثية أعلى أداء في العديد من التطبيقات: ألعاب الملاهي، ومناولة الأمتعة، ونقل الأشخاص. وتتراوح سرعتها بين 6 و2000 بوصة/ثانية من خلال محركات سرعة قابلة للتعديل متوفرة حاليًا في الصناعة.

يتضمن محرك آخر غلافًا أسطوانيًا ثابتًا مع جزء متحرك خطي لتوفير الحركة. قد يكون هذا الجزء المتحرك قضيبًا مصنوعًا من فولاذ مُغطى بالنحاس، أو ملفًا متحركًا، أو مغناطيسًا متحركًا، مثل مكبس داخل أسطوانة.

توفر هذه التصاميم مزايا المحرك الخطي، بالإضافة إلى أدائها المماثل للمشغل الخطي. تشمل التطبيقات تنظير القولون في الطب الحيوي، والكاميرات المزودة بمشغلات ذات مصراع طويل، والتلسكوبات التي تتطلب تخميد الاهتزازات، ومحركات التركيز بالطباعة الحجرية، وتروس تبديل المولدات التي تُشغل القواطع لتشغيل المولدات، وكبس الطعام - كما هو الحال في طبع التورتيلا.

تُعدّ مجموعات أو مراحل المحركات الخطية الكاملة مناسبةً لتحديد مواقع الحمولات. تتكون هذه المحركات من محرك، ومُشفّر تغذية راجعة، ومفاتيح حدّية، وحامل كابل. كما يُمكن تكديس المراحل للحركة متعددة المحاور.

من مزايا المراحل الخطية انخفاض حجمها، مما يسمح لها بالتركيب في مساحات أصغر مقارنةً بالمواضع التقليدية. كما أن قلة مكوناتها تزيد من موثوقيتها. في هذه الحالة، يتصل المحرك بمحركات عادية. أما في حالة التشغيل بحلقة مغلقة، فيتم إغلاق حلقة الموضع بواسطة وحدة تحكم في الحركة.

بالإضافة إلى المنتجات الجاهزة، تتوفر تصاميم مخصصة ومتخصصة بكثرة. في النهاية، يُنصح بمراجعة احتياجات المعدات مع مهندس تطبيقات لتحديد المنتج الخطي الأمثل لتلبية احتياجات التطبيق.