المحركات الخطية تتكاثر. إنها تمنح الآلات أعلى مستويات الدقة والأداء الديناميكي على الإطلاق.

تتميز المحركات الخطية بأنها سريعة ودقيقة للغاية في تحديد المواقع، ولكنها أيضًا قادرة على تحقيق سرعة بطيئة وثابتة لرؤوس الماكينات والشرائح، بالإضافة إلى أنظمة التعامل مع الأدوات والأجزاء. تستخدم مجموعة متنوعة من التطبيقات - جراحة الليزر، وفحص الرؤية، والتعامل مع الزجاجات والأمتعة - المحركات الخطية لأنها موثوقة للغاية، وتتطلب القليل من الصيانة، وتعمل على تحسين دورات الإنتاج.

سرعة وقوة أعلى

تقترن المحركات الخطية مباشرة بأحمالها، مما يلغي مجموعة من مكونات الاقتران - الوصلات الميكانيكية، والبكرات، وأحزمة التوقيت، والبراغي الكروية، ومحركات السلسلة، والجريدة المسننة والتروس، على سبيل المثال لا الحصر. وهذا بدوره يقلل من التكاليف وحتى رد الفعل العكسي. تسمح المحركات الخطية أيضًا بالحركة المتسقة وتحديد المواقع بدقة لمئات الملايين من الدورات وسرعات أعلى.

تختلف السرعات النموذجية التي يمكن تحقيقها باستخدام المحركات الخطية: آلات الالتقاط والوضع (التي تقوم بالكثير من الحركات القصيرة) واستخدام معدات الفحصالسائر الخطيةبسرعات تصل إلى 60 بوصة/ثانية؛ تطبيقات القص الطائر وآلات الالتقاط والوضع التي تستخدم حركات أطولخالية من الترس فرشالمحركات الخطية بسرعات تصل إلى 200 بوصة/ثانية؛ تستخدم الأفعوانيات وقاذفات المركبات ومحركات الأشخاص الخطيةتحريض التيار المترددالمحركات للوصول إلى سرعات تصل إلى 2000 بوصة / ثانية.

هناك عامل آخر يحدد تقنية المحرك الخطي الأفضل: القوة المطلوبة لتحريك حمل التطبيق. يحدد الحمل أو الكتلة بالإضافة إلى ملف تعريف التسارع الخاص بالتطبيق هذه القوة في النهاية.

يقدم كل تطبيق تحديات مختلفة؛ ومع ذلك، بشكل عام، تستخدم أنظمة النقل الجزئي السائر الخطي بقوة تصل إلى 220 نيوتن أو 50 رطلاً؛ تستخدم أشباه الموصلات، والقطع بالليزر، والقطع بنفث الماء، والروبوتات محركات خالية من التروس بدون فرش تصل إلى 2500 نيوتن؛ تستخدم أنظمة النقل محركات تحريضية خطية تعمل بالتيار المتردد حتى 2200 نيوتن؛ وتستخدم أدوات خط النقل والآلات محركات بدون فرش ذات قلب حديدي تصل إلى 14000 نيوتن. ضع في اعتبارك أن كل تطبيق مختلف وأن مهندسي تطبيقات الشركة المصنعة يقدمون المساعدة بشكل عام في خطوة المواصفات هذه.

توجد عوامل أخرى إلى جانب السرعة والقوة. على سبيل المثال، تستخدم أنظمة النقل المحركات الحثية الخطية ذات التيار المتردد بسبب طول انتقالها الطويل، ومزايا وجود محرك ثانوي سلبي بدون مغناطيس دائم. تستخدم تطبيقات مثل جراحة العيون بالليزر وتصنيع أشباه الموصلات بدون فرشاة بدون تروس لضمان الدقة والسلاسة في السفر.

العملية الأساسية

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

تخيل قطع محرك دوار ثم تسطيحه: وهذا يعطي فكرة تقريبية عن هندسة المحرك الخطي. بدلاً من اقتران الحمل بعمود دوار من أجل عزم الدوران، يتم توصيل الحمل بسيارة متحركة مسطحة من أجل الحركة والقوة الخطية. باختصار، عزم الدوران هو التعبير عن الشغل الذي يوفره المحرك الدوار، في حين أن القوة هي التعبير عن الشغل الخطي للمحرك.

دقة

دعونا نفكر أولاً في نظام السائر الدوار التقليدي: متصل بمسمار كروي بميل يبلغ 5 دورات في البوصة، وتبلغ الدقة حوالي 0.004 إلى 0.008 بوصة، أو 0.1 إلى 0.2 ملم. يكون النظام الدوار الذي يتم تشغيله بواسطة محرك مؤازر دقيقًا من 0.001 إلى 0.0001 بوصة.

في المقابل، فإن المحرك الخطي المقترن مباشرة بحمولته يعطي دقة تتراوح من 0.0007 إلى 0.000008 بوصة. لاحظ أن الوصلات العكسية والارتداد اللولبي الكروي غير متضمنين في هذه الأشكال، مما يزيد من تدهور دقة الأنظمة الدوارة.

تختلف الدقة النسبية: لا يزال بإمكان السائر الدوار النموذجي الذي نوضحه هنا تحديد موضعه بدقة ضمن قطر شعرة الإنسان. ومع ذلك، تعمل الماكينات على تحسين ذلك بمعامل يصل إلى 80 مرة، في حين يمكن للمحرك الخطي تحسين هذا بشكل أكبر - إلى 500 مرة أصغر من قطر شعرة الإنسان.

في بعض الأحيان تكون الصيانة والتكلفة (على مدى عمر المعدات) اعتبارات أكثر أهمية من الدقة. تتفوق المحركات الخطية هنا أيضًا: تنخفض تكاليف الصيانة عمومًا مع استخدام المحركات الخطية، حيث تعمل الأجزاء غير المتصلة على تحسين تشغيل الماكينة وزيادة متوسط ​​الوقت بين حالات الفشل. بالإضافة إلى ذلك، فإن رد الفعل العكسي الصفري للمحركات الخطية يزيل الصدمات، مما يزيد من عمر الماكينة. فوائد أخرى: يمكن زيادة الوقت بين دورات الصيانة، مما يسمح بمزيد من التدفق التشغيلي. تعمل الصيانة الأقل والموظفين المشاركين على تحسين النتيجة النهائية - الربح - وتقليل تكلفة الملكية على مدار عمر المعدات.

مقارنة الفوائد

تتطلب التطبيقات حركة خطية. إذا كنت تستخدم محركًا دوارًا، فمن الضروري وجود آلية تحويل ميكانيكية لتحويل الحركة الدوارة إلى حركة خطية. هنا، يقوم المصممون باختيار آلية التحويل الأكثر ملاءمة للتطبيق مع تقليل القيود.

• المحرك الخطي مقابل الحزام والبكرة:للحصول على حركة خطية من محرك دوار، الطريقة الشائعة هي استخدام حزام وبكرة. عادةً ما تكون قوة الدفع محدودة بقوة شد الحزام؛ يمكن أن يؤدي البدء والتوقف السريع إلى تمدد الحزام وبالتالي حدوث رنين، مما يؤدي إلى زيادة وقت الاستقرار. كما أن اللف الميكانيكي ورد الفعل العكسي وتمديد الحزام يقلل أيضًا من إمكانية التكرار والدقة وإنتاجية الماكينة. نظرًا لأن السرعة والتكرار هما اسم اللعبة في الحركة المؤازرة، فهذا ليس الخيار الأفضل. حيث يمكن أن يصل تصميم البكرة الحزامية إلى 3 م/ث، يمكن أن يصل التصميم الخطي إلى 10 م/ث. بدون أي رد فعل عنيف أو انعكاس، تعمل المحركات الخطية ذات الدفع المباشر على تعزيز التكرار والدقة.
• المحرك الخطي مقابل الجريدة المسننة والترس:توفر الرف والتروس قوة دفع وصلابة ميكانيكية أكبر من تصميمات الحزام والبكرة. ومع ذلك، فإن التآكل ثنائي الاتجاه بمرور الوقت يؤدي إلى تكرار مشكوك فيه وعدم دقة - وهي العيوب الرئيسية لهذه الآلية. يمنع رد الفعل العكسي ردود فعل المحرك من اكتشاف موضع الحمل الفعلي، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار - ويفرض مكاسب أقل وأداء إجمالي أبطأ. وفي المقابل، تكون الآلات التي تعمل بمحركات خطية أسرع ويتم وضعها بشكل أكثر دقة.
• المحرك الخطي مقابل اللولب الكروي:الطريقة الأكثر شيوعًا لتحويل الحركة الدوارة إلى الحركة الخطية هي استخدام الرصاص أو اللولب الكروي. وهي غير مكلفة ولكنها أقل كفاءة: مسامير الرصاص عادة 50% أو أقل، والبراغي الكروية حوالي 90%. ينتج عن الاحتكاك العالي حرارة، كما أن التآكل على المدى الطويل يقلل من الدقة. مسافة السفر محدودة ميكانيكيا. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن تمديد حدود السرعة الخطية إلا عن طريق زيادة درجة الصوت، ولكن هذا يؤدي إلى انخفاض الدقة الموضعية؛ يمكن أن تؤدي سرعة الدوران العالية جدًا أيضًا إلى اهتزاز البراغي، مما يؤدي إلى الاهتزاز. توفر المحركات الخطية حركة طويلة وغير محدودة. مع وجود جهاز تشفير عند التحميل، تبلغ الدقة على المدى الطويل عادةً ±5 ميكرومتر/300 مم.

أنواع المحركات الخطية الأساسية

بما أن هناك تقنيات مختلفة للمحركات الدوارة، فهناك أيضًا العديد من أنواع المحركات الخطية: السائر، بدون فرش، والحث الخطي المتردد، من بين أنواع أخرى. لاحظ أن التكنولوجيا الخطية تستخدم محركات الأقراص (مكبرات الصوت) بالإضافة إلى أجهزة تحديد المواقع (وحدات التحكم في الحركة) وأجهزة التغذية المرتدة (مثل أجهزة استشعار Hall وأجهزة التشفير) المتوفرة بشكل شائع في الصناعة.

تستفيد العديد من التصميمات من المحركات الخطية المخصصة، لكن تصميمات المخزون عادة ما تكون مناسبة.

المحركات الخطية ذات النواة الحديدية بدون فرشتتميز بتصفيح الفولاذ في القوة المتحركة لتوجيه التدفق المغناطيسي. يتمتع هذا النوع من المحركات بتصنيفات قوة أعلى وأكثر كفاءة، ولكنه يزن ثلاث إلى خمس مرات أكثر من المحركات الخالية من التروس ذات الحجم المماثل. تتكون اللوحة الثابتة من مغناطيسات دائمة ذات قطبية متناوبة متعددة الأقطاب مرتبطة بلوحة فولاذية مدلفنة على البارد من النيكل. ومع ذلك، تتفاعل الصفائح الفولاذية الموجودة على القوة المتحركة مع المغناطيس الموجود على اللوحة الثابتة، مما يؤدي إلى تطوير قوة "جاذبة" وتظهر كمية صغيرة من التسنن أو التموج أثناء تحرك المحرك من مجال مغناطيسي إلى آخر مما يؤدي إلى اختلافات في السرعة.

تنتج هذه المحركات قدرًا كبيرًا من قوة الذروة، ولها كتلة حرارية أكبر، وثابت زمن حراري طويل - لذا فهي مناسبة لتطبيقات دورة العمل المتقطعة عالية القوة والتي تنقل أحمالًا ثقيلة جدًا، كما هو الحال في خطوط النقل والأدوات الآلية؛ وهي مصممة للسفر غير المحدود وقد تتضمن ألواحًا متحركة متعددة ذات مسارات متداخلة.

محركات بدون تروس بدون فرشلديك مجموعة لفائف في القوة المتحركة بدون تصفيح فولاذي. يتكون الملف من سلك، إيبوكسي، وبنية دعم غير مغناطيسية. هذه الوحدة أخف وزنا بكثير. ينتج التصميم الأساسي قدرًا أقل من القوة، لذلك يتم إدخال مغناطيسات إضافية على المسار الثابت (مساعدة لزيادة القوة) ويكون المسار على شكل حرف U مع مغناطيس على كل جانب من جوانب هذا الحرف U. ويتم إدخال القوة في منتصف حرف U. .

هذه المحركات مناسبة للتطبيقات التي تتطلب التشغيل السلس بدون تروس مغناطيسية، مثل معدات المسح أو الفحص. تعتبر تسارعاتها العالية مفيدة في اختيار أشباه الموصلات ووضعها، وفرز الرقائق، وتوزيع اللحام والمواد اللاصقة. تم تصميم هذه المحركات للسفر غير المحدود.

السائر الخطيةكانت متاحة لفترة طويلة. تتكون القوة المتحركة من نوى فولاذية مغلفة مشقوقة بدقة بأسنان، ومغناطيس دائم واحد، وملفات يتم إدخالها في القلب الرقائقي. (لاحظ أن الملفين يؤديان إلى محرك متدرج ثنائي الطور.) يتم تغليف هذا التجميع في غلاف من الألومنيوم.

تتكون اللوحة الثابتة من أسنان محفورة كيميائيًا ضوئيًا على قضيب فولاذي ومطلية بالنيكل. يمكن تكديس هذا من طرف إلى طرف لطول غير محدود. يأتي المحرك كاملاً مع القوة والمحامل والصفيحة. يتم استخدام قوة الجذب من المغناطيس كتحميل مسبق للمحامل؛ كما أنه يتيح تشغيل الوحدة في وضع مقلوب لمجموعة متنوعة من التطبيقات.

المحركات الحثية ACتتكون من قوة عبارة عن مجموعة ملف تتكون من شرائح فولاذية ولفات طور. يمكن أن تكون اللفات إما أحادية أو ثلاثية الطور. وهذا يسمح بالتحكم المباشر عبر الإنترنت، أو التحكم من خلال محرك عاكس أو ناقل. تتكون اللوحة الثابتة (وتسمى لوحة التفاعل) عادة من طبقة رقيقة من الألومنيوم أو النحاس المرتبطة بالفولاذ المدرفل على البارد.

بمجرد تنشيط ملف القوة، فإنه يتفاعل مع لوحة التفاعل ويتحرك. السرعات العالية وأطوال السفر غير المحدودة هي نقاط قوة هذا التصميم. يتم استخدامها لمناولة المواد ونقل الأشخاص والناقلات والبوابات المنزلقة.

مفاهيم التصميم الجديدة

تم تنفيذ بعض من أحدث تحسينات التصميم من خلال إعادة الهندسة. على سبيل المثال، تم الآن إعادة هندسة بعض محركات السائر الخطية (المصممة في الأصل لتوفير الحركة في مستوى واحد) لتوفير الحركة في مستويين - لحركة XY. هنا، تتكون القوة المتحركة من درجتين خطيتين مثبتتين بشكل متعامد عند 90 درجة بحيث يوفر أحدهما حركة المحور X، والآخر يوفر حركة المحور Y. من الممكن أيضًا استخدام قوى متعددة ذات مسارات متداخلة.

في هذه المحركات ذات المستويين، تستخدم المنصة الثابتة (أو اللوح) بنية مركبة جديدة من أجل القوة. تم أيضًا تحسين الصلابة، بحيث يتم تقليل الانحراف بنسبة 60 إلى 80% مقارنة بنماذج الإنتاج السابقة. يتجاوز تسطيح الصفيحة 14 ميكرون لكل 300 مم من أجل حركة دقيقة. أخيرًا: نظرًا لأن أدوات الخطوة تتمتع بقوة جذب طبيعية، فإن هذا المفهوم يسمح بتركيب اللوحة إما متجهة للأعلى أو مقلوبة، وبالتالي توفير التنوع والمرونة للتطبيقات.

هناك ابتكار هندسي آخر - التبريد بالمياه - يزيد من قدرة القوة للمحركات الحثية ذات التيار المتردد الخطي بنسبة 25%. مع توسيع القدرة هذا، بالإضافة إلى الاستفادة من طول السفر غير المحدود، توفر المحركات الحثية ذات التيار المتردد أعلى أداء للعديد من التطبيقات: رحلات الملاهي، ومناولة الأمتعة، ونقل الأشخاص. السرعة متغيرة (من 6 إلى 2000 بوصة/ثانية) من خلال محركات السرعة القابلة للتعديل المتوفرة حاليًا في الصناعة.

يشتمل المحرك الآخر على غلاف أسطواني ثابت مع جزء متحرك خطي لتوفير الحركة. قد يكون الجزء المتحرك عبارة عن قضيب يتكون من الفولاذ المكسو بالنحاس، أو ملف متحرك، أو مغناطيس متحرك، مثل المكبس داخل الأسطوانة.

توفر هذه التصميمات فوائد المحرك الخطي بالإضافة إلى أداء مماثل للمشغل الخطي. تشمل التطبيقات تنظير القولون الطبي الحيوي، والكاميرات ذات مشغلات الغالق الطويلة، والتلسكوبات التي تتطلب تخميد الاهتزاز، ومحركات تركيز الطباعة الحجرية، وتروس تبديل المولدات التي ترمي القواطع لتشغيل المولدات، وضغط الطعام - كما هو الحال عند التخلص من خبز التورتيلا.

تعد حزم أو مراحل المحركات الخطية الكاملة مناسبة لتحديد موضع الحمولات. وتتكون هذه من المحرك، وجهاز تشفير التغذية الراجعة، ومفاتيح الحد، وحامل الكابل. من الممكن تكديس المراحل لحركة متعددة المحاور.

إحدى مزايا المراحل الخطية هي مظهرها المنخفض، مما يسمح لها بالتناسب مع المساحات الأصغر مقارنةً بمحددات الموضع التقليدية. تؤدي المكونات الأقل إلى زيادة الموثوقية. هنا، يتم توصيل المحرك بمحركات الأقراص العادية. في عملية الحلقة المغلقة، يتم إغلاق حلقة الموضع باستخدام وحدة التحكم في الحركة.

مرة أخرى، إلى جانب المنتجات المخزنة، تكثر التصاميم المخصصة والمتخصصة. في النهاية، من الأفضل مراجعة احتياجات المعدات مع مهندس التطبيقات لتحديد المنتج الخطي الأمثل المناسب لاحتياجات التطبيق.