توجد أنظمة الحركة الخطية داخل عدد لا يُحصى من الآلات، بما في ذلك أنظمة القطع بالليزر الدقيق، ومعدات أتمتة المختبرات، وآلات تصنيع أشباه الموصلات، وآلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC)، وأتمتة المصانع، وغيرها الكثير الذي لا يُحصى. تتراوح هذه الأنظمة من الأنظمة البسيطة نسبيًا، مثل مُشغّل مقعد غير مُكلف في سيارة ركاب، إلى أنظمة إحداثيات مُعقدة متعددة المحاور، مُجهزة بأنظمة تحكم ودفع إلكترونية لتحديد المواقع في حلقة مغلقة. مهما كانت أنظمة الحركة الخطية بسيطة أو مُعقدة، فإنها تشترك في جوهر واحد، وهو تحريك حمل لمسافة خطية في فترة زمنية مُحددة.

من أكثر الأسئلة شيوعًا عند تصميم نظام حركة خطية هو تقنية المحرك. بعد اختيار التقنية المناسبة، يجب أن يكون حجم المحرك مناسبًا لتلبية متطلبات تسارع الحمل، والتغلب على الاحتكاك في النظام، والتغلب على تأثير الجاذبية، مع الحفاظ على أقصى درجة حرارة تشغيل آمنة. يعتمد تصميم المحرك على عزم الدوران والسرعة والقدرة وإمكانية تحديد موقعه، بالإضافة إلى آلية القيادة والتحكم.

ما هو المحرك الذي يجب أن أبدأ به؟

هناك العديد من الأسئلة التطبيقية التي يجب مراعاتها عند تصميم نظام حركة خطية باستخدام تقنية محرك معينة. لا يتسع هذا المقال لشرح العملية برمتها، بل يهدف إلى مساعدتك على طرح الأسئلة الصحيحة عند التحدث مع مورد محركات.

لا يوجد ما يسمى بالمحرك الأفضل لكل تطبيق، بل يوجد المحرك الأفضل لتطبيق معين. في الغالبية العظمى من تطبيقات الحركة التزايدية، سيكون الاختيار إما محرك متدرج أو محرك تيار مستمر بفرشاة أو محرك تيار مستمر بدون فرشاة. قد تستخدم أنظمة الحركة الأكثر تعقيدًا محركات خطية متصلة مباشرة بالحمل، مما يتجنب الحاجة إلى تحويل الطاقة الميكانيكية؛ ليست هناك حاجة للتحويل من خلال لولب رصاصي/برغي كروي أو علبة تروس أو نظام بكرة. على الرغم من أنه يمكن تحقيق أقصى قدر من الدقة والتكرار ودقة التموضع باستخدام أنظمة سيرفو خطية بدون قلب ذات دفع مباشر، إلا أنها الأعلى تكلفة وتعقيدًا عند مقارنتها بالمحركات الدوارة. إن البنية التي تستخدم المحركات الدوارة أقل تكلفة بكثير، وستلبي غالبية تطبيقات الحركة الخطية؛ ومع ذلك، هناك حاجة إلى بعض وسائل التحويل "الدوار إلى الخطي" (وبالتالي، تحويل الطاقة) لتشغيل الحمل.

تُعتبر المحركات الخطوية، والمحركات ذات الفرش، والمحركات عديمة الفرش محركات تيار مستمر؛ ومع ذلك، توجد بعض الفروق الدقيقة التي قد تدفع المهندس إلى تفضيل نوع واحد على النوعين الآخرين في تطبيق معين. يجب التأكيد على أن هذا الاختيار يعتمد بشكل كبير على متطلبات تصميم النظام، ليس فقط من حيث السرعة وعزم الدوران، ولكن أيضًا على دقة التموضع، وقابلية التكرار، ودقة الدقة. لا يوجد محرك مثالي لكل تطبيق، وجميع القرارات تتطلب تنازلات في التصميم. في أبسط صورها، تعمل جميع المحركات، سواءً كانت تيارًا مترددًا أو تيارًا مستمرًا، أو ذات فرش، أو بدون فرش، أو أي محرك كهربائي آخر، وفقًا لنفس المبدأ الفيزيائي لتوليد عزم الدوران: تفاعل المجالات المغناطيسية. ومع ذلك، هناك اختلافات كبيرة في كيفية استجابة تقنيات المحركات المختلفة في تطبيقات معينة. يعتمد الأداء العام للمحرك، واستجابته، وتوليد عزم الدوران على طريقة إثارة المجال وهندسة الدائرة المغناطيسية المتأصلة في تصميم المحرك الفيزيائي، والتحكم في جهد والتيار الداخل بواسطة وحدة التحكم/المحرك، وطريقة تغذية السرعة أو الموضع، إذا تطلب التطبيق ذلك.

تستخدم تقنيات محركات التيار المستمر، ومحركات السيرفو الفرشاة، ومحركات السيرفو عديمة الفرشاة مصدر تيار مستمر لتشغيلها. في تطبيقات الحركة الخطية، لا يعني هذا إمكانية توصيل مصدر ثابت للتيار المستمر مباشرةً إلى ملفات المحرك؛ إذ يلزم وجود إلكترونيات للتحكم في تيار اللف (المرتبط بعزم الدوران الناتج) وجهد اللف (المرتبط بسرعة الخرج). فيما يلي ملخص لنقاط القوة والضعف في التقنيات الثلاث.

يبدأ تصميم النظام الخطي بكتلة الحمل وسرعة انتقالها من النقطة أ إلى النقطة ب. ويبدأ نوع المحرك وحجمه وتصميمه الميكانيكي بالقدرة (بالواط) اللازمة لتحريك الحمل. يبدأ التحليل بالحمل، ثم ينتقل إلى جميع المكونات وصولًا إلى مصدر طاقة المحرك، وهو عبارة عن سلسلة من الخطوات لفهم تحويل الطاقة من جزء إلى آخر في النظام، مع مراعاة كفاءات المكونات المختلفة بينهما. تُترجم الواطات، على شكل جهد وتيار، إلى ناتج ميكانيكي بوحدات الواط لتحريك حمل معين في فترة زمنية محددة.

للحصول على مؤشر لطاقة الخرج المطلوبة عند الحمل، يُساعد حساب بسيط للقدرة على تقدير قدرة المحرك. بعد فهم متوسط طاقة الخرج المطلوبة، أكمل تحليل متطلبات الطاقة من خلال العمل على المحرك وقيادته من خلال عناصر تحويل الطاقة المختلفة. يجب الرجوع إلى بيانات المصنعين لمراعاة كفاءة المكونات المختلفة، لأن ذلك سيحدد في النهاية حجم المحرك ومصدر الطاقة. يعتمد اختيار الوحدات المناسبة على التفضيل الشخصي، ولكن يُنصح بشدة باستخدام وحدات النظام الدولي للوحدات (SI). يُغني العمل بوحدات النظام الدولي للوحدات (SI) عن الحاجة إلى تذكر ثوابت تحويل متعددة، ويمكن دائمًا تحويل النتيجة النهائية إلى وحدات إنجليزية.

ما هي كمية الطاقة اللازمة لتحريك الحمل في الوقت المطلوب؟

تتطلب كتلة وزنها 9 كجم مرفوعة ضد الجاذبية قوة مقدارها حوالي 88 نيوتن. سيوفر حساب الواط اللازم لتحريك الحمل نقطة انطلاق لتحديد مكونات النظام. هذه هي متوسط القدرة اللازمة لتحريك كتلة وزنها 9 كجم رأسيًا من النقطة أ إلى النقطة ب في ثانية واحدة. لا يشمل ذلك خسائر النظام مثل الاحتكاك. ستكون قدرة عمود المحرك المطلوبة أعلى قليلًا وتعتمد على المكونات الأخرى المستخدمة في النظام، مثل علبة التروس وبرغي التوصيل.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

يختلف هذا عن ذروة الطاقة المطلوبة من النظام. بمراعاة التسارع والتباطؤ، ستكون الطاقة اللحظية أثناء الحركة أعلى قليلاً؛ ومع ذلك، يبلغ متوسط طاقة الخرج المطلوبة عند الحمل حوالي 18 واط. بعد تحليل شامل لجميع المكونات، سيحتاج نظام كهذا إلى ذروة طاقة تبلغ حوالي 37 واط لإنجاز المهمة. ستساعد هذه المعلومات، إلى جانب مواصفات التطبيقات الأخرى، في اختيار تقنية المحرك الأنسب.

ما هي تكنولوجيا المحرك التي ينبغي أن أفكر فيها؟

إن قدرة تحديد المواقع الممتازة وأنظمة التحكم البسيطة نسبيًا قد تدفع المصمم إلى دراسة إمكانية استخدام محرك متدرج أولًا. مع ذلك، لن يلبي محرك المتدرج متطلبات المساحة الميكانيكية الصغيرة مع تلبية متطلبات الحمل. يتطلب تحقيق ذروة طاقة قدرها 37 واط محرك متدرج كبير جدًا. على الرغم من أن محركات المتدرج تتميز بعزم دوران عالٍ جدًا عند السرعات المنخفضة، إلا أن سرعة الذروة، وبالتالي متطلبات الطاقة لنمط الحركة، تتجاوز قدرة جميع محركات المتدرج باستثناء أكبرها.

يلبي محرك سيرفو التيار المستمر ذو الفرشاة متطلبات الحمل، ويتمتع بمساحة ميكانيكية صغيرة، ويدور بسلاسة فائقة عند السرعات المنخفضة؛ ومع ذلك، نظرًا لمتطلبات التوافق الكهرومغناطيسي الصارمة، يُفضل تجنب محرك الفرشاة في هذا التطبيق تحديدًا. قد يكون هذا بديلاً أقل تكلفة مقارنةً بالنظام عديم الفرشاة، ولكنه قد يُمثل صعوبة في استيفاء أي متطلبات توافق كهرومغناطيسي صارمة.

يُعد محرك التيار المستمر عديم الفرش، الذي يستخدم نظام دفع جيبي، الخيار الأمثل لتلبية جميع متطلبات التطبيقات، بما في ذلك نمط الحمل والحركة (كثافة طاقة عالية)؛ وحركة سلسة وخالية من الترس عند السرعات المنخفضة؛ ومساحة ميكانيكية صغيرة. في هذه الحالة، لا يزال هناك احتمال لظهور تداخل كهرومغناطيسي (EMI) بسبب التبديل عالي التردد لإلكترونيات المحرك؛ ومع ذلك، يمكن التخفيف من ذلك باستخدام الترشيح المباشر نظرًا لنطاق تردد أضيق. يتميز محرك التيار المستمر ذو الفرش بنطاق ترددي أوسع، مما يزيد من صعوبة ترشيحه.

تحديد حجم المحرك هو مجرد البداية

كانت هذه المقالة نقاشًا موجزًا لتعريف المصمم باعتبارات مختلفة عند اختيار تقنية محرك لتطبيق حركة خطية بسيط نسبيًا. على الرغم من أن المبادئ متطابقة لنظام أكثر تعقيدًا مثل طاولة XY أو آلية التقاط ووضع دقيقة متعددة المحاور، إلا أنه يجب تحليل كل محور للحمل بشكل مستقل. ومن الاعتبارات الأخرى خارج نطاق هذه المقالة كيفية اختيار عامل الأمان المناسب لتحقيق العمر المطلوب للنظام (عدد الدورات). لا يقتصر عمر النظام على حجم المحرك فحسب، بل يشمل أيضًا العناصر الميكانيكية الأخرى في النظام مثل علبة التروس ومجموعة برغي الرصاص. عوامل أخرى مثل دقة التموضع، والدقة، وقابلية التكرار، والحد الأقصى للتدحرج، والميل، والانحراف، وما إلى ذلك، كلها اعتبارات مهمة لضمان أن نظام الحركة الخطية يلبي أو يتجاوز أهداف التطبيق.