تُستخدم أنظمة الحركة الخطية في عدد لا يُحصى من الآلات، بما في ذلك أنظمة القطع بالليزر الدقيقة، ومعدات أتمتة المختبرات، وآلات تصنيع أشباه الموصلات، وآلات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC)، وأنظمة أتمتة المصانع، وغيرها الكثير. وتتراوح هذه الأنظمة من البسيطة نسبيًا، مثل مُشغّل المقعد غير المكلف في سيارة ركاب، إلى أنظمة إحداثيات معقدة متعددة المحاور مزودة بإلكترونيات تحكم وقيادة لتحديد المواقع في حلقة مغلقة. وبغض النظر عن مدى بساطة أو تعقيد نظام الحركة الخطية، فإنه يشترك جميعًا في وظيفة أساسية واحدة: تحريك حمولة عبر مسافة خطية خلال فترة زمنية محددة.

يُعدّ اختيار تقنية المحرك من أكثر الأسئلة شيوعًا عند تصميم نظام حركة خطية. فبعد اختيار التقنية، يجب تحديد حجم المحرك بما يتناسب مع متطلبات تسارع الحمل، والتغلب على الاحتكاك في النظام، وتأثير الجاذبية، مع الحفاظ على درجة حرارة تشغيل قصوى آمنة. وتعتمد خصائص عزم الدوران والسرعة والطاقة وقدرة تحديد الموضع للمحرك على تصميمه، بالإضافة إلى نظام القيادة والتحكم.

بأي محرك يجب أن أبدأ؟

هناك العديد من الأسئلة التطبيقية التي يجب مراعاتها عند تصميم نظام حركة خطية باستخدام تقنية محركات معينة. إن شرح العملية برمتها بالتفصيل يتجاوز نطاق هذه المقالة، والهدف هو مساعدتك على التفكير في طرح الأسئلة الصحيحة عند التحدث مع موردي المحركات.

لا يوجد محرك مثالي لجميع التطبيقات، بل يوجد محرك مثالي لتطبيق معين. في الغالبية العظمى من تطبيقات الحركة التزايدية، يكون الخيار إما محركًا خطويًا، أو محرك تيار مستمر ذو فرش، أو محرك تيار مستمر بدون فرش. قد تستخدم أنظمة الحركة الأكثر تعقيدًا محركات خطية موصولة مباشرة بالحمل، مما يُغني عن الحاجة إلى تحويل الطاقة الميكانيكية؛ فلا حاجة للتحويل عبر لولب رصاصي/لولب كروي، أو علبة تروس، أو نظام بكرات. على الرغم من إمكانية تحقيق أقصى دقة، وقابلية تكرار، ودقة تحديد المواقع باستخدام أنظمة المؤازرة الخطية ذات الدفع المباشر بدون قلب، إلا أنها الأعلى تكلفة وتعقيدًا مقارنةً بالمحركات الدوارة. يُعد التصميم الذي يستخدم المحركات الدوارة أقل تكلفة بكثير، ويلبي احتياجات معظم تطبيقات الحركة الخطية؛ ومع ذلك، يلزم وجود وسيلة لتحويل الحركة من دوارة إلى خطية (وبالتالي تحويل الطاقة) لتشغيل الحمل.

تُعتبر المحركات الخطوية، والمحركات ذات الفرش، والمحركات عديمة الفرش جميعها محركات تيار مستمر؛ ومع ذلك، توجد اختلافات دقيقة قد تدفع المهندس إلى تفضيل نوع 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، بل أيضًا من حيث دقة تحديد المواقع، وقابلية التكرار، ومتطلبات الدقة. لا يوجد محرك مثالي لكل تطبيق، وستتطلب جميع القرارات مفاضلات في التصميم. على المستوى الأساسي، تعمل جميع المحركات، سواء كانت تُسمى محركات تيار متردد أو تيار مستمر، أو محركات ذات فرش أو محركات عديمة الفرش أو أي نوع آخر من المحركات الكهربائية، وفقًا لنفس المبدأ الفيزيائي لتوليد عزم الدوران: تفاعل المجالات المغناطيسية. ومع ذلك، توجد اختلافات كبيرة في طريقة استجابة تقنيات المحركات المختلفة هذه في تطبيقات معينة. يعتمد الأداء العام للمحرك، واستجابته، وتوليد عزم الدوران على طريقة إثارة المجال وهندسة الدائرة المغناطيسية المتأصلة في تصميم المحرك المادي، والتحكم في جهد وتيار الإدخال بواسطة وحدة التحكم/المحرك، وطريقة تغذية السرعة أو الموضع، إذا تطلب التطبيق ذلك.

تستخدم تقنيات محركات التيار المستمر الخطوية، ومحركات المؤازرة ذات الفرش، ومحركات المؤازرة عديمة الفرش، جميعها مصدر تيار مستمر لتشغيلها. في تطبيقات الحركة الخطية، لا يعني هذا إمكانية تطبيق مصدر تيار مستمر ثابت مباشرةً على ملفات المحرك؛ بل يلزم وجود دوائر إلكترونية للتحكم في تيار الملفات (المرتبط بعزم الدوران الناتج) وجهد الملفات (المرتبط بسرعة الدوران). فيما يلي ملخص لنقاط القوة والضعف في هذه التقنيات الثلاث.

يبدأ تصميم النظام الخطي بتحديد كتلة الحمل وسرعة انتقالها من النقطة أ إلى النقطة ب. ويبدأ تحديد نوع المحرك وحجمه وتصميمه الميكانيكي بناءً على القدرة (بالواط) اللازمة لتحريك الحمل. وبالبدء من الحمل، ثم المرور بجميع المكونات وصولاً إلى مصدر طاقة المحرك، تُجرى عملية التحليل على شكل سلسلة من الخطوات لفهم تحويل الطاقة بين أجزاء النظام المختلفة، مع مراعاة كفاءات المكونات الوسيطة. وتُترجم القدرة (بالواط) المُدخلة إلى المحرك، على شكل جهد وتيار، في النهاية إلى قدرة خرج ميكانيكية (بالواط) لتحريك حمل معين خلال فترة زمنية محددة.

للحصول على مؤشر لطاقة الخرج المطلوبة عند الحمل، يمكن إجراء حساب بسيط للطاقة لتحديد حجم المحرك تقريبًا. بعد فهم متوسط ​​طاقة الخرج المطلوبة، أكمل تحليل متطلبات الطاقة بالرجوع إلى المحرك وعناصر تحويل الطاقة المختلفة. يجب الرجوع إلى بيانات الشركات المصنعة لمراعاة كفاءة المكونات المختلفة، لأن ذلك سيحدد في النهاية حجم المحرك ومصدر الطاقة. يعود اختيار وحدات القياس إلى التفضيل الشخصي، ولكن يُنصح بشدة باستخدام وحدات النظام الدولي للوحدات (SI). فالعمل بوحدات SI يُغني عن حفظ ثوابت تحويل متعددة، ويمكن دائمًا تحويل النتيجة النهائية إلى الوحدات الإنجليزية.

ما مقدار الطاقة اللازمة لتحريك الحمل في الوقت المطلوب؟

يتطلب رفع كتلة مقدارها 9 كجم ضد الجاذبية قوة مقدارها 88 نيوتن تقريبًا. يُوفر حساب القدرة الكهربائية اللازمة لتحريك هذه الكتلة نقطة انطلاق لتحديد مكونات النظام الأخرى. هذه هي القدرة المتوسطة اللازمة لتحريك كتلة مقدارها 9 كجم عموديًا من النقطة أ إلى النقطة ب في ثانية واحدة. لا تُؤخذ في الحسبان خسائر النظام مثل الاحتكاك. ستكون قدرة عمود المحرك المطلوبة أعلى قليلًا، وتعتمد على المكونات الأخرى المستخدمة في النظام، مثل علبة التروس واللولب الرئيسي.

P = (F × S) / t

P = (88 نيوتن × 0.2 متر) / 1.0 ثانية = 17.64 واط

يختلف هذا عن ذروة الطاقة المطلوبة من النظام. عند أخذ التسارع والتباطؤ في الحسبان، 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 التطبيق الأخرى، في اختيار تقنية المحرك الأنسب.

ما هي تقنيات المحركات التي يجب أن أضعها في الاعتبار؟

إن قدرة تحديد المواقع الممتازة وسهولة التحكم النسبية تدفع المصمم إلى التفكير في استخدام محرك خطوي في البداية. إلا أن المحرك الخطوي لا يفي بمتطلبات الحجم الصغير مع تلبية متطلبات الحمل. فاستهلاك الطاقة الأقصى البالغ 37 واط يتطلب محركًا خطويًا كبيرًا جدًا. ورغم أن المحركات الخطوية تتميز بعزم دوران عالٍ جدًا عند السرعات المنخفضة، إلا أن ذروة السرعة، وبالتالي متطلبات الطاقة اللازمة للحركة، تتجاوز قدرة جميع المحركات الخطوية باستثناء أكبرها حجمًا.

محرك سيرفو ذو فرش يعمل بالتيار المستمر يلبي متطلبات الحمل، ويتميز بحجمه الصغير ودورانه السلس للغاية عند السرعات المنخفضة؛ ومع ذلك، ونظرًا لمتطلبات التوافق الكهرومغناطيسي الصارمة، يُفضل تجنب استخدام محرك الفرش في هذا التطبيق تحديدًا. يُعد هذا بديلاً أقل تكلفة مقارنةً بنظام بدون فرش، ولكنه قد يُشكل صعوبة في تلبية متطلبات التوافق الكهرومغناطيسي الصارمة.

يُعدّ محرك التيار المستمر عديم الفرشات، الذي يستخدم نظام قيادة جيبي، الخيار الأمثل لتلبية جميع متطلبات التطبيق، بما في ذلك خصائص الحمل والحركة (كثافة طاقة عالية)؛ وحركة سلسة وخالية من التروس عند السرعات المنخفضة؛ وحجم صغير. في هذه الحالة، يبقى احتمال وجود تداخل كهرومغناطيسي واردًا نتيجةً للتبديل عالي التردد لإلكترونيات القيادة؛ إلا أنه يمكن التخفيف من ذلك باستخدام ترشيح خطي نظرًا لنطاق التردد الأضيق. أما محرك التيار المستمر ذو الفرشات، فيُظهر نطاقًا أوسع من التداخل الكهرومغناطيسي، مما يجعل عملية الترشيح أكثر صعوبة.

تحديد حجم المحرك ليس سوى البداية

تناولت هذه المقالة بإيجازٍ تعريف المصممين بالاعتبارات المختلفة عند اختيار تقنية محرك لتطبيق حركة خطية بسيط نسبيًا. ورغم أن المبادئ متطابقة في الأنظمة الأكثر تعقيدًا، مثل طاولة XY أو آلية التقاط ووضع دقيقة متعددة المحاور، إلا أنه يجب تحليل كل محور على حدة من حيث الحمل. ومن الاعتبارات الأخرى، التي لا تتناولها هذه المقالة، كيفية اختيار عامل أمان مناسب لتحقيق العمر الافتراضي المطلوب للنظام (عدد الدورات). لا يعتمد عمر النظام على حجم المحرك فحسب، بل أيضًا على العناصر الميكانيكية الأخرى فيه، مثل علبة التروس ومجموعة لولب القيادة. كما تُعد عوامل أخرى، مثل دقة تحديد المواقع، والوضوح، والتكرارية، وأقصى زاوية دوران (ميل، ميل، انحراف)، وغيرها، من الاعتبارات المهمة لضمان أن يحقق نظام الحركة الخطية أهداف التطبيق أو يتجاوزها.