تم العثور على أنظمة الحركة الخطية داخل آلات لا حصر لها بما في ذلك أنظمة قطع الليزر الدقيقة ، ومعدات الأتمتة المختبرية ، وآلات تصنيع أشباه الموصلات ، وآلات CNC ، وأتمتة المصنع ، وغيرها الكثير مما يجب على القائمة. وهي تتراوح من البسيطة نسبيًا مثل مشغل المقاعد غير المكلف في مركبة ركاب ، إلى نظام إحداثيات معقد متعدد المحاور يكمله التحكم في إلكترونيات محرك في وضع حلقة مغلقة. بغض النظر عن مدى بساطة أو معقدة نظام الحركة الخطية ، على المستوى الأساسي ، لديهم جميعًا شيء واحد مشترك: نقل الحمل عبر مسافة خطية في فترة زمنية محددة.

أحد الأسئلة الأكثر شيوعًا عند تصميم نظام الحركة الخطي يركز على تكنولوجيا المحركات. بمجرد اختيار التكنولوجيا ، يجب حجم المحرك لتلبية متطلبات تسارع الحمل ، والتغلب على الاحتكاك في النظام ، والتغلب على تأثير الجاذبية ، مع الحفاظ على درجة حرارة تشغيل آمنة أقصى. تعد عزم الدوران والسرعة والطاقة والوضع للمحرك وظيفة لتصميم المحرك ، إلى جانب محرك الأقراص والتحكم.

ما هو المحرك الذي يجب أن أبدأ به؟

هناك الكثير من أسئلة التطبيق التي يجب مراعاتها عند تصميم نظام حركة خطي باستخدام تقنية محرك معينة. تفسير شامل للعملية بأكملها يتجاوز نطاق هذه المقالة. القصد من ذلك هو أن تفكر في طرح الأسئلة الصحيحة عند التحدث مع مورد محرك.

لا يوجد شيء مثل أفضل محرك لكل تطبيق ، ولكن أفضل محرك لتطبيق معين. في الغالبية العظمى من تطبيقات الحركة الإضافية ، سيكون الاختيار إما محرك السائر أو محرك DC الفرشاة أو محرك DC بدون فرش. قد تستخدم أنظمة الحركة الأكثر تعقيدًا للمحركات الخطية المقترنة مباشرة بالحمل ، وتجنب الحاجة إلى تحويل الطاقة الميكانيكية ؛ ليست هناك حاجة للترجمة من خلال برغي/الكرة الرصاص أو علبة التروس أو البكرة. على الرغم من أن الحد الأقصى من الدقة والتكرار ودقة تحديد المواقع يمكن تحقيقه من خلال أنظمة المؤازرة الخطية المباشرة غير المرغوب فيها ، إلا أنها أعلى تكلفة وتعقيد بالمقارنة مع المحركات الدوارة. الهندسة المعمارية التي تستخدم المحركات الدوارة أقل تكلفة بكثير ، وسوف تلبي غالبية تطبيقات الحركة الخطية ؛ ومع ذلك ، هناك حاجة إلى بعض وسائل التحويل "الدوار إلى الخطي" (ونتيجة لذلك ، تحويل الطاقة) لدفع الحمل.

تعتبر كل من السائر والفرشاة والمحركات بدون فرش محركات DC ؛ ومع ذلك ، توجد التفاصيل الدقيقة التي ستؤدي إلى تفضيل المهندس على نوع واحد على اثنين آخرين في تطبيق معين. يجب التأكيد على أن هذا الاختيار يعتمد اعتمادًا كبيرًا على متطلبات تصميم النظام ، ليس فقط من حيث السرعة والعزم ، ولكن أيضًا على دقة تحديد المواقع ، التكرار ، ومتطلبات الدقة. لا يوجد محرك مثالي لكل تطبيق ، وستتطلب جميع القرارات مقايضات التصميم. على المستوى الأساسي ، تعمل جميع المحركات ، سواء كانت تسمى AC أو DC ، أو الفرشاة ، أو الفرشاة ، أو أي محرك كهربائي آخر لهذه المسألة ، بموجب نفس مبدأ الفيزياء لتوليد عزم الدوران: تفاعل الحقول المغناطيسية. ومع ذلك ، هناك اختلافات كبيرة في الطريقة التي تستجيب بها هذه التقنيات الحركية المختلفة في تطبيقات معينة. يعتمد الأداء الإجمالي للمحرك ، والاستجابة ، وتوليد عزم الدوران على طريقة الإثارة الميدانية وهندسة الدائرة المغناطيسية المتأصلة في تصميم المحرك المادي ، والتحكم في جهد الإدخال والتيار من خلال وحدة التحكم/محرك ، وطريقة السرعة أو التغذية الراجعة ، إذا كان يتطلب التطبيق.

تستخدم DC Stepper و Brush Servo و Servo Motor Technologies جميعها إمدادات التيار المستمر لتشغيلها. بالنسبة لتطبيقات الحركة الخطية ، هذا لا يعني أنه يمكن تطبيق مصدر ثابت للعاصمة مباشرة على لفات المحرك ؛ هناك حاجة إلى إلكترونيات للتحكم في التيار المتعرج (المتعلق بعزم عزم الدوران) والجهد اللف (المتعلق بسرعة الإخراج). المدرجة أدناه هي ملخص لنقاط القوة والضعف في التقنيات الثلاثة.

يبدأ تصميم النظام الخطي بكتلة الحمل ومدى سرعة حاجة الكتلة إلى اجتياز النقطة A إلى النقطة B. من نوع المحرك ، والحجم ، والتصميم الميكانيكي يبدأ بالطاقة (WATTS) المطلوبة لتحريك الحمل. بدءًا من الحمل والعمل في نهاية المطاف من خلال جميع المكونات إلى مزود طاقة محرك الأقراص ، يعد التحليل سلسلة من الخطوات لفهم تحويل الطاقة من جزء من النظام إلى آخر مع النظر في الكفاءة المختلفة للمكونات بينهما. سوف تترجم Watts في شكل الجهد والتيار في محرك الأقراص في النهاية إلى Watts الميكانيكية التي تحرك حمولة معينة في فترة زمنية محددة.

من أجل الحصول على إشارة إلى قوة الإخراج اللازمة في الحمل ، فإن حساب الطاقة البسيط سيساعد على ملعب محرك. بعد فهم متوسط ​​طاقة الناتج اللازمة ، قم بإنهاء تحليل متطلبات الطاقة من خلال العمل مرة أخرى إلى المحرك والقيادة عبر عناصر تحويل الطاقة المختلفة. يجب الرجوع إلى بيانات الشركات المصنعة لمراعاة كفاءة المكونات المختلفة ، حيث سيحدد هذا في النهاية حجم المحرك ومصدر الطاقة. إنه تفضيل شخصي فيما يتعلق بالوحدات التي يجب العمل معها ، ولكن يوصى بشدة وحدات SI. يتجنب العمل في وحدات SI الحاجة إلى تذكر ثوابت التحويل المتعددة ، ويمكن دائمًا تحويل النتيجة النهائية إلى وحدات اللغة الإنجليزية.

ما مقدار الطاقة اللازمة لتحريك الحمل في الوقت المطلوب؟

ستتطلب كتلة 9 كجم المرفوعة ضد الجاذبية قوة حوالي 88n. سيوفر حساب Watts اللازم لتحريك الحمل نقطة انطلاق لتحديد المكونات في بقية النظام. هذا هو متوسط ​​القوة اللازمة لتحريك كتلة 9 كجم عموديًا من النقطة أ إلى النقطة ب في ثانية واحدة. لا يتم تضمين خسائر النظام مثل الاحتكاك. ستكون طاقة العمود الحركي المطلوبة إلى حد ما وتعتمد على المكونات الأخرى المستخدمة في النظام مثل علبة التروس ومسمار الرصاص.

P = (F × S) / T

p = (88n × 0.2m) / 1.0s = 17.64W

هذا يختلف عن قوة الذروة التي ستكون مطلوبة من النظام. بمجرد مراعاة التسارع والتباطؤ ، ستكون القوة الفورية أثناء حركة الحركة أعلى إلى حد ما ؛ ومع ذلك ، فإن متوسط ​​طاقة الإخراج المطلوبة عند الحمل حوالي 18 واط. بعد تحليل شامل لجميع المكونات ، سيتطلب نظام مثل هذا حوالي 37 واط قوة ذروة لإنجاز المهمة. ستساعد هذه المعلومات ، إلى جانب مختلف مواصفات التطبيق الأخرى ، في اختيار تقنية المحركات الأنسب.

ما هي تقنية المحركات التي يجب أن أفكر فيها؟

ستقود إمكانية تحديد المواقع الممتازة وعناصر التحكم البسيطة نسبيًا المصمم للنظر في إمكانية استخدام محرك السائر أولاً. ومع ذلك ، فإن محرك السائر لن يفي بمتطلبات البصمة الميكانيكية الصغيرة أثناء تلبية متطلبات الحمل. تتطلب متطلبات الطاقة الذروة البالغة 37 واط محرك السائر كبير جدًا. على الرغم من أن محركات السائر تمتلك عزم دوران مرتفع للغاية بسرعات منخفضة ، فإن سرعة الذروة وبالتالي متطلبات الطاقة من ملف تعريف الحركة تتجاوز قدرة الجميع باستثناء أكبر محركات السائر.

سوف يفي محرك الفرشاة العازلة بالفرشاة متطلبات الحمل ، بصمة ميكانيكية صغيرة ، وسيكون له دوران سلس للغاية بسرعات منخفضة ؛ ومع ذلك ، نظرًا لمتطلبات EMC الصارمة ، فمن الأفضل تجنب محرك الفرشاة لهذا التطبيق بالذات. سيكون هذا بديلاً أقل تكلفة مقارنة بنظام بدون فرش ، ولكنه قد يمثل صعوبة في تمرير أي متطلبات EMC صارمة.

سيكون محرك DC بدون فرش باستخدام نظام محرك الجيوب الأنفية هو الخيار الأول لتلبية جميع متطلبات التطبيق بما في ذلك الحمل والملف تعريف الحركة (كثافة الطاقة العالية) ؛ حركة ناعمة خالية من التروس بسرعات منخفضة ؛ وصنع ميكانيكي صغير. في هذه الحالة ، لا يزال هناك إمكانية لتوقيع EMI بسبب تبديل التردد العالي لإلكترونيات محرك الأقراص ؛ ومع ذلك ، يمكن تخفيف ذلك باستخدام التصفية داخل الخط بسبب نطاق تردد أضيق. يعرض محرك الفرشاة DC توقيعًا أوسع لـ EMI ، مما يجعل المرشح أكثر تحديا.

التحجيم الحركي هو مجرد البداية

كانت هذه المقالة مناقشة موجزة لتقديم مصمم لاعتبارات مختلفة عند اختيار تقنية المحرك لتطبيق حركة خطي بسيط نسبيًا. على الرغم من أن المبادئ متطابقة مع نظام أكثر تعقيدًا مثل جدول XY أو آلية الانتقاء الدقيقة متعددة المحاور ، إلا أن كل محور يجب تحليله للتحميل بشكل مستقل. هناك اعتبار آخر خارج نطاق هذه المقالة هو كيفية اختيار عامل أمان مناسب من أجل تلبية الحياة المطلوبة للنظام (عدد الدورات). حياة النظام ليست مجرد وظيفة لحجم المحرك ، ولكن أيضًا العناصر الميكانيكية الأخرى في النظام مثل علبة التروس وتجميع برغي الرصاص. تعتبر العوامل الأخرى مثل دقة تحديد المواقع ، والقرار ، والتكرار ، والحد الأقصى لفة ، وملعب ، و yaw ، وما إلى ذلك ، كلها اعتبارات مهمة لضمان تلبية نظام الحركة الخطية أو يتجاوز أهداف التطبيق.