توجد أنظمة الحركة الخطية داخل عدد لا يحصى من الآلات بما في ذلك أنظمة القطع بالليزر الدقيقة، ومعدات التشغيل الآلي للمختبرات، وآلات تصنيع أشباه الموصلات، وآلات CNC، وأتمتة المصانع، وغيرها الكثير التي لا يمكن حصرها. وهي تتراوح من البسيط نسبيًا مثل مشغل المقعد غير المكلف في سيارة الركاب، إلى نظام إحداثيات معقد متعدد المحاور مكتمل بإلكترونيات التحكم والقيادة لتحديد موضع الحلقة المغلقة. بغض النظر عن مدى بساطة أو تعقيد نظام الحركة الخطية، على المستوى الأساسي، فإن جميعها تشترك في شيء واحد: تحريك الحمل عبر مسافة خطية في فترة زمنية محددة.

أحد الأسئلة الأكثر شيوعًا عند تصميم نظام الحركة الخطية يركز على تكنولوجيا المحركات. بمجرد اختيار التكنولوجيا، يجب أن يكون حجم المحرك لتلبية متطلبات تسريع الحمل، والتغلب على الاحتكاك في النظام، والتغلب على تأثير الجاذبية، كل ذلك مع الحفاظ على درجة حرارة التشغيل القصوى الآمنة. إن عزم الدوران والسرعة والطاقة والقدرة على تحديد موضع المحرك هي وظيفة تصميم المحرك، إلى جانب القيادة والتحكم.

ما المحرك الذي يجب أن أبدأ به؟

هناك الكثير من الأسئلة التطبيقية التي يجب مراعاتها عند تصميم نظام حركة خطية باستخدام تقنية محرك معينة. إن الشرح الشامل للعملية برمتها هو خارج نطاق هذه المقالة. الهدف هو جعلك تفكر في طرح الأسئلة الصحيحة عند التحدث مع مورد السيارات.

لا يوجد أفضل محرك لكل تطبيق، بل أفضل محرك لتطبيق معين. في الغالبية العظمى من تطبيقات الحركة المتزايدة، سيكون الاختيار إما محرك متدرج، أو محرك تيار مستمر بفرشاة، أو محرك تيار مستمر بدون فرش. قد تستخدم أنظمة الحركة الأكثر تعقيدًا محركات خطية مقترنة مباشرة بالحمل، مما يتجنب الحاجة إلى تحويل الطاقة الميكانيكية؛ ليست هناك حاجة للترجمة من خلال المسمار اللولبي/الكرة اللولبية أو علبة التروس أو نظام البكرة. على الرغم من أنه يمكن تحقيق أقصى قدر من الدقة والتكرار ودقة تحديد المواقع باستخدام أنظمة مؤازرة خطية ذات محرك مباشر بدون قلب، إلا أنها أعلى تكلفة وتعقيدًا عند مقارنتها بالمحركات الدوارة. تعتبر الهندسة المعمارية التي تستخدم المحركات الدوارة أقل تكلفة بكثير، وسوف تلبي غالبية تطبيقات الحركة الخطية؛ ومع ذلك، هناك حاجة إلى بعض وسائل التحويل "من الدوران إلى الخطي" (وبالتالي تحويل الطاقة) لدفع الحمل.

تعتبر المحركات السائر، والفرشاة، والمحركات عديمة الفرشاة جميعها محركات تعمل بالتيار المستمر؛ ومع ذلك، توجد بعض التفاصيل الدقيقة التي من شأنها أن تجعل المهندس يفضل نوعًا واحدًا على النوعين الآخرين في تطبيق معين. ويجب التأكيد على أن هذا الاختيار يعتمد بشكل كبير على متطلبات تصميم النظام، ليس فقط من حيث السرعة وعزم الدوران، ولكن أيضًا دقة تحديد الموقع، والتكرار، ومتطلبات الدقة. لا يوجد محرك مثالي لكل تطبيق، وستتطلب جميع القرارات مقايضات التصميم. على المستوى الأساسي، جميع المحركات، سواء كانت تسمى AC أو DC، أو فرشاة، أو بدون فرشاة، أو أي محرك كهربائي آخر، تعمل وفقًا لنفس المبدأ الفيزيائي لتوليد عزم الدوران: تفاعل المجالات المغناطيسية. ومع ذلك، هناك اختلافات كبيرة في الطريقة التي تستجيب بها هذه التقنيات الحركية المختلفة في تطبيقات معينة. يعتمد الأداء العام للمحرك والاستجابة وتوليد عزم الدوران على طريقة الإثارة الميدانية وهندسة الدائرة المغناطيسية المتأصلة في التصميم المادي للمحرك، والتحكم في جهد الدخل والتيار بواسطة جهاز التحكم/المحرك، وطريقة السرعة أو ردود الفعل الموضعية، إذا كان يتطلب التطبيق.

تستخدم تقنيات محرك السائر DC، ومؤازرة الفرشاة، والمحركات المؤازرة بدون فرش مصدرًا للتيار المستمر من أجل تشغيلها. بالنسبة لتطبيقات الحركة الخطية، هذا لا يعني أنه يمكن تطبيق مصدر ثابت للتيار المستمر مباشرة على ملفات المحرك؛ هناك حاجة إلى إلكترونيات للتحكم في تيار اللف (المتعلق بعزم الدوران الناتج) وجهد اللف (المتعلق بسرعة الخرج). فيما يلي ملخص لنقاط القوة والضعف في التقنيات الثلاثة.

يبدأ تصميم النظام الخطي بكتلة الحمل ومدى السرعة التي تحتاجها الكتلة للانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب. يبدأ نوع المحرك وحجمه وتصميمه الميكانيكي بالقدرة (واط) المطلوبة لتحريك الحمل. بدءًا من الحمل والعمل في نهاية المطاف عبر جميع المكونات إلى مصدر طاقة المحرك، فإن التحليل عبارة عن سلسلة من الخطوات لفهم تحويل الطاقة من جزء من النظام إلى آخر مع مراعاة الكفاءات المختلفة للمكونات بينهما. سوف تترجم الواط على شكل جهد وتيار في محرك الأقراص في النهاية إلى الخرج الميكانيكي الذي يحرك حملًا معينًا في فترة زمنية محددة.

من أجل الحصول على إشارة إلى طاقة الخرج المطلوبة عند الحمل، فإن حساب الطاقة البسيط سيساعد في موازنة المحرك. بعد فهم متوسط ​​طاقة الخرج المطلوبة، قم بإنهاء تحليل متطلبات الطاقة من خلال العودة إلى المحرك والقيادة عبر عناصر تحويل الطاقة المختلفة. وينبغي الرجوع إلى بيانات الشركات المصنعة لتأخذ في الاعتبار كفاءة المكونات المختلفة، لأن هذا سيحدد في النهاية حجم المحرك ومصدر الطاقة. إنه تفضيل شخصي فيما يتعلق بالوحدات التي سيتم العمل بها، ولكن يوصى بشدة باستخدام وحدات النظام الدولي (SI). يؤدي العمل بوحدات النظام الدولي إلى تجنب الحاجة إلى تذكر ثوابت التحويل المتعددة، ويمكن دائمًا تحويل النتيجة النهائية مرة أخرى إلى الوحدات الإنجليزية.

ما مقدار الطاقة اللازمة لتحريك الحمولة في الوقت المطلوب؟

ستتطلب كتلة كتلتها 9 كجم مرفوعة ضد الجاذبية قوة تبلغ حوالي 88 نيوتن. سيوفر حساب الواط اللازم لتحريك الحمل نقطة بداية لتحديد المكونات في بقية النظام. هذه هي متوسط ​​القدرة اللازمة لتحريك كتلة مقدارها 9 كجم عموديًا من النقطة أ إلى النقطة ب في ثانية واحدة. لا يتم تضمين خسائر النظام مثل الاحتكاك. ستكون قوة عمود المحرك المطلوبة أعلى إلى حد ما وتعتمد على المكونات الأخرى المستخدمة في النظام مثل علبة التروس والمسمار الرصاص.

ف = (و × ق) / ر

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

وهذا يختلف عن ذروة الطاقة التي ستكون مطلوبة من النظام. بمجرد أخذ التسارع والتباطؤ في الاعتبار، ستكون الطاقة اللحظية أثناء ملف الحركة أعلى إلى حد ما؛ ومع ذلك، فإن متوسط ​​الطاقة الناتجة المطلوبة عند الحمل يبلغ حوالي 18 واط. بعد إجراء تحليل شامل لجميع المكونات، سيتطلب نظام مثل هذا حوالي 37 واط من الطاقة القصوى لإنجاز المهمة. ستساعد هذه المعلومات، إلى جانب مواصفات التطبيق المختلفة الأخرى، في اختيار تقنية المحرك الأكثر ملاءمة.

ما هي تقنية المحرك التي يجب أن أفكر فيها؟

إن القدرة الممتازة على تحديد المواقع وأدوات التحكم البسيطة نسبيًا ستقود المصمم إلى النظر في إمكانية استخدام محرك متدرج أولاً. ومع ذلك، فإن المحرك السائر لن يلبي متطلبات البصمة الميكانيكية الصغيرة أثناء تلبية متطلبات الحمل. تتطلب متطلبات الطاقة القصوى البالغة 37 واط محركًا متدرجًا كبيرًا جدًا. على الرغم من أن المحركات السائر تمتلك عزم دوران عاليًا جدًا عند السرعات المنخفضة، فإن السرعة القصوى وبالتالي متطلبات الطاقة لملف الحركة تتجاوز قدرة جميع المحركات السائر باستثناء الأكبر منها.

يلبي محرك سيرفو DC الفرشاة متطلبات الحمل، وبصمة ميكانيكية صغيرة، وسيكون له دوران سلس للغاية عند السرعات المنخفضة؛ ومع ذلك، نظرًا لمتطلبات EMC الصارمة، فمن الأفضل تجنب محرك الفرشاة لهذا التطبيق بالذات. سيكون هذا بديلاً أقل تكلفة مقارنةً بالنظام بدون فرش، ولكنه قد يمثل صعوبة في اجتياز أي متطلبات EMC صارمة.

سيكون محرك DC بدون فرش الذي يستخدم نظام القيادة الجيبية هو الخيار الأول لتلبية جميع متطلبات التطبيق بما في ذلك ملف تعريف الحمل والحركة (كثافة الطاقة العالية)؛ حركة سلسة وخالية من التروس بسرعات منخفضة؛ وبصمة ميكانيكية صغيرة. في هذه الحالة، ستظل هناك إمكانية لتوقيع EMI بسبب التبديل عالي التردد لإلكترونيات محرك الأقراص؛ ومع ذلك، يمكن التخفيف من ذلك باستخدام الترشيح المباشر بسبب نطاق التردد الأضيق. يُظهر محرك الفرشاة DC توقيع EMI ذو نطاق أوسع، مما يجعل عملية التصفية أكثر صعوبة.

حجم المحرك هو مجرد البداية

كانت هذه المقالة عبارة عن مناقشة مختصرة لتعريف المصمم بالاعتبارات المختلفة عند اختيار تقنية المحرك لتطبيق حركة خطية بسيط نسبيًا. على الرغم من أن المبادئ متطابقة بالنسبة لنظام أكثر تعقيدًا مثل جدول XY أو آلية الانتقاء والمكان الدقيقة متعددة المحاور، إلا أن كل محور سيحتاج إلى تحليل التحميل بشكل مستقل. وهناك اعتبار آخر خارج نطاق هذه المقالة وهو كيفية اختيار عامل الأمان المناسب لتلبية العمر المطلوب للنظام (عدد الدورات). لا يقتصر عمر النظام على حجم المحرك فحسب، بل يعتمد أيضًا على العناصر الميكانيكية الأخرى في النظام مثل علبة التروس ومجموعة براغي الرصاص. تعتبر العوامل الأخرى مثل دقة تحديد المواقع، والدقة، والتكرار، والحد الأقصى للفة، والميل، والانعراج، وما إلى ذلك، كلها اعتبارات مهمة لضمان أن نظام الحركة الخطية يلبي أو يتجاوز أهداف التطبيق.