מערכות תנועה לינאריות נמצאות בתוך אינספור מכונות הכוללות מערכות חיתוך לייזר מדויקות, ציוד אוטומציה של מעבדה, מכונות ייצור מוליכים למחצה, מכונות CNC, אוטומציה של מפעל, ורבים אחרים רבים מדי לרשימה. הם נעים בין הפשוטים יחסית כמו מפעיל מושב לא יקר ברכב נוסעים, למערכת קואורדינטות מורכבת ורב-ציר שלמה עם שליטה והניעה אלקטרוניקה למיקום לולאה סגורה. לא משנה כמה פשוט או מורכב מערכת התנועה הליניארית, ברמה הבסיסית ביותר, לכולם יש דבר אחד משותף: העברת עומס דרך מרחק ליניארי בפרק זמן מסוים.

אחת השאלות הנפוצות ביותר בעת תכנון מערכת תנועה לינארית מתרכזת בטכנולוגיה מוטורית. לאחר שנבחר הטכנולוגיה, יש לגדול את המנוע כדי לעמוד בדרישות האצת העומס, להתגבר על החיכוך במערכת ולהתגבר על השפעת הכובד, וכל זאת תוך שמירה על טמפרטורת הפעלה מקסימאלית בטוחה. המומנט, המהירות, הכוח ויכולת המיקום של המנוע הם פונקציה של תכנון המנוע, יחד עם הכונן והבקרה.

באיזה מנוע עלי להתחיל?

יש הרבה שאלות יישום שיש לקחת בחשבון בעת ​​תכנון מערכת תנועה לינארית באמצעות טכנולוגיה מוטורית מסוימת. הסבר ממצה על כל התהליך הוא מעבר לתחום של מאמר זה. הכוונה היא לגרום לך לחשוב לשאול את השאלות הנכונות כשמדברים עם ספק מנוע.

אין דבר כזה המנוע הטוב ביותר לכל יישום, אלא המנוע הטוב ביותר ליישום מסוים. ברוב המכריע של יישומי תנועה מצטברת, הבחירה תהיה מנוע צעד, מנוע DC מברשת או מנוע DC ללא מברשות. מערכות התנועה המורכבות ביותר עשויות להשתמש במנועים לינאריים המשולבים ישירות לעומס, תוך הימנעות מהצורך בהמרת כוח מכנית; אין צורך בתרגום דרך בורג עופרת/בורג כדור, תיבת הילוכים או מערכת גלגלת. למרות שניתן להשיג דיוק מקסימלי, יכולת חוזרות ונפש של מיקום עם מערכות סרוו לינאריות ישירה בהנעה ישירה, הם העלות והמורכבות הגבוהים ביותר בהשוואה למנועים סיבוביים. ארכיטקטורה המשתמשת במנועי סיבוב יקרה הרבה יותר, ותעמוד ברוב יישומי התנועה הליניארית; עם זאת, יש צורך בהמרת "סיבוב לליניארי" (וכתוצאה מכך, המרת כוח) נדרשת כדי להניע את העומס.

מנועי צעד, מברשת ומוצרי מברשות נחשבים כולם למנועי DC; עם זאת, קיימות דקויות שיגרמו למהנדס להעדיף סוג אחד על פני שני האחרים ביישום מסוים. יש להדגיש כי בחירה זו תלויה מאוד בדרישות התכנון של המערכת, לא רק מבחינת מהירות ומומנט, אלא גם בדרישות דיוק המיקום, יכולת ההחזרה והרזולוציה. אין מנוע מושלם לכל יישום, וכל ההחלטות ידרשו פיצויים בעיצוב. ברמה הבסיסית ביותר, כל המנועים, בין אם הם נקראים AC או DC, מברשת, ללא מברשות, או כל מנוע חשמלי אחר לצורך העניין, פועלים תחת אותו עיקרון של הפיזיקה כדי לייצר מומנט: אינטראקציה של שדות מגנטיים. עם זאת, ישנם הבדלים דרמטיים באופן שבו טכנולוגיות מוטוריות שונות מגיבות ביישומים מסוימים. ביצועים מוטוריים, תגובה וייצור מומנט הכוללים תלויים בשיטת עירור השדה וגיאומטריה של מעגלים מגנטיים הגלומים בתכנון המנוע הפיזי, בשליטה על מתח הקלט וזרם על ידי הבקר/הכונן, ושיטת המהירות או משוב המיקום, אם יישום דורש.

צעד DC, סרוו מברשת וטכנולוגיות מנוע סרוו ללא מברשות, כולם משתמשים באספקת DC על מנת להפעיל אותם. עבור יישומי תנועה לינארית, אין פירוש הדבר כי ניתן ליישם מקור קבוע של DC ישירות על פיתולי המנוע; יש צורך באלקטרוניקה כדי לשלוט בזרם המתפתל (הקשור למומנט תפוקה) ומתח מתפתל (הקשור למהירות הפלט). להלן סיכום חוזקות וחולשות של שלוש הטכנולוגיות.

התכנון של המערכת הליניארית מתחיל במסת העומס וכמה מהר המסה צריכה לעבור מנקודה A לנקודה B. סוג מנוע, גודל ועיצוב מכני מתחילים בכוח (וואט) הנדרש להזיז העומס. החל מהעומס ובסופו של דבר עובר בחזרה דרך כל הרכיבים לאספקת החשמל של הכונן, הניתוח הוא סדרת צעדים להבנת המרת הכוח מחלק אחד של המערכת לשנייה תוך התחשבות ביעילות השונה של הרכיבים שבין לבין. וואט בצורת מתח וזרם לכונן יתורגמו בסופו של דבר לוואט פלט מכני המניעים עומס נתון בפרק זמן מסוים.

על מנת לקבל אינדיקציה לכוח הפלט הדרוש בעומס, חישוב כוח פשוט יסייע למגרש מנוע. לאחר הבנת הכוח הפלט הממוצע הדרוש, סיים את ניתוח דרישות הכוח על ידי עבודה בחזרה למנוע והנה דרך אלמנטים המרת כוח השונים. יש להפנות לנתוני היצרנים כדי לקחת בחשבון את היעילות של הרכיבים השונים, מכיוון שהדבר יקבע בסופו של דבר את גודל המנוע ואת אספקת החשמל. זו העדפה אישית לגבי אילו יחידות לעבוד איתן, אך יחידות SI מומלצות מאוד. העבודה ביחידות SI נמנעת מהצורך לזכור קבועי המרה מרובים, ותמיד ניתן להמיר את התוצאה הסופית ליחידות אנגלית.

כמה כוח נדרש כדי להזיז את העומס בזמן הנדרש?

מסה של 9 ק"ג המורמת על כוח המשיכה תדרוש כוח של בערך 88N. חישוב הוואט הדרוש כדי להזיז את העומס יספק נקודת התחלה לקביעת הרכיבים בשאר המערכת. זהו הכוח הממוצע הדרוש להזיז מסה של 9 ק"ג אנכית מנקודה A לנקודה B תוך שנייה אחת. הפסדי מערכת כמו חיכוך אינם כלולים. כוח הפיר המנוע הנדרש יהיה גבוה במקצת ותלוי ברכיבים האחרים המשמשים במערכת כמו תיבת ההילוכים ובורג המוביל.

P = (f × s) / t

P = (88n × 0.2m) / 1.0s = 17.64W

זה שונה מכוח השיא שיידרש מהמערכת. לאחר שנלקחים בחשבון תאוצה והאטה, כוח מיידי במהלך פרופיל המעבר יהיה מעט גבוה יותר; עם זאת, כוח הפלט הממוצע הדרוש בעומס הוא בערך 18 וואט. לאחר ניתוח יסודי של כל הרכיבים, מערכת כמו זו תדרוש כוח שיא של כ- 37W כדי להשיג את העבודה. מידע זה, יחד עם מפרט היישומים השונים האחרים, יעזור כעת לבחור את הטכנולוגיה המוטורית המתאימה ביותר.

איזו טכנולוגיה מוטורית עלי לקחת בחשבון?

יכולת מיקום מצוינת ובקרות פשוטות יחסית יובילו מעצב לבחון תחילה את האפשרות להשתמש במנוע צעד. עם זאת, מנוע צעד לא יעמוד בדרישה של טביעת רגל מכנית קטנה תוך עמידה בדרישות העומס. דרישת כוח שיא של 37 וואט תדרוש מנוע צעד גדול מאוד. למרות שמנועי צעד הם בעלי מומנט גבוה מאוד במהירויות נמוכות, מהירות השיא וכך דרישת ההספק של פרופיל המעבר עולה על היכולת של כל מוטורי הצעד הגדולים ביותר.

מנוע סרוו מברשת DC יעמוד בדרישות העומס, טביעת רגל מכנית קטנה, ויהיה לו סיבוב חלק מאוד במהירויות נמוכות; עם זאת, בשל דרישות ה- EMC הקפדניות, ככל הנראה עדיף להימנע ממנוע המברשת ליישום מסוים זה. זו תהיה אלטרנטיבה פחות יקרה בהשוואה למערכת ללא מברשות, אך היא עשויה להוות קושי להעביר כל דרישות EMC מחמירות.

מנוע DC ללא מברשות באמצעות מערכת כונן סינוסואידית תהיה הבחירה הראשונה לעמוד בכל דרישות היישום כולל פרופיל העומס והתנועה (צפיפות הספק גבוהה); תנועה חלקה ונטולת שן במהירות נמוכה; וטביעת רגל מכנית קטנה. במקרה זה, עדיין יהיה פוטנציאל של חתימת EMI בגלל מיתוג התדרים הגבוהים של האלקטרוניקה של Drive; עם זאת, ניתן להקל על זה באמצעות סינון מקוון בגלל פס תדרים צר יותר. מנוע מברשת DC מציג חתימת EMI רחבה יותר, מה שהופך אותה למאתגרת יותר לסינון.

גודל מוטורי הוא רק ההתחלה

מאמר זה היה דיון קצר כדי להציג מעצב שיקולים שונים בבחירת טכנולוגיה מוטורית ליישום תנועה לינארית פשוט יחסית. למרות שהעקרונות זהים למערכת מורכבת יותר כמו טבלת XY או מנגנון איסוף דיוק רב-ציר ומקום, יהיה צורך לנתח כל ציר לצורך עומס באופן עצמאי. שיקול נוסף מחוץ לתחום של מאמר זה הוא כיצד לבחור גורם בטיחות מתאים כדי לעמוד בחיי המערכת הרצויים (מספר המחזורים). חיי המערכת אינם רק פונקציה של גודל המנוע, אלא גם האלמנטים המכניים האחרים במערכת כמו תיבת ההילוכים ומכלול בורג המוביל. גורמים אחרים כמו דיוק מיקום, רזולוציה, יכולת חוזרת, גליל מקסימאלי, המגרש והפה וכו 'הם כולם שיקולים חשובים כדי להבטיח שמערכת התנועה הליניארית תעמוד או עולה על יעדי היישום.