מערכות תנועה ליניאריות נמצאות בתוך אינספור מכונות כולל מערכות חיתוך לייזר מדויקות, ציוד אוטומציה מעבדתית, מכונות לייצור מוליכים למחצה, מכונות CNC, אוטומציה של מפעלים ועוד רבים אחרים רבים מכדי לפרט. הם נעים בין הפשוטים יחסית כמו מפעיל מושב זול ברכב נוסעים, למערכת קואורדינטות מורכבת מרובת צירים עם אלקטרוניקת בקרה והנעה למיקום בלולאה סגורה. לא משנה כמה פשוטה או מורכבת מערכת התנועה הליניארית, ברמה הבסיסית ביותר, לכולם יש דבר אחד במשותף: הזזת עומס דרך מרחק ליניארי בפרק זמן מסוים.

אחת השאלות הנפוצות ביותר בעת תכנון מערכת תנועה ליניארית מתמקדת בטכנולוגיה מוטורית. לאחר בחירת הטכנולוגיה, יש להתאים את המנוע לדרישות האצת העומס, התגברות על החיכוך במערכת והתגברות על השפעת כוח הכבידה, כל זאת תוך שמירה על טמפרטורת פעולה מקסימלית בטוחה. המומנט, המהירות, ההספק ויכולת המיקום של המנוע הם פונקציה של עיצוב המנוע, יחד עם ההנעה והבקרה.

עם איזה מנוע כדאי להתחיל?

ישנן הרבה שאלות יישום שיש לקחת בחשבון בעת ​​תכנון מערכת תנועה ליניארית תוך שימוש בטכנולוגיית מנוע מסוימת. הסבר ממצה על התהליך כולו הוא מעבר לתחום המאמר הזה. הכוונה היא לגרום לך לחשוב על שאילת השאלות הנכונות כשאתה מדבר עם ספק מנוע.

אין דבר כזה המנוע הטוב ביותר עבור כל יישום, אלא המנוע הטוב ביותר עבור יישום מסוים. ברוב המוחלט של יישומי תנועה מצטברת, הבחירה תהיה מנוע צעד, מנוע DC מברשת או מנוע DC ללא מברשות. מערכות התנועה המורכבות ביותר עשויות להשתמש במנועים ליניאריים המחוברים ישירות לעומס, תוך הימנעות מהצורך בהמרת הספק מכנית; אין צורך בתרגום דרך בורג עופרת/בורג כדורי, תיבת הילוכים או מערכת גלגלות. למרות שניתן להשיג דיוק מרבי, חזרתיות ורזולוציית מיקום עם מערכות סרוו ליניאריות עם הנעה ישירה ללא ליבה, הן מהוות את העלות והמורכבות הגבוהה ביותר בהשוואה למנועים סיבוביים. ארכיטקטורה המשתמשת במנועים סיבוביים היא הרבה פחות יקרה, ותענה על רוב יישומי התנועה ליניארית; עם זאת, יש צורך באמצעים מסוימים להמרה "סיבובית ללינארית" (וכתוצאה מכך, המרת הספק) כדי להניע את העומס.

מנועי צעד, מברשת וחסר מברשות נחשבים כולם למנועי DC; עם זאת, קיימות דקויות שיגרמו למהנדס להעדיף סוג אחד על פני השניים האחרים ביישום מסוים. יש להדגיש שבחירה זו תלויה מאוד בדרישות התכנון של המערכת, לא רק במונחים של מהירות ומומנט, אלא גם בדרישות דיוק המיקום, החזרה והרזולוציה. אין מנוע מושלם לכל יישום, וכל ההחלטות ידרשו פשרות עיצוביות. ברמה הבסיסית ביותר, כל המנועים, בין אם הם נקראים AC או DC, מברשת, ללא מברשות, או כל מנוע חשמלי אחר לצורך העניין, פועלים לפי אותו עיקרון של פיזיקה כדי ליצור מומנט: אינטראקציה של שדות מגנטיים. עם זאת, ישנם הבדלים דרמטיים באופן שבו הטכנולוגיות המוטוריות השונות הללו מגיבות ביישומים מסוימים. ביצועי המנוע הכוללים, התגובה ויצירת המומנט תלויים בשיטת עירור השדה ובגיאומטריית המעגל המגנטי הטבועה בתכנון המנוע הפיזי, בקרת מתח הכניסה והזרם על ידי הבקר/הכונן, ובשיטת משוב המהירות או המיקום, אם יישום דורש.

טכנולוגיות DC stepper, מברשת סרוו ומנועי סרוו ללא מברשות כולן משתמשות באספקת DC על מנת להפעיל אותן. עבור יישומי תנועה ליניארית, זה לא אומר שניתן ליישם מקור קבוע של DC ישירות על פיתולי המנוע; יש צורך באלקטרוניקה כדי לשלוט בזרם הפיתול (הקשור למומנט המוצא) ובמתח הפיתול (הקשור למהירות המוצא). להלן סיכום של נקודות החוזק והחולשה של 3 הטכנולוגיות.

התכנון של המערכת הליניארית מתחיל במסת העומס וכמה מהר המסה צריכה לעבור מנקודה A לנקודה B. סוג המנוע, הגודל והתכנון המכני מתחילים בהספק (וואט) הנדרש להזזת העומס. החל מהעומס ובסופו של דבר חזרה דרך כל הרכיבים לאספקת החשמל של הכונן, הניתוח הוא סדרה של שלבים להבנת המרת ההספק מחלק אחד של המערכת לחלק אחר תוך התחשבות ביעילות השונות של הרכיבים ביניהם. ואט בצורה של מתח וזרם לתוך הכונן יתורגמו בסופו של דבר לוואט פלט מכני הנעים עומס נתון בפרק זמן מסוים.

על מנת לקבל אינדיקציה לגבי הספק המוצא הדרוש בעומס, חישוב הספק פשוט יעזור להניע מנוע. לאחר הבנת הספק המוצא הממוצע הדרוש, סיים לנתח את דרישות ההספק על ידי עבודה חזרה אל המנוע וסע דרך רכיבי המרת ההספק השונים. יש להתייחס לנתוני היצרנים כדי לקחת בחשבון את היעילות של הרכיבים השונים, שכן זה יקבע בסופו של דבר את גודל המנוע ואספקת החשמל. זוהי העדפה אישית לגבי אילו יחידות לעבוד, אבל יחידות SI מומלצות מאוד. עבודה ביחידות SI מונעת את הצורך לזכור קבועי המרה מרובים, ותמיד ניתן להמיר את התוצאה הסופית בחזרה ליחידות באנגלית.

כמה כוח דרוש כדי להזיז את המטען בזמן הדרוש?

מסה של 9 ק"ג המורמת כנגד כוח הכבידה תדרוש כוח של כ-88N. חישוב הוואטים הדרושים להזזת העומס יספק נקודת מוצא לקביעת הרכיבים בשאר המערכת. זהו ההספק הממוצע הדרוש כדי להעביר מסה של 9 ק"ג אנכית מנקודה A לנקודה B תוך שנייה אחת. הפסדי מערכת כגון חיכוך אינם כלולים. כוח גל המנוע הנדרש יהיה מעט גבוה יותר ותלוי ברכיבים האחרים המשמשים במערכת כגון תיבת ההילוכים והבורג העופרת.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

זה שונה משיא ההספק שיידרש מהמערכת. ברגע שההאצה וההאטה נלקחות בחשבון, הכוח המיידי במהלך התנועה יהיה גבוה במקצת; עם זאת, הספק המוצא הממוצע הדרוש בעומס הוא כ-18 וואט. לאחר ניתוח יסודי של כל הרכיבים, מערכת כמו זו תדרוש כ-37 וואט שיא הספק כדי לבצע את העבודה. מידע זה, יחד עם מפרט יישומים שונים אחרים, יעזור כעת לבחור את טכנולוגיית המנוע המתאימה ביותר.

איזו טכנולוגיה מוטורית כדאי לי לשקול?

יכולת מיקום מצוינת ובקרות פשוטות יחסית יובילו מעצב לבחון את האפשרות להשתמש תחילה במנוע צעד. מנוע צעד, לעומת זאת, לא יעמוד בדרישה של טביעת רגל מכנית קטנה תוך עמידה בדרישות העומס. דרישת הספק שיא של 37 וואט תדרוש מנוע צעד גדול מאוד. למרות שלמנועי צעד יש מומנט גבוה מאוד במהירויות נמוכות, מהירות שיא ובכך דרישת ההספק של פרופיל המהלך עולה על היכולת של כולם מלבד מנועי הצעד הגדולים ביותר.

מנוע סרוו של מברשת DC יעמוד בדרישות העומס, טביעת רגל מכנית קטנה, ויהיה לו סיבוב חלק מאוד במהירויות נמוכות; עם זאת, בשל דרישות ה-EMC המחמירות, כנראה שעדיף להימנע ממנוע המברשת עבור יישום מסוים זה. זו תהיה אלטרנטיבה פחות יקרה בהשוואה למערכת נטולת מברשות, אך היא עלולה ליצור קושי בעמידה בדרישות EMC מחמירות.

מנוע DC נטול מברשות המשתמש במערכת הנעה סינוסואידית יהיה הבחירה הראשונה לעמוד בכל דרישות היישום כולל פרופיל העומס והתנועה (צפיפות הספק גבוהה); תנועה חלקה ללא גלגל שיניים במהירויות נמוכות; וטביעת רגל מכנית קטנה. במקרה זה, עדיין יהיה פוטנציאל של חתימת EMI עקב מיתוג התדר הגבוה של האלקטרוניקה של הכונן; עם זאת, ניתן למתן את זה באמצעות סינון מקוון עקב פס תדרים צר יותר. מנוע DC מברשת מציג חתימת EMI בפס רחב יותר, מה שהופך אותו למאתגר יותר לסנן.

גודל מנוע הוא רק ההתחלה

מאמר זה היה דיון קצר כדי להציג למעצב שיקולים שונים בבחירת טכנולוגיית מנוע ליישום תנועה ליניארית פשוטה יחסית. למרות שהעקרונות זהים עבור מערכת מורכבת יותר כגון טבלת XY או מנגנון איסוף-ומקום רב צירים מדויק, יהיה צורך לנתח כל ציר לעומס באופן עצמאי. שיקול נוסף מחוץ לתחום מאמר זה הוא כיצד לבחור מקדם בטיחות מתאים על מנת לעמוד באורך החיים הרצוי של המערכת (מספר מחזורים). חיי המערכת אינם רק פונקציה של גודל המנוע, אלא גם שאר האלמנטים המכניים במערכת כגון תיבת ההילוכים ומכלול הברגים. גורמים אחרים כגון דיוק מיקום, רזולוציה, חזרתיות, גלגול מקסימלי, גובה גובה ופיתוכו וכו' הם כולם שיקולים חשובים כדי להבטיח שמערכת התנועה הליניארית עומדת ביעדי היישום או חורגת מהם.