الهيكل، المكونات، الأسلاك الإلكترونية، سهولة الصيانة.

إنّ الجمع بين الهندسة الميكانيكية والكهربائية والبرمجية وهندسة التحكم ليس بالأمر السهل. لكن دمج التطورات التكنولوجية والتركيز على هذه المجالات الخمسة من شأنه أن يبسط العملية ويضمن سهولة تطبيق هندسة الميكاترونيك.

أدت دورات تطوير المنتجات السريعة والتطورات التكنولوجية المتسارعة اليوم إلى زيادة الحاجة إلى هندسة متعددة التخصصات. فبعد أن كان بإمكان المهندس الميكانيكي التركيز على المكونات المادية، والمهندس الكهربائي على الأسلاك ولوحات الدوائر، ومهندس التحكم على البرمجيات والبرمجة الخوارزمية، يجمع مجال الميكاترونكس هذه المجالات معًا، مما يوفر تركيزًا على حلول الحركة المتكاملة. ويساهم التقدم في هذه المجالات الثلاثة وتكاملها في تبسيط تصميم الميكاترونكس.

إن هذا التبسيط هو الذي يدفع التطورات في مجال الروبوتات وأنظمة الإحداثيات الكارتيزية متعددة المحاور للاستخدامات الصناعية والتصنيع، والأتمتة لأسواق المستهلكين في الأكشاك وأنظمة التوصيل، إلى جانب القبول السريع للطابعات ثلاثية الأبعاد في الثقافة السائدة.

فيما يلي خمسة عوامل رئيسية، عند جمعها معًا، تؤدي إلى تصميم أسهل للميكاترونيات.

1. أدلة خطية وهيكل متكاملان

في تصميم الآلات، تُستخدم مجموعات المحامل والموجهات الخطية منذ زمن طويل، لدرجة أن ميكانيكا نظام الحركة غالبًا ما تُعامل كأمر ثانوي. ومع ذلك، فإن التطورات في المواد والتصميم والميزات وأساليب التصنيع تجعل من المفيد النظر في خيارات جديدة.

على سبيل المثال، يساهم دمج المحاذاة المصممة مسبقًا في القضبان المتوازية أثناء عملية التصنيع في خفض التكاليف نظرًا لقلة عدد المكونات، وزيادة الدقة، وتقليل المتغيرات المؤثرة على طول القضيب. كما تُحسّن هذه القضبان المتوازية عملية التركيب لأنها تُغني عن استخدام العديد من أدوات التثبيت والمحاذاة اليدوية.

في الماضي، كان من شبه المؤكد أن أي نظام توجيه خطي يختاره المهندس سيضطر إلى مراعاة ألواح التثبيت، وقضبان الدعم، أو غيرها من الهياكل لتوفير الصلابة المطلوبة. أما المكونات الحديثة، فتدمج هياكل الدعم في قضيب التوجيه الخطي نفسه. هذا التحول من تصميم المكونات الفردية إلى التصاميم الهندسية المتكاملة أو التجميعات الفرعية المتكاملة يقلل من عدد المكونات، ويخفض التكاليف والجهد المبذول.

2. مكونات نقل الطاقة

يُعد اختيار آلية القيادة أو مكونات نقل الطاقة المناسبة عاملاً مهماً أيضاً. تبدأ عملية الاختيار، التي تتضمن تحقيق التوازن بين السرعة وعزم الدوران ودقة الأداء مع المحرك والإلكترونيات، بفهم النتائج التي يمكن أن يحققها كل نوع من أنواع القيادة.

تمامًا مثل ناقل الحركة في السيارة الذي يعمل بالترس الرابع، تُناسب أنظمة نقل الحركة بالسيور التطبيقات التي تتطلب سرعات عالية على مدى أشواط طويلة. وعلى النقيض من ذلك، نجد براغي الكرات والبراغي الرئيسية التي تُشبه سيارة ذات ترس أول وثاني قويين وسريعي الاستجابة. فهي توفر عزم دوران جيدًا مع تفوقها في الانطلاقات والتوقفات السريعة وتغيير الاتجاه. يوضح الجدول الفروقات بين سرعة السيور وعزم دوران البراغي.

على غرار التطورات التي طرأت على السكك الخطية، يُعدّ تصميم المحاذاة المُسبقة الهندسة مجالًا آخر شهد تطورًا ملحوظًا في تصميم لولب القيادة، مما يُحسّن من دقة التكرار في التطبيقات الديناميكية. عند استخدام وصلة، يجب الانتباه إلى محاذاة المحرك واللولب لتجنب الاهتزاز الذي يُقلل من الدقة والعمر الافتراضي. في بعض الحالات، يُمكن الاستغناء عن الوصلة تمامًا وتثبيت اللولب مباشرةً على المحرك، مما يُدمج الأجزاء الميكانيكية والكهربائية مباشرةً، ويُقلل من عدد المكونات، ويزيد من الصلابة والدقة، مع خفض التكاليف.

3. الإلكترونيات والأسلاك

تتضمن التكوينات التقليدية للإلكترونيات في تطبيقات التحكم بالحركة ترتيبات أسلاك معقدة، بالإضافة إلى الخزائن ومعدات التثبيت لتجميع جميع المكونات وإيوائها. والنتيجة غالبًا ما تكون نظامًا غير مُحسَّن، ويصعب ضبطه وصيانته.

تُتيح التقنيات الحديثة مزايا للنظام من خلال وضع وحدة التشغيل ووحدة التحكم والمضخم مباشرةً على محرك "ذكي". لا يقتصر الأمر على التخلص من المساحة اللازمة لاستيعاب المكونات الإضافية، بل يتم أيضًا تقليص العدد الإجمالي للمكونات وتبسيط عدد الموصلات والأسلاك، مما يقلل من احتمالية الخطأ ويوفر التكاليف والجهد.

4. مصمم للتصنيع (DFM)

• تقسيم إلى مجموعات

إلى جانب سهولة تجميع قضبان التصميمات المتكاملة، تُعزز الخبرة والتقنيات الناشئة، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد، قدرتك على إنشاء نماذج أولية لتجميعات الميكاترونيك والروبوتات وفقًا لمعايير التصميم للتصنيع. على سبيل المثال، لطالما كانت أقواس التوصيل المخصصة لأنظمة الحركة مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً عند تصنيعها في ورش الأدوات أو ورش التصنيع. أما اليوم، فتتيح لك الطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء نموذج CAD، وإرساله إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد، والحصول على نموذج جاهز للاستخدام في وقت وتكلفة أقل بكثير.

• التوصيل

من المجالات الأخرى لتصميم المنتجات للتصنيع (DFM) التي سبق تناولها استخدام المحركات الذكية التي تضع الإلكترونيات مباشرةً على المحرك، مما يُسهّل عملية التجميع. إضافةً إلى ذلك، تُساهم التقنيات الحديثة التي تُدمج الموصلات والكابلات وأنظمة إدارة الكابلات في حزمة واحدة في تبسيط عملية التجميع والاستغناء عن حوامل الكابلات التقليدية الثقيلة المصنوعة من سلاسل بلاستيكية.

5. قابلية الصيانة على المدى الطويل

لا تؤثر التقنيات الحديثة والتطورات في التصميم على سهولة التصنيع فحسب، بل تؤثر أيضًا على سهولة صيانة النظام على المدى الطويل. فعلى سبيل المثال، يُسهّل نقل وحدة التحكم والمحرك إلى داخل المحرك عملية استكشاف الأعطال وإصلاحها. كما يُصبح الوصول إلى المحرك والإلكترونيات سهلاً ومباشرًا. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن ربط العديد من الأنظمة بشبكة، مما يُتيح الوصول إليها من أي مكان تقريبًا لإجراء التشخيص عن بُعد.