للحصول على تحديد دقيق للموقع آلياً، فكر في المحركات الخطية القائمة على المحركات المتدرجة.

تُولّد المحركات الخطية القوة والحركة بشكل أساسي عبر خط مستقيم. في الأنظمة الميكانيكية التقليدية، يُوفّر عمود الإخراج حركة خطية باستخدام محرك دوار عبر تروس أو حزام وبكرة أو مكونات ميكانيكية أخرى. تكمن المشكلة في ضرورة ربط هذه المكونات ومحاذاتها. والأسوأ من ذلك، أنها تُضيف عوامل تآكل مثل الاحتكاك والارتداد إلى النظام. ولتلبية احتياجات تحديد المواقع بدقة أكبر، يُقدّم بديل أكثر فعالية وبساطة المحركات الخطية القائمة على محركات الخطوة.

تُسهّل هذه الأجهزة تصميم الآلات والآليات التي تتطلب تحديدًا دقيقًا للمواقع الخطية، لأنها تُوفّر تحويلًا من الحركة الدورانية إلى الحركة الخطية مباشرةً داخل المحرك. تُحرّك هذه المحركات درجةً مُحدّدةً من الحركة الدورانية مع كل نبضة كهربائية مُدخلة. تُوفّر هذه الخاصية، المعروفة باسم "التدرّج"، بالإضافة إلى استخدام لولب قيادة دقيق، تحديدًا دقيقًا وقابلًا للتكرار للمواقع.

أساسيات المحركات الخطوية
لفهم كيفية عمل المحركات الخطوية، من المفيد فهم أساسيات محركات الخطوة. تشمل أنواع محركات الخطوة المختلفة محركات التردد المتغير (VR)، ومحركات المغناطيس الدائم (PM)، والمحركات الهجينة. يركز هذا النقاش على محرك الخطوة الهجين، الذي يوفر عزم دوران عالٍ ودقة تحديد موضع عالية (خطوة 1.8 أو 0.9 درجة). في أنظمة المحركات الخطية، توجد المحركات الهجينة في أجهزة مثل...XYطاولات، وأجهزة تحليل الدم، ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وروبوتات صغيرة متحركة، وآليات التحكم في الصمامات، وأنظمة إضاءة المسرح الآلية.

يحتوي المحرك الخطوي الهجين على دوار مغناطيسي دائم وجزء ثابت فولاذي ملفوف بملف لولبي. يؤدي تنشيط الملف إلى توليد مجال كهرومغناطيسي ذي قطبين شمالي وجنوبي. ينقل الجزء الثابت المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى محاذاة الدوار معه. ولأن تنشيط وإيقاف تشغيل الملفات اللولبية بالتتابع يُغير المجال المغناطيسي، فإن كل نبضة أو خطوة إدخال تُحرك الدوار تدريجيًا بمقدار 0.9 أو 1.8 درجة دورانية، حسب طراز المحرك الهجين. في المحرك الخطي الخطوي، تتعشق صامولة دقيقة ملولبة مُدمجة في الدوار مع لولب القيادة (الذي يحل محل العمود التقليدي).

يُولّد البرغي اللولبي قوة خطية باستخدام المبدأ الميكانيكي البسيط للمستوى المائل. تخيّل عمودًا فولاذيًا ملفوفًا حوله منحدر أو مستوى مائل. تُحدد الميزة الميكانيكية أو تضخيم القوة بزاوية المنحدر، وهي دالة لقطر البرغي، والخطوة (المسافة المحورية التي يقطعها سن البرغي في دورة واحدة)، والخطوة (المسافة المحورية المقاسة بين أشكال السن المتجاورة).

تحوّل أسنان لولب التغذية قوة الدوران الصغيرة إلى قدرة تحمل كبيرة، وذلك تبعًا لانحدار اللولبة (خطوة اللولبة). توفر خطوة اللولبة الصغيرة قوة أكبر ولكن سرعات خطية أقل. بينما توفر خطوة اللولبة الكبيرة قوة أقل ولكن سرعة خطية أعلى من نفس مصدر الطاقة الدورانية. في بعض التصاميم، تُصنع صامولة الطاقة المدمجة في الدوار من برونز عالي الجودة مناسب لتصنيع أسنان داخلية. إلا أن البرونز يمثل حلاً وسطًا هندسيًا بين التزييت والاستقرار الفيزيائي. يُعدّ البلاستيك الحراري المُزيّت مادةً أفضل، حيث يتميز بمعامل احتكاك أقل بكثير عند سطح التلامس بين الصامولة ولولبة البرغي.

تسلسل الخطوات
تتضمن مخططات تشغيل المحرك الخطوي "تشغيل طور واحد" و "تشغيل طورين".

في تسلسل "تشغيل طور واحد" لمحرك ثنائي الطور مبسط، تُظهر الخطوة 1 الطور A من الجزء الثابت المُشغَّل. يؤدي هذا إلى تثبيت الجزء الدوار مغناطيسيًا نظرًا لتجاذب الأقطاب المختلفة. يؤدي إيقاف تشغيل الطور A وتشغيل الطور B إلى تحريك الجزء الدوار 90 درجة باتجاه عقارب الساعة (الخطوة 2). في الخطوة 3، يكون الطور B متوقفًا عن التشغيل والطور A مُشغَّلًا، ولكن مع عكس القطبية عن الخطوة 1. يتسبب هذا في دوران الجزء الدوار 90 درجة أخرى. في الخطوة 4، يتم إيقاف تشغيل الطور A وتشغيل الطور B، مع عكس القطبية عن الخطوة 2. يؤدي تكرار هذا التسلسل إلى تحريك الجزء الدوار باتجاه عقارب الساعة بخطوات مقدارها 90 درجة.

في تسلسل "تشغيل الطورين"، يكون كلا طوري المحرك مُفعّلين باستمرار، وتنعكس قطبية طور واحد فقط. يؤدي هذا إلى محاذاة الدوّار بين القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي "المتوسطين". ولأن كلا الطورين يعملان باستمرار، توفر هذه الطريقة عزم دوران أكبر بنسبة 41.4% مقارنةً بتسلسل "تشغيل طور واحد".

لسوء الحظ، على الرغم من أن البلاستيك مناسبٌ للأسنان اللولبية، إلا أنه غير مستقر بما يكفي لمحاور التحميل في تصميم المحرك الخطوي الهجين. وذلك لأن محاور التحميل البلاستيكية، تحت الحمل الكامل المستمر، تتمدد أربعة أضعاف محاور التحميل النحاسية. وهذا التمدد غير مقبول لأن تصميم المحرك يتطلب أن تكون الفجوة الهوائية بين الجزء الثابت والجزء الدوار بضعة أجزاء من الألف من البوصة فقط. ولحل هذه المشكلة، يُمكن حقن أسنان لولبية بلاستيكية داخل غلاف نحاسي يُركّب في الجزء الدوار ذي المغناطيس الدائم. يُطيل هذا الأسلوب عمر المحرك ويُقلل الاحتكاك مع الحفاظ على استقرار محاور التحميل.

من بين أنواع مشغلات هايدون المختلفة، تتميز الأجهزة "المقيدة" بآلية مدمجة لمنع الدوران. يوفر هذا التصميم شوطًا أقصى يصل إلى 2.5 بوصة، وهو مناسب لتطبيقات مثل توزيع السوائل بدقة، والتحكم في الخانق، وحركة الصمامات. أما الأنواع الأخرى...هايدونتُعد المحركات الخطية من النوع "غير المقيّد" و"الخطي الخارجي" التي تناسب التطبيقات التي تتطلب شوطًا أطول مثل نقل أنابيب الدم بواسطة روبوتات صغيرة ذات رافعة جسرية.XYأنظمة الحركة، وأنظمة التصوير.

تحديد حجم المشغل
يُوضح مثال تطبيقي كيفية تحديد حجم المُشغِّل. ضع في اعتبارك المعايير التالية:

القوة الخطية المطلوبة لتحريك الحمل = 15 رطل (67 نيوتن)
المسافة الخطية، م، التي يجب نقل الحمل إليها = 3 بوصات (0.0762 م)
وقت،tالمدة اللازمة لتحريك الحمولة بالثواني = 6 ثوانٍ
عدد الدورات المستهدفة = 1,000,000

هناك أربع خطوات لتحديد حجم المحرك الخطي ذي المحرك المتدرج: 1) تحديد تصنيف القوة الأولية للمحرك اللازمة لتلبية العمر المطلوب؛ 2) تحديد السرعة بالملليمترات/ثانية؛ 3) اختيار حجم إطار المحرك المناسب؛ و 4) تحديد دقة البرغي المناسبة بناءً على متطلبات القوة.

أفضل طريقة للتنبؤ بالحياة هي من خلال اختبار التطبيقات، وهو أمرٌ يُنصح به بشدة. إحدى التقنيات المستخدمة هي...نسبة الحمل مقابل عدد الدوراتيُعدّ المنحنى تقريبًا أوليًا جيدًا. لا تحتوي المحركات الخطوية على فرش قابلة للتآكل، وتستخدم محامل كروية دقيقة وطويلة العمر، لذا فإنّ الجزء الأكثر عرضة للتآكل هو صامولة الطاقة. وبالتالي، فإنّ عدد دورات التشغيل التي يتحملها الجهاز مع الحفاظ على مواصفات التصميم يعتمد على الحمل.

راجعنسبة الحمل مقابل عدد الدوراتيُستخدم الجدول لتحديد عامل الحجم الصحيح للمشغل لتحمل مليون دورة. وقد تبين أن هذا العامل هو 50%، أي ما يعادل 0.5. وبالتالي، فإن القوة المقدرة الأولية، نيوتن، المطلوبة لتحمل الحمل بعد مليون دورة هي 15 رطلاً / 0.5 = 30 رطلاً أو 133 نيوتن.

والآن حدد القدرة الميكانيكية الخطية المطلوبة بالواط:

P_خطي= (N × m)/t

في مثالنا، يصبح هذا (133 × 0.0762)/6 = 1.7 واط

باستخدام هذه البيانات، استخدمحجم إطار المشغلاستخدم الجدول لاختيار حجم الإطار المناسب. تتطلب جميع المحركات الخطية ذات المحركات المتدرجة وحدة تحكم لإرسال النبضات إلى المحرك. لاحظ أن الجدول يوضح القدرة لكل من وحدة التحكم L/R (جهد ثابت) ووحدة التحكم ذات التيار المتردد (تيار ثابت). ما لم يكن التطبيق يعمل بالبطارية (كما هو الحال في الأجهزة المحمولة باليد)، يوصي المصنعون بشدة باستخدام وحدة التحكم ذات التيار المتردد لتحقيق أقصى أداء. في هذا المثال، تُظهر مراجعة مواصفات قدرة وحدة التحكم ذات التيار المتردد في الجدول أن سلسلة Haydon 43000 (الحجم 17 الهجين) هي الأقرب إلى تلبية متطلبات 1.7 واط. يلبي هذا الاختيار متطلبات الحمل دون تصميم النظام بشكل مفرط.

بعد ذلك، احسب السرعة الخطية (بوصة في الثانية). تُعطى هذه السرعة بالصيغة التالية:ناقل حركة يدويويبلغ ذلك 3 بوصات/6 ثوانٍ = 0.5 بوصة في الثانية. مع حجم الإطار الأمثل (الحجم 17 الهجين) والسرعة الخطية (0.5 بوصة في الثانية)، استخدم ما هو مناسبالقوة مقابل السرعة الخطيةيُستخدم المنحنى لتحديد الدقة المناسبة للولب الرئيسي للمشغل. في هذه الحالة، تبلغ دقة اللولب الرئيسي المطلوبة 0.00048 بوصة.

تذكر أن لولب التغذية يتقدم بناءً على عدد خطوات الإدخال للمحرك. تُعبّر منحنيات الأداء بوحدتي "ips" و"steps/sec". للتحقق من اختيارك، تحقق من القوة عند معدل الخطوة المطلوب بالرجوع إلىالقوة مقابل معدل النبضالمنحنى، حيث: الدقة المختارة = 0.00048 بوصة/خطوة السرعة الخطية المطلوبة = 0.5 بوصة في الثانية معدل الخطوة المطلوب = (0.5 بوصة في الثانية)/ (0.00048 بوصة/خطوة) = 1041 خطوة.

برسم 1041 كقيمة المحور السيني (معدل النبض) ورسم خط عمودي من هذه النقطة إلى المنحنى، يتضح أن قيمة المحور الصادي (القوة) هي 30. لذلك، فإن الاختيار صحيح.