يقوم المحرك الخطي بتحريك حمولة، قد تكون مجموعة أو مكونات أو منتجًا نهائيًا، في خط مستقيم. وهو يحول الطاقة إلى حركة أو قوة، ويمكن تشغيله بواسطة سائل مضغوط أو هواء، بالإضافة إلى الكهرباء. فيما يلي شرح لأنواع المحركات الخطية الشائعة، ومزاياها وعيوبها.

كيف تعمل؟

تتكون المحركات الخطية الهوائية من مكبس داخل أسطوانة مجوفة. يعمل الضغط الناتج عن ضاغط خارجي أو مضخة يدوية على تحريك المكبس داخل الأسطوانة. ومع ازدياد الضغط، تتحرك الأسطوانة على طول محور المكبس، مما يُولّد قوة خطية. يعود المكبس إلى موضعه الأصلي إما بفعل قوة ارتداد نابضية أو بتزويد الجانب الآخر من المكبس بسائل.

• تعمل المشغلات الخطية الهيدروليكية بشكل مشابه للمشغلات الهوائية، ولكن سائل غير قابل للانضغاط من مضخة بدلاً من الهواء المضغوط هو الذي يحرك الأسطوانة.

• يحوّل المحرك الخطي الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى عزم دوران. يقوم محرك كهربائي موصول ميكانيكيًا بتدوير لولب رصاصي. تُمنع صامولة لولبية أو كروية ملولبة، ذات أسنان متطابقة مع أسنان اللولب، من الدوران معه. عند دوران اللولب، تتحرك الصامولة على طول الأسنان. يعتمد اتجاه حركة الصامولة على اتجاه دوران اللولب، كما أنها تعيد المحرك إلى وضعه الأصلي.

【المشغلات الهوائية】

المزايا

تكمن مزايا المشغلات الهوائية في بساطتها. تتميز معظم المشغلات الهوائية المصنوعة من الألومنيوم بضغط أقصى يبلغ 150 رطل لكل بوصة مربعة، وبأقطار تتراوح من ½ إلى 8 بوصات، ما يُترجم إلى قوة تتراوح بين 30 و7500 رطل تقريبًا. أما المشغلات المصنوعة من الفولاذ، فتتميز بضغط أقصى يبلغ 250 رطل لكل بوصة مربعة، وبأقطار تتراوح من ½ إلى 14 بوصة، وتُولد قوى تتراوح بين 50 و38465 رطل قوة.

• تعمل المشغلات الهوائية على توليد حركة خطية دقيقة من خلال توفير الدقة، على سبيل المثال، في حدود 0.1 بوصة والتكرارية في حدود 0.001 بوصة.

تُستخدم المشغلات الهوائية عادةً في بيئات ذات درجات حرارة قصوى، حيث يتراوح نطاق درجة الحرارة النموذجي بين -40 درجة فهرنهايت و250 درجة فهرنهايت. ومن حيث السلامة والفحص، فإن استخدام الهواء في هذه المشغلات يغني عن استخدام المواد الخطرة. كما أنها تلبي متطلبات الحماية من الانفجار وسلامة الآلات لعدم احتوائها على محركات، مما يمنع حدوث أي تداخل مغناطيسي.

شهدت أنظمة الهواء المضغوط في السنوات الأخيرة تطورات كبيرة في مجال التصغير، وتحسين المواد، والتكامل مع الإلكترونيات وأنظمة مراقبة الحالة. وتتميز هذه الأنظمة بانخفاض تكلفتها مقارنةً بأنواع المحركات الأخرى. فعلى سبيل المثال، وفقًا لشركة بيمبا للتصنيع، يتراوح متوسط ​​سعر المحرك الهوائي بين 50 و150 دولارًا أمريكيًا. كما تتميز المحركات الهوائية بخفة وزنها، وقلة صيانتها، ومكوناتها المتينة، مما يجعلها وسيلة فعالة من حيث التكلفة للحركة الخطية.

العيوب

• يؤدي فقدان الضغط وانضغاطية الهواء إلى جعل أنظمة الهواء المضغوط أقل كفاءة من طرق الحركة الخطية الأخرى. وتعني قيود الضاغط وتوصيل الهواء أن العمليات عند ضغوط منخفضة ستكون ذات قوى أقل وسرعات أبطأ. يجب أن يعمل الضاغط باستمرار عند ضغط التشغيل حتى في حالة عدم وجود أي حركة.

لكي تكون المشغلات الهوائية فعالة حقًا، يجب تصميمها خصيصًا لمهمة محددة. لذا، لا يمكن استخدامها في تطبيقات أخرى. يتطلب التحكم الدقيق والكفاءة استخدام منظمات وصمامات تناسبية، لكن هذا يزيد من التكاليف والتعقيد.

على الرغم من سهولة الحصول على الهواء المضغوط، إلا أنه قد يتلوث بالزيت أو مواد التشحيم، مما يؤدي إلى توقف العمليات والحاجة إلى الصيانة. ولا تزال الشركات مضطرة لدفع ثمن الهواء المضغوط، مما يجعله مادة استهلاكية، كما أن الضاغط وخطوطه يمثلان مشكلة صيانة أخرى.

【المشغلات الهيدروليكية】

المزايا

تتميز المشغلات الهيدروليكية بمتانتها وملاءمتها للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية. فهي قادرة على توليد قوى تفوق قوة الأسطوانات الهوائية ذات الحجم المماثل بـ 25 ضعفًا، كما أنها تعمل بضغوط تصل إلى 4000 رطل لكل بوصة مربعة.

• تتميز المحركات الهيدروليكية بنسبة عالية من القدرة الحصانية إلى الوزن تزيد بمقدار 1 إلى 2 حصان/رطل عن المحرك الهوائي.

• يمكن للمشغل الهيدروليكي الحفاظ على ثبات القوة وعزم الدوران دون الحاجة إلى ضخ المزيد من السائل أو الضغط، وذلك بسبب عدم انضغاط السوائل.

• يمكن وضع المضخات والمحركات الخاصة بالمشغلات الهيدروليكية على مسافة كبيرة مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة.

العيوب

• قد يحدث تسرب للسوائل في الأنظمة الهيدروليكية. ومثل المشغلات الهوائية، يؤدي فقدان السوائل إلى انخفاض الكفاءة. ومع ذلك، فإن تسرب السوائل الهيدروليكية يؤدي إلى مشاكل في النظافة وتلف محتمل للمكونات والمناطق المحيطة.

تتطلب المشغلات الهيدروليكية العديد من الأجزاء الملحقة، بما في ذلك خزان السائل، والمحركات، والمضخات، وصمامات التنفيس، والمبادلات الحرارية، بالإضافة إلى معدات الحد من الضوضاء. وهذا ما يجعل أنظمة الحركة الخطية كبيرة الحجم ويصعب استيعابها.

【المشغلات الكهربائية】

المزايا

• توفر المحركات الكهربائية أعلى مستويات دقة التحكم في تحديد المواقع. فعلى سبيل المثال، تصل دقة هذه المحركات إلى ± 0.000315 بوصة، مع تكرارية تقل عن 0.0000394 بوصة. وتتميز هذه المحركات بإمكانية تعديل إعداداتها لتناسب أي غرض أو متطلبات قوة، كما أنها هادئة وسلسة وقابلة للتكرار.

• يمكن ربط المحركات الكهربائية بشبكة وإعادة برمجتها بسرعة. وهي توفر تغذية راجعة فورية لأغراض التشخيص والصيانة.

• توفر هذه الأنظمة تحكمًا كاملاً في خصائص الحركة ويمكن أن تتضمن أجهزة تشفير للتحكم في السرعة والموقع وعزم الدوران والقوة المطبقة.

• من حيث الضوضاء، فهي أقل ضوضاءً من المشغلات الهوائية والهيدروليكية

• نظرًا لعدم وجود تسربات للسوائل، يتم القضاء على المخاطر البيئية.

العيوب

• تكلفة الوحدة الأولية للمشغل الكهربائي أعلى من تكلفة المشغلات الهوائية والهيدروليكية. وفقًا لمثال شركة بيمبا للتصنيع، يتراوح سعر المشغل الكهربائي بين 150 دولارًا وأكثر من 2000 دولار، وذلك حسب تصميمه ومكوناته الإلكترونية.

• لا تُناسب المشغلات الكهربائية جميع البيئات، على عكس المشغلات الهوائية، التي تُعد آمنة في المناطق الخطرة والقابلة للاشتعال.

• سيؤدي تشغيل المحرك باستمرار إلى ارتفاع درجة حرارته، مما يزيد من تآكل علبة التروس. كما قد يكون المحرك كبيرًا ويسبب مشاكل في التركيب.

• يُثبّت المحرك المُختار حدود قوة الدفع والسرعة للمُشغّل على إعداد ثابت. إذا رُغِبَ في مجموعة مختلفة من قيم القوة والدفع والسرعة، فيجب تغيير المحرك.