تعتمد فكرة الأسطوانات الكهربائية أساساً على توفير عمل مفيد من خلال تحويل الحركة الدورانية (الدائرية) لعنصر القيادة إلى حركة خطية (مستقيمة). وتختلف نماذج الأسطوانات الكهربائية تبعاً لنوع المحرك الذي يوفر الحركة الدورانية، ونوع عمود البرغي الذي يوفر الحركة الخطية، وأنواع التوصيلات التي تسمح بدمج هذين المكونين.
تُقارن الأسطوانات الكهربائية غالبًا بالأسطوانات الهوائية نظرًا لتشابه مجالات استخدامها. ويمكن إجراء هذه المقارنة أحيانًا مع الأسطوانات الهيدروليكية. ولكل نظام من هذه الأنظمة الثلاثة مزايا وعيوب وفقًا لخصائصه. ينبغي على المستخدمين مراعاة هذه الجوانب عند اختيار المنتجات المناسبة لتطبيقاتهم. تُستخدم المشغلات الكهربائية في صناعة الآلات، وصناعة السيارات وفروعها، والأغذية، والمنسوجات، والتعبئة والتغليف، والأجهزة الطبية، وأجهزة الاختبار، والروبوتات، والتطبيقات الإلكترونية. تتميز الأسطوانات الكهربائية ببنية ميكانيكية منفصلة عن الأنظمة الأخرى، حيث يتم توفير الحركة بواسطة عمود لولبي مثبت داخل جسمها. يُمكّن اللولب الكروي من نقل الطاقة عن طريق تحويل الحركة الدائرية التي يتلقاها من المحرك إلى حركة خطية. وبحسب المكونات الميكانيكية المستخدمة في الأسطوانات الكهربائية ونوع المحرك، توفر هذه الأسطوانات دقة عالية في تحديد المواقع، والتحكم في السرعة، والتحكم في القوة.

هيكل الأسطوانة الكهربائية

يتكون هيكل الأسطوانة الكهربائية أساسًا من ثلاثة عناصر رئيسية. وبما أن جزء الأسطوانة يمكن تقييمه بشكل منفصل، فإن المحرك يُعتبر عمومًا وحدة متكاملة.

1. أسطوانة

الأسطوانة هي العنصر الذي يقوم بالعمل عن طريق تحويل الحركة الدائرية التي تتلقاها من المحرك إلى حركة خطية. وتختلف سعة التحميل القصوى ودقة تحديد المواقع والسرعة القصوى وطول الشوط الأقصى للأسطوانة تبعًا للمنتجات الميكانيكية المستخدمة.

2. محول توصيل المحرك

هذه هي الآلية التي تنقل حركة المحرك إلى الأسطوانة. وهي متصلة بين الأسطوانة والمحرك. وبحسب التطبيق، يمكن تركيب المحرك إما بشكل محوري أو موازٍ للأسطوانة.

3. المحرك

يُعدّ المحرك المصدر الرئيسي للطاقة في الأسطوانة، فهو الذي يمنحها الحركة. ويمكن استخدام الأسطوانات الكهربائية مع محركات سيرفو، ومحركات خطوية، ومحركات تيار مستمر، ومحركات تيار متردد.
يمكن التحكم في القوة التي يطبقها أسطوانة كهربائية مزودة بمحرك سيرفو مدمج دون الحاجة إلى معدات خارجية. وباستخدام هذه الأسطوانة مع محرك السيرفو، يمكن تحديد المواقع بدقة عالية في أكثر من موضع. كما يمكن الحصول على معلومات حول عملية تحديد المواقع. ويمكن تغيير قيم السرعة والتسارع للأسطوانة الكهربائية أثناء العملية. ويمكن التحكم في جميع هذه العمليات بواسطة وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC). أما بالنسبة لأنواع أخرى من مولدات الحركة، فيمكن تنفيذ هذه العمليات بإضافة معدات خارجية (مستشعر، مقياس خطي، إلخ).

ميزات الأسطوانة الكهربائية

1. التحكم في الموضع باستخدام أسطوانة كهربائية

يُمكن تحقيق تحديد دقيق للمواقع في أكثر من موضع باستخدام الأسطوانات الكهربائية. وتعتمد دقة تحديد المواقع على دقة لولب الكرات وعنصر قراءة الموضع المستخدم. تتحرك الأسطوانة مسافة لولب الكرات مع كل دورة للمحرك. وبمجرد توقف الحركة، تكون الأسطوانة قد استقرت في موضعها. ومن خلال التحكم في حركة لولب الكرات، يُمكن وضع الأسطوانة في الموضع المطلوب.
بينما يمكن تحقيق دقة تحديد موضع تصل إلى 0.02 مم باستخدام عمود لولبي كروي في الأسطوانات الكهربائية، تبقى هذه القيمة في حدود 0.1 مم عند استخدام عمود شبه منحرف. لذا، يجب أن يكون اختيار عنصر قارئ الموضع (المشفر، المقياس الخطي، إلخ) مناسبًا لقيم دقة تحديد الموضع المطلوبة.
بفضل أسطوانة كهربائية مدمجة بمحرك مؤازر، يمكن قراءة معلومات الموضع دون الحاجة إلى عناصر خارجية. ويمكن معالجة هذه المعلومات وتقييمها. تنتقل الأسطوانة إلى موضعها الثاني بعد بقائها لفترة وجيزة في موضعها الأول. ولا يقتصر عدد المواضع على اثنين، بل يمكن زيادته.
في حال استخدام أسطوانات كهربائية مع محركات لا تحتوي على عنصر قراءة موضع داخلي، يلزم استخدام معدات خارجية للتحكم في الموضع. ويمكن تحديد الموضع من خلال التحكم في حركة الأسطوانة باستخدام معلومات الموضع الواردة من المعدات الخارجية.

2. التحكم في السرعة باستخدام أسطوانة كهربائية

تعتمد سرعة الأسطوانة الكهربائية على خطوة لولب الكرات وسرعة المحرك. ويمكن التحكم في السرعة بتغيير عدد دورات لولب الكرات، كما يمكن تغييرها بتغيير سرعة المحرك أثناء الحركة. ويمكن تقليل هدر الوقت بضبط التسارعات وفقًا للتطبيق. فبينما تتحرك الأسطوانة بسرعة منخفضة للوصول إلى موضعها الأول، فإنها بعد فترة زمنية معينة تتحرك بسرعة أعلى للوصول إلى موضعها الثاني.

3. التحكم في تسارع الأسطوانة الكهربائية

من خلال تغيير قيم التسارع والتباطؤ للمحرك المدمج في الأسطوانة الكهربائية، يمكن التحكم في تسارع الأسطوانة. وهذا يمنعها من القيام بعمليات بدء وتوقف مفاجئة تحت الأحمال الثقيلة. في التطبيقات التي تتطلب دورات سريعة، يمكن تحقيق أوقات الدورة المطلوبة عن طريق ضبط عمليات البدء والتوقف السريعة. تصل الأسطوانة إلى سرعة معينة بقيم تسارع مختلفة.

4. التحكم بالقوة باستخدام الأسطوانة الكهربائية

تعتمد القوة التي يُطبقها الأسطوانة الكهربائية على قدرة المحرك المستخدم والبنية الميكانيكية للأسطوانة. ويمكن التحكم في قوة الأسطوانة من خلال التحكم في قدرة المحرك. واليوم، تُنتج الأسطوانات الكهربائية قوى تصل إلى 300 كيلو نيوتن.
يمكن التحكم بالقوة باستخدام وضع عزم الدوران للمحرك في الأسطوانة الكهربائية المزودة بمحرك مؤازر مدمج. يمكن تثبيت الأسطوانة بقوة معينة، بحيث تبقى ثابتة تحت تأثير هذه القوة. يمكن قراءة معلومات القوة والموضع، ومعالجتها وتقييمها. قد يلزم استخدام مستشعر القوة حسب الحساسية المطلوبة لمعلومات القوة. يمكن الحصول على هذه المعلومات باستخدام مستشعر القوة عند استخدام المحرك بدون وضع عزم الدوران في الأسطوانة الكهربائية.

تُعدّ الأسطوانات الكهربائية إحدى ثمار التطور التكنولوجي المتقدم والثورة الصناعية الرابعة. وقد زاد انتشار استخدام الأنظمة الذكية ذات دورات الإنتاج العالية، والتي تتيح إنتاج منتجات متنوعة على نفس الآلة، وانخفاض تكاليف التشغيل، من الحاجة إلى الأسطوانات الكهربائية. ومن المتوقع أن تحلّ هذه المنتجات محلّ الأنظمة الأخرى مع مرور الوقت، لما توفره من مزايا عديدة مقارنةً بالأسطوانات التي تعمل بالطاقة الهيدروليكية. تتميز الأسطوانات الكهربائية ببنية ميكانيكية منفصلة عن الأنظمة الأخرى، حيث يتم توفير الحركة بواسطة عمود لولبي داخل جسمها. ويُمكّن اللولب الكروي من نقل الطاقة عن طريق تحويل الحركة الدائرية التي يتلقاها من المحرك إلى حركة خطية. وبحسب المكونات الميكانيكية المستخدمة في الأسطوانات الكهربائية ونوع المحرك، توفر هذه الأسطوانات دقة عالية في تحديد المواقع، والتحكم في السرعة، والتحكم في القوة. وإلى جانب المزايا التي توفرها للمستخدم، تُعدّ الأسطوانات الكهربائية منتجات صديقة للبيئة. وفيما يتعلق بكفاءة الطاقة، التي تُعدّ من أهم مسؤولياتنا اليوم، تُعتبر الأسطوانات الكهربائية أكثر كفاءة من الأنظمة الأخرى. بعد 2000 ساعة من الاختبار في نفس الظروف والحمل والسرعة، تم اختبار الأسطوانة الكهربائية ووجد أنها أكثر كفاءة بمقدار 11 مرة من حيث استهلاك الطاقة مقارنة بالأسطوانة الهوائية.