أصبحت المحركات الخطية والمشغلات الآن منافسة من حيث التكلفة للبراغي الكروية ومحركات السيور، وتوفر مرونة ونطاق ترددي فائقين لتطبيقات تحديد المواقع المتقدمة. وتساهم المحركات والمشغلات الدقيقة الجديدة في أتمتة المهام التي لم تكن ممكنة سابقًا. وتحل المحركات الخطية المباشرة بشكل متزايد محل الأسطوانات الهوائية التي يتم التحكم فيها بواسطة محركات مؤازرة، مما يساهم في زيادة الموثوقية وسهولة التحكم، دون تكلفة ضواغط الهواء أو الضوضاء أو تكاليف صيانتها.

استجابةً لمتطلبات صناعة أشباه الموصلات، واصل مصنّعو المحركات الخطية رفع مستوى الدقة، وخفض الأسعار، وتطوير أنواع متعددة من المحركات، وتبسيط عملية دمجها في معدات الأتمتة. توفر المحركات الخطية الحديثة تسارعًا يصل إلى 20 جرامًا وسرعة 10 أمتار في الثانية، وتتميز بمرونة ديناميكية لا مثيل لها، وتقلل من الصيانة، وتضاعف وقت التشغيل. وقد تجاوز استخدامها نطاق صناعة أشباه الموصلات المتخصصة لتوفير أداء متقدم في العديد من التطبيقات.

بفضل سرعتها التي تفوق سرعة براغي الكرات وعمرها التشغيلي بعشرة أضعاف، غالباً ما تكون تقنية الدفع المباشر الخطي هي الحل الوحيد لتعزيز الإنتاجية من خلال الأتمتة.

التفوق الديناميكي

يُحدّ الأداء الديناميكي لآليات تحديد المواقع التقليدية بسبب براغي التوجيه، وسلاسل التروس، ومحركات السيور، والوصلات المرنة، مما يُنتج التخلف، والارتداد، والتآكل. وبالمثل، تعاني المشغلات الهوائية من كتلة المكبس والاحتكاك بين المكبس والأسطوانة، بالإضافة إلى انضغاطية الهواء، مما يُعقّد عملية التحكم المؤازر. أما المحركات والمشغلات الخطية، فتُزيل كتلة وعزم القصور الذاتي لآليات تحديد المواقع التقليدية، وبفضل تحررها من هذه القيود الأساسية، تُوفر صلابة ديناميكية لا مثيل لها.

يُمكّن توليد قوة الدفع المباشر المحركات الخطية والمشغلات من تحقيق نطاق ترددي للحلقة المغلقة غير متوفر مع آليات تحديد المواقع البديلة. ويستطيع المحرك والمشغل الاستفادة الكاملة من وحدات التحكم الحديثة، المصممة خصيصًا للعمل بكسب حلقة عالٍ، مما يُحقق تحكمًا واسع النطاق، واستقرارًا سريعًا، وتعافيًا سريعًا من الاضطرابات العابرة.

تتفوق المحركات الخطية والمشغلات في تنفيذ حركات دقيقة تصل إلى ملليمترات، وتعمل ضمن نطاق الاحتكاك الساكن. فكتلتها المنخفضة واحتكاكها الساكن الضئيل يقللان من قوة الدفع اللازمة لبدء الحركة، ويبسطان مهمة نظام التحكم في منع التجاوز عند التوقف. هذه الخصائص تمكن المحركات والمشغلات ذات الدفع المباشر من مسح شرائح المجهر، على سبيل المثال، وتحديد مواقع القطع الأثرية على المحورين X وY التي لا يفصل بينها سوى ملليمترات.

يمكن للتطبيقات التي تتطلب حركة متكررة سريعة الاستفادة من النطاق الترددي العالي للمشغل الخطي لمضاعفة إنتاجية براغي الكرات أو محركات السيور. تعمل الآلات التي تقطع لفائف المواد إلى أطوال محددة (كالورق والبلاستيك وحتى حفاضات الأطفال) على زيادة الإنتاجية إلى أقصى حد من خلال التشغيل دون توقف تدفق المواد. وللقطع أثناء الحركة، تقوم هذه الآلات بتسريع شفرة القطع لتتزامن مع تدفق المواد، ثم تتحرك بسرعة المواد إلى موقع القطع، ثم تبدأ عملية القطع. بعد القطع، تعود الشفرة إلى نقطة البداية في انتظار دورة القطع التالية.

أنواع المحركات الخطية

تتوفر ثلاثة تكوينات أساسية للمحركات الخطية: المحركات المسطحة، والمحركات ذات القناة على شكل حرف U، والمحركات الأنبوبية. ولكل محرك مزايا وقيود خاصة به.

تُوفر محركات السطح المسطح، رغم قدرتها على الحركة غير المحدودة وقوة الدفع القصوى، جاذبية مغناطيسية كبيرة وغير مرغوب فيها بين القوة الحاملة للحمل ومسار المغناطيس الدائم للمحرك. تتطلب هذه القوة محامل تتحمل الحمل الزائد.

يتميز المحرك ذو القناة على شكل حرف U، بنواته الخالية من الحديد، بقصور ذاتي منخفض، مما يمنحه أقصى قدر من المرونة. ومع ذلك، فإن الملفات المغناطيسية الحاملة للحمل في المحرك تتحرك عميقًا داخل إطار القناة على شكل حرف U، مما يحد من تبديد الحرارة.

تتميز المحركات الخطية الأنبوبية بمتانتها وكفاءتها الحرارية وسهولة تركيبها. وهي بديل مباشر للمحركات اللولبية الكروية والمحركات الهوائية. تُغلف المغناطيسات الدائمة للمحرك الأنبوبي داخل أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ (قضيب الدفع)، مدعوم من كلا الطرفين. وبدون دعم إضافي لقضيب الدفع، يقتصر مدى حركة الحمل على مترين إلى ثلاثة أمتار، وذلك حسب قطر قضيب الدفع.

من بين أنواع المحركات الثلاثة، تُعدّ المحركات الأنبوبية الأنسب للاستخدامات الصناعية الشائعة. وقد حققت المحركات الخطية الأنبوبية فوائد جمّة بفضل ابتكار هندسي جوهري. إذ تستبدل محركات كوبلي كونترولز الخطية جهاز التشفير الخطي الخارجي التقليدي بمستشعرات هول مدمجة. وتُمكّن دائرة مغناطيسية حاصلة على براءة اختراع مستشعرات هول من تحقيق تحسين في الدقة والتكرارية يصل إلى عشرة أضعاف تقريبًا.

بما أن تكلفة أجهزة التشفير الخطي قد تقارب تكلفة المحرك الخطي نفسه، فإن الاستغناء عنها يُعدّ خفضًا كبيرًا في التكلفة. كما يُسهّل ذلك دمج المحرك الخطي في أنظمة الأتمتة، إذ لا حاجة إلى دعم أو محاذاة جهاز تشفير معقد. تشمل المزايا الأخرى المتانة والموثوقية، وعدم الحاجة إلى بيئات محمية لاستخدام جهاز التشفير.

يمكن تحويل المحركات الخطية الأنبوبية إلى مشغلات خطية قوية ومتعددة الاستخدامات تعمل بنظام الدفع المباشر. في هذا النوع من المشغلات، يبقى المحرك ثابتًا (مثبتًا بمسامير في هيكل الآلة)، بينما يتحرك قضيب دفع تحديد موضع الحمل على محامل منخفضة الاحتكاك وخالية من التشحيم مثبتة داخل المحرك. بالإضافة إلى تفوقه على براغي الكرات ومحركات الأحزمة، يُعد المشغل الخطي بديلاً عالي الأداء لأنظمة تحديد المواقع الهوائية المؤازرة القابلة للبرمجة.

تُعدّ المحركات الخطية الأنبوبية مثاليةً لمضاعفة الإنتاجية في التطبيقات التي تستخدم محركين مستقلين يعملان على قضيب دفع واحد. يمتلك كل محرك محركًا مؤازرًا خاصًا به، ويمكنه التحرك بشكل مستقل تمامًا عن الآخر. على سبيل المثال، يمكن لأحد المحركين التحميل بينما يقوم الآخر بالتفريغ. تُمكّن هذه التقنية من مضاعفة الإنتاجية عن طريق رفع عنصرين في كل مرة من ناقل سريع الحركة ووضعهما بدقة على ناقل ثانٍ.

وبالمثل، يمكن لعدة قوى تعمل على قضيب دفع واحد أن تضاعف قوة الدفع أو تزيدها ثلاثة أضعاف أو حتى أربعة أضعاف. ويمكن تشغيل هذه القوى بواسطة وحدة تحكم واحدة.

تتحرك القوة الحاملة للحمل في المحرك الخطي على محامل أحادية السكة ذات عمر طويل. في المقابل، تتضمن آليات تحويل الدوران إلى الحركة الخطية باستخدام برغي كروي مصادر تآكل إضافية تُضعف الأداء وتُقصر العمر الافتراضي.

ينزلق قضيب الدفع الخاص بالمشغل الخطي على محامل طويلة العمر لا تحتاج إلى تزييت، مثبتة داخل المحرك. هذه البساطة المتأصلة تُمكّن المشغل من العمل لمدة تصل إلى 10 ملايين دورة تشغيل. تتميز محامل المشغل بخاصية المحاذاة الذاتية، مما يُسهّل عملية التركيب. تُطبّق قوة دفع المشغل مباشرةً على قضيب الدفع، مما يُحسّن التسارع والاستجابة.

باستبدال المشفر الخارجي بمستشعر الحالة الصلبة المدمج في وحدة الدفع، تصبح محركات الدفع المباشر والمشغلات أجهزة بسيطة للغاية مكونة من عنصرين فقط. تتميز كل من وحدة الدفع وقضيب الدفع بمتانة عالية، مما يُمكّن المحرك والمشغل من الامتثال لمعايير الحماية من الغسل بمعيار IP67 الدولي.

يُضفي غياب التروس المطحونة والبراغي الدوارة على المحركات الخطية والمشغلات ميزة التشغيل الهادئ التي تزداد أهميتها. وتواكب إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) عن كثب القوانين الصناعية الأوروبية، التي تفرض قواعد أكثر صرامة بشأن ضوضاء مكان العمل. يُعد التشغيل الهادئ أمرًا بالغ الأهمية بالفعل في المختبرات والمستشفيات؛ وسيزداد هذا الاهتمام انتشارًا مع توسيع إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) لنطاق تطبيقها ليشمل بيئات إنتاجية أخرى.