تتزايد شعبية المحركات الخطية. فهي تمنح الآلات أعلى مستويات الدقة والأداء الديناميكي.

تتميز المحركات الخطية بسرعة ودقة عاليتين في تحديد المواقع، كما أنها قادرة على الحركة البطيئة والثابتة لرؤوس الآلات والمنزلقات، بالإضافة إلى أنظمة مناولة الأدوات والقطع. وتُستخدم المحركات الخطية في تطبيقات متنوعة، مثل جراحة الليزر، وفحص البصر، ومناولة الزجاجات والحقائب، نظرًا لموثوقيتها العالية، وقلة صيانتها، وقدرتها على تحسين دورات الإنتاج.

سرعة وقوة أعلى

تتصل المحركات الخطية مباشرةً بالحمل، مما يلغي الحاجة إلى العديد من مكونات التوصيل، مثل الوصلات الميكانيكية والبكرات وأحزمة التوقيت والبراغي الكروية وسلاسل النقل والتروس المسننة، على سبيل المثال لا الحصر. وهذا بدوره يقلل التكاليف وحتى رد الفعل العكسي. كما تتيح المحركات الخطية حركةً ثابتةً وتحديدًا دقيقًا للموقع لمئات الملايين من الدورات، بالإضافة إلى سرعات أعلى.

تختلف السرعات النموذجية التي يمكن تحقيقها باستخدام المحركات الخطية: تستخدم آلات الالتقاط والوضع (التي تقوم بالعديد من الحركات القصيرة) ومعدات الفحصمحركات خطويةبسرعات تصل إلى 60 بوصة/ثانية؛ تطبيقات القص الطائر وآلات الالتقاط والوضع التي تقوم بحركات أطول تستخدممحرك بدون فرش بدون تروستُستخدم المحركات الخطية بسرعات تصل إلى 200 بوصة/ثانية؛ في قطارات الملاهي، وقاذفات المركبات، ووسائل نقل الركاب.الحث بالتيار المترددمحركات للوصول إلى سرعات تصل إلى 2000 بوصة/ثانية.

هناك عامل آخر يحدد أفضل تقنية للمحركات الخطية: القوة اللازمة لتحريك الحمل. فالحمل أو الكتلة، بالإضافة إلى منحنى تسارع التطبيق، هما العاملان الرئيسيان اللذان يحددان هذه القوة.

يُمثل كل تطبيق تحديات مختلفة؛ ومع ذلك، بشكل عام، تستخدم أنظمة نقل الأجزاء محركات خطية متدرجة بقوة تصل إلى 220 نيوتن أو 50 رطلاً؛ وتستخدم أشباه الموصلات، والقطع بالليزر، والقطع بنفث الماء، والروبوتات محركات بدون فرشات وبدون تروس بقوة تصل إلى 2500 نيوتن؛ وتستخدم أنظمة النقل محركات حثية خطية تعمل بالتيار المتردد بقوة تصل إلى 2200 نيوتن؛ وتستخدم خطوط النقل وأدوات الآلات محركات بدون فرشات ذات قلب حديدي بقوة تصل إلى 14000 نيوتن. ضع في اعتبارك أن كل تطبيق يختلف عن الآخر، وعادةً ما يقدم مهندسو التطبيقات من الشركات المصنعة المساعدة في هذه المرحلة من تحديد المواصفات.

توجد عوامل أخرى إلى جانب السرعة والقوة. على سبيل المثال، تستخدم أنظمة النقل محركات الحث الخطية ذات التيار المتردد نظرًا لطول مسارها، ومزايا وجود ملف ثانوي سلبي بدون مغناطيس دائم. وتستخدم تطبيقات مثل جراحة العيون بالليزر وتصنيع أشباه الموصلات محركات بدون فرش أو تروس لضمان الدقة وسلاسة الحركة.

التشغيل الأساسي

تعمل المحركات الخطية من خلال تفاعل قوتين كهرومغناطيسيتين - وهو نفس التفاعل الأساسي الذي ينتج عزم الدوران في المحرك الدوار.

تخيل قطع محرك دوار ثم فرده: هذا يعطي فكرة تقريبية عن هندسة المحرك الخطي. فبدلاً من ربط الحمل بعمود دوار لتوليد عزم الدوران، يتم ربط الحمل بجسم متحرك مسطح لتوليد الحركة الخطية والقوة. باختصار، عزم الدوران هو تعبير عن الشغل الذي يوفره المحرك الدوار، بينما القوة هي تعبير عن شغل المحرك الخطي.

دقة

لنبدأ بنظام المحرك الخطوي الدوار التقليدي: عند توصيله ببرغي كروي ذي خطوة 5 دورات في البوصة، تتراوح دقته بين 0.004 و0.008 بوصة، أو 0.1 إلى 0.2 مم. أما النظام الدوار الذي يعمل بمحرك مؤازر، فتصل دقته إلى 0.001 إلى 0.0001 بوصة.

في المقابل، يوفر المحرك الخطي الموصول مباشرة بحمله دقة تتراوح من 0.0007 إلى 0.000008 بوصة. لاحظ أن الوصلة وخلوص لولب الكرة غير مدرجين في هذه الأرقام، وهذا يزيد من تدهور دقة الأنظمة الدوارة.

تختلف الدقة النسبية: فالمحرك الخطوي الدوار النموذجي الذي نشرحه هنا لا يزال بإمكانه تحديد الموضع بدقة تصل إلى قطر شعرة الإنسان. ومع ذلك، فإن المحركات المؤازرة تُحسّن هذه الدقة بما يصل إلى 80 ضعفًا، بينما يُمكن للمحرك الخطي تحسينها أكثر - إلى 500 ضعف أصغر من قطر شعرة الإنسان.

أحيانًا، تُعدّ الصيانة والتكلفة (على مدار عمر المعدات) أهم من الدقة. وتتفوق المحركات الخطية في هذا الجانب أيضًا: إذ تنخفض تكاليف الصيانة عمومًا مع استخدامها، لأن الأجزاء غير المتلامسة تُحسّن تشغيل الآلة وتزيد متوسط ​​الوقت بين الأعطال. إضافةً إلى ذلك، فإن انعدام رد الفعل العكسي في المحركات الخطية يُزيل الصدمات، مما يُطيل عمر الآلة. ومن المزايا الأخرى: إمكانية زيادة الفترة بين دورات الصيانة، مما يُتيح انسيابية أكبر في العمليات. كما أن تقليل الصيانة والعمالة يُحسّن الربحية ويُخفّض تكلفة الملكية على مدار عمر المعدات.

مقارنة الفوائد

تتطلب التطبيقات حركة خطية. عند استخدام محرك دوار، يلزم وجود آلية تحويل ميكانيكية لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة خطية. هنا، يختار المصممون آلية التحويل الأنسب للتطبيق مع تقليل القيود إلى أدنى حد.

• المحرك الخطي مقابل الحزام والبكرة:للحصول على حركة خطية من محرك دوار، يُستخدم عادةً حزام وبكرة. عادةً ما تكون قوة الدفع محدودة بقوة شد الحزام؛ إذ يمكن أن تؤدي عمليات البدء والتوقف السريعة إلى تمدد الحزام وبالتالي حدوث رنين، مما يؤدي إلى زيادة زمن الاستقرار. كما أن الالتواء الميكانيكي، والارتداد، وتمدد الحزام تُقلل من التكرارية والدقة وإنتاجية الآلة. ولأن السرعة والتكرارية هما أساس الحركة المؤازرة، فإن هذا ليس الخيار الأمثل. فبينما يمكن لتصميم الحزام والبكرة أن يصل إلى 3 أمتار/ثانية، يمكن للمحرك الخطي أن يصل إلى 10 أمتار/ثانية. وبدون أي ارتداد أو التواء، تُعزز المحركات الخطية ذات الدفع المباشر التكرارية والدقة بشكل أكبر.
• المحرك الخطي مقابل نظام الترس والجريدة المسننة:توفر التروس المسننة قوة دفع وصلابة ميكانيكية أكبر من تصميمات الحزام والبكرة. مع ذلك، يؤدي التآكل ثنائي الاتجاه بمرور الوقت إلى عدم دقة في التكرار وعدم استقرار في الأداء، وهي أبرز عيوب هذه الآلية. كما أن رد الفعل العكسي يمنع استجابة المحرك من رصد موضع الحمل الفعلي، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار، وبالتالي انخفاض المكاسب وبطء الأداء العام. في المقابل، تتميز الآلات التي تعمل بمحركات خطية بسرعة أكبر ودقة أعلى في تحديد الموضع.
• المحرك الخطي مقابل المحرك اللولبي الكروي:الطريقة الأكثر شيوعًا لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة خطية هي استخدام لولب ذي سن لولبي أو لولب كروي. هذه الطرق غير مكلفة ولكنها أقل كفاءة: عادةً ما تكون كفاءة اللوالب ذات السن اللولبي 50% أو أقل، بينما تبلغ كفاءة اللوالب الكروية حوالي 90%. ينتج عن الاحتكاك العالي حرارة، ويؤدي التآكل على المدى الطويل إلى انخفاض الدقة. مسافة الحركة محدودة ميكانيكيًا. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن زيادة حدود السرعة الخطية إلا بزيادة خطوة السن اللولبي، ولكن هذا يقلل من دقة تحديد الموضع؛ كما أن السرعة الدورانية العالية جدًا قد تتسبب في اهتزاز اللولب، مما يؤدي إلى حدوث اهتزازات. توفر المحركات الخطية مسافة حركة طويلة وغير محدودة. مع وجود مشفر عند الحمل، تكون الدقة على المدى الطويل عادةً ±5 ميكرومتر/300 مليمتر.

أنواع المحركات الخطية الأساسية

كما تتعدد تقنيات المحركات الدوارة، تتعدد أيضاً أنواع المحركات الخطية، منها المحركات الخطوية، والمحركات عديمة الفرش، والمحركات الحثية الخطية للتيار المتردد، وغيرها. تجدر الإشارة إلى أن التقنية الخطية تستخدم مُضخِّمات (مُضخِّمات إشارة) بالإضافة إلى مُحدِّدات موضع (وحدات تحكم في الحركة) وأجهزة تغذية راجعة (مثل مستشعرات هول وأجهزة التشفير) المتوفرة عادةً في الصناعة.

تستفيد العديد من التصاميم من المحركات الخطية المصممة خصيصًا، ولكن التصاميم الجاهزة عادة ما تكون مناسبة.

محركات خطية بدون فرش ذات قلب حديديتتميز هذه المحركات بوجود صفائح فولاذية في الجزء المتحرك لتوجيه التدفق المغناطيسي. يتميز هذا النوع من المحركات بقدرة أعلى وكفاءة أكبر، ولكنه يزن من ثلاثة إلى خمسة أضعاف وزن المحركات الخالية من التروس ذات الحجم المماثل. تتكون الصفيحة الثابتة من مغناطيسات دائمة متعددة الأقطاب ذات قطبية متناوبة، مثبتة على صفيحة فولاذية مدلفنة على البارد ومغطاة بالنيكل. تتفاعل الصفائح الفولاذية الموجودة على الجزء المتحرك مع المغناطيسات الموجودة على الصفيحة الثابتة، مما يُولد قوة جذب ويُظهر قدرًا ضئيلاً من التموج أو التذبذب أثناء انتقال المحرك من مجال مغناطيسي إلى آخر، مما يؤدي إلى تغيرات في السرعة.

تتميز هذه المحركات بقدرة عالية على توليد ذروة القوة، وكتلة حرارية أكبر، وثابت زمني حراري طويل - لذا فهي مناسبة لتطبيقات دورة التشغيل المتقطعة عالية القوة التي تحرك أحمالًا ثقيلة جدًا، كما هو الحال في خطوط النقل وأدوات الآلات؛ وهي مصممة لحركة غير محدودة وقد تتضمن ألواحًا متحركة متعددة ذات مسارات متداخلة.

محركات بدون فرش وبدون تروسيحتوي هذا الجهاز على مجموعة ملفات في القوة المتحركة بدون صفائح فولاذية. تتكون الملفات من سلك وإيبوكسي وهيكل داعم غير مغناطيسي. هذه الوحدة أخف وزنًا بكثير. ينتج التصميم الأساسي قوة أقل، لذا تُضاف مغناطيسات إضافية إلى المسار الثابت (للمساعدة في زيادة القوة)، والمسار على شكل حرف U مع وجود مغناطيسات على كل جانب من جوانبه. تُوضع القوة في منتصف حرف U.

تُناسب هذه المحركات التطبيقات التي تتطلب تشغيلاً سلساً دون اهتزاز مغناطيسي، مثل معدات المسح الضوئي أو الفحص. وتُعدّ تسارعاتها العالية مفيدة في عمليات التقاط ووضع أشباه الموصلات، وفرز الرقائق، وتوزيع اللحام والمواد اللاصقة. صُممت هذه المحركات لحركة غير محدودة.

أجهزة المشي الخطيةتتوفر هذه التقنية منذ فترة طويلة؛ ويتكون المحرك المتحرك من قلب فولاذي مصفح مشقوق بدقة بأسنان، ومغناطيس دائم واحد، وملفات مثبتة في القلب المصفح. (لاحظ أن وجود ملفين ينتج عنه محرك خطوي ثنائي الطور). هذا التجميع مغلف بغلاف من الألومنيوم.

تتكون الصفيحة الثابتة من أسنان محفورة ضوئيًا على قضيب فولاذي، مصقول ومطلي بالنيكل. يمكن تكديسها جنبًا إلى جنب لأطوال غير محدودة. يأتي المحرك مزودًا بذراع دافعة ومحامل وصفيحة. تُستخدم قوة الجذب المغناطيسي كحمل مسبق للمحامل؛ كما تُمكّن الوحدة من العمل في وضع مقلوب لتطبيقات متنوعة.

محركات الحث التيار المتردديتكون من مُحَرِّك، وهو عبارة عن مجموعة ملفات تتألف من صفائح فولاذية ولفائف طورية. قد تكون اللفائف أحادية أو ثلاثية الطور. يتيح ذلك التحكم المباشر أثناء التشغيل، أو التحكم من خلال عاكس أو محرك متجه. تتكون اللوحة الثابتة (وتسمى لوحة التفاعل) عادةً من طبقة رقيقة من الألومنيوم أو النحاس ملتصقة بالفولاذ المدلفن على البارد.

بمجرد تنشيط ملف القوة، يتفاعل مع لوحة التفاعل ويتحرك. تتميز هذه التقنية بسرعات عالية وأطوال حركة غير محدودة؛ وتُستخدم في مناولة المواد، ونقل الأفراد، والناقلات، والبوابات المنزلقة.

مفاهيم تصميم جديدة

تم تطبيق بعض أحدث التحسينات التصميمية من خلال إعادة الهندسة. على سبيل المثال، أُعيد تصميم بعض المحركات الخطية المتدرجة (المصممة أصلاً لتوفير الحركة في مستوى واحد) لتوفير الحركة في مستويين - لحركة XY. في هذه الحالة، يتكون المحرك المتحرك من محركين خطيين متدرجين مثبتين بشكل متعامد بزاوية 90 درجة، بحيث يوفر أحدهما الحركة على المحور X، والآخر الحركة على المحور Y. كما يُمكن استخدام عدة محركات ذات مسارات متداخلة.

في هذه المحركات ثنائية المستوى، تستخدم المنصة الثابتة (أو اللوح) بنية مركبة جديدة لتعزيز المتانة. كما تم تحسين الصلابة، مما يقلل الانحراف بنسبة تتراوح بين 60 و80% مقارنةً بالنماذج الإنتاجية السابقة. ويتجاوز استواء اللوح 14 ميكرون لكل 300 مم لضمان حركة دقيقة. وأخيرًا: نظرًا لأن المحركات الخطوية تتمتع بقوة جذب طبيعية، فإن هذا التصميم يسمح بتركيب اللوح إما ووجهه لأعلى أو مقلوبًا، مما يوفر تنوعًا ومرونة في التطبيقات.

يُساهم ابتكار هندسي آخر، وهو التبريد المائي، في زيادة قدرة محركات الحث الخطية للتيار المتردد بنسبة 25%. وبفضل هذه الزيادة في القدرة، بالإضافة إلى ميزة طول الحركة غير المحدود، تُوفر محركات الحث للتيار المتردد أعلى أداء للعديد من التطبيقات، مثل ألعاب الملاهي، ونقل الأمتعة، وأنظمة نقل الركاب. ويمكن تغيير السرعة (من 6 إلى 2000 بوصة/ثانية) من خلال محركات السرعة القابلة للتعديل المتوفرة حاليًا في الصناعة.

يتضمن محرك آخر غلافًا أسطوانيًا ثابتًا مع جزء متحرك خطيًا لتوفير الحركة. قد يكون الجزء المتحرك قضيبًا مصنوعًا من الفولاذ المطلي بالنحاس، أو ملفًا متحركًا، أو مغناطيسًا متحركًا، مثل مكبس داخل أسطوانة.

توفر هذه التصاميم مزايا المحرك الخطي، بالإضافة إلى أداء مشابه للمشغل الخطي. تشمل التطبيقات عمليات تنظير القولون الطبية الحيوية، والكاميرات المزودة بمحركات غالق طويلة، والتلسكوبات التي تتطلب تخميد الاهتزازات، ومحركات تركيز الطباعة الحجرية، ومفاتيح مولدات الطاقة التي تفصل القواطع لتشغيل المولدات، وضغط الطعام - كما هو الحال عند تشكيل التورتيلا.

تُعدّ مجموعات أو مراحل المحركات الخطية الكاملة مناسبة لتحديد مواقع الحمولات. تتكون هذه المجموعات من محرك، وجهاز تشفير تغذية راجعة، ومفاتيح حدية، وحامل كابل. ويمكن تكديس المراحل لتحقيق حركة متعددة المحاور.

من مزايا المراحل الخطية صغر حجمها، مما يسمح بتركيبها في مساحات أصغر مقارنةً بالمحركات التقليدية. كما أن قلة مكوناتها تزيد من موثوقيتها. في هذه الحالة، يتم توصيل المحرك بمحركات عادية. وفي نظام التشغيل ذي الحلقة المغلقة، تُغلق حلقة تحديد الموضع بواسطة وحدة تحكم في الحركة.

بالإضافة إلى المنتجات الجاهزة، تتوفر تصاميم مخصصة ومتخصصة بكثرة. في النهاية، من الأفضل مراجعة احتياجات المعدات مع مهندس تطبيقات لتحديد المنتج الخطي الأمثل الذي يناسب متطلبات التطبيق.