أعادت المحركات الخطية تعريف إمكانيات التحكم في الحركة، بأداء أسرع وأكثر دقة وموثوقية مقارنةً بالمحركات الخطية التقليدية التي تعمل بمحركات دوارة. يتميز المحرك الخطي بخاصية فريدة تتمثل في تحريك الحمل دون الحاجة إلى مكونات ميكانيكية لنقل الطاقة، بل ترتبط القوة الخطية الناتجة عن المجال المغناطيسي لملف المحرك مباشرةً بالحمل. هذا يُغني عن استخدام الأجهزة الميكانيكية التي تُحوّل الحركة الدورانية إلى حركة خطية، مما يُحسّن عمر النظام ودقته وسرعته وأدائه العام.

مع تزايد الطلب على زيادة الإنتاجية، وتحسين جودة المنتجات، وتسريع عملية التطوير، وخفض تكاليف الهندسة، يزداد اعتماد تقنية المحركات الخطية بالاستفادة من تصاميم المحركات الخطية المعيارية. تُستخدم هذه المحركات في القياس، وأنظمة القطع الدقيقة، ومعدات تصنيع أشباه الموصلات والإلكترونيات، ومناولة الرقاقات، والطباعة الحجرية، وأنظمة فحص الرؤية، والمعدات والأجهزة الطبية، وأنظمة الاختبار، والفضاء والدفاع، وأتمتة خطوط التجميع، وتطبيقات الطباعة والتغليف، والعديد من التطبيقات الأخرى التي تتطلب إنتاجية عالية وحركة خطية عالية الدقة.

تتطلب مكونات المحرك الخطي تصنيعًا وتجميعًا دقيقًا للغاية وعمليات متكررة. يُعدّ ضبط هذه الأجزاء بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية، ويتطلب دقة تصميم ومهارة عالية في التجميع.

اليوم، غيّر الجيل الجديد من المحركات الخطية المعيارية قواعد اللعبة. يمكن تركيب المحركات الخطية المعيارية الجاهزة للاستخدام بسهولة على النظام وتكون جاهزة للتشغيل فورًا، مما يقلل بشكل كبير من وقت الهندسة. يستطيع المهندسون الآن الاستفادة من المزايا الهائلة لتقنية المحركات الخطية المعيارية في تصميم آلاتهم في غضون أيام قليلة، بدلاً من أشهر أو حتى سنوات.

تتكون أنظمة المحركات الخطية من تسعة مكونات رئيسية:

1. لوحة قاعدة
2. ملف المحرك
3. مسار مغناطيسي دائم (عادةً مغناطيسات النيوديميوم)
4. عربة تربط ملف المحرك بالحمل
5. قضبان تحمل خطية يتم توجيه العربة عليها وتتصل بالقاعدة
6. مشفر خطي لتغذية راجعة للموضع
7. نقاط التوقف النهائية
8. مسار الكابل
9. منفاخ اختياري لحماية مسار المغناطيس، والمشفر، والقضبان الخطية من التلوث البيئي.

حلقة التحكم

يجب تشغيل مكونات المحرك الخطي وتجميعها بدقة عالية وعمليات متكررة. يُعدّ المحاذاة الصحيحة لهذه الأجزاء أمرًا بالغ الأهمية، ويتطلب دقة تصميم ومهارة عالية في التجميع. على سبيل المثال، يجب أن يكون المسار المغناطيسي وملف المحرك المتحرك مستويين ومتوازيين، ومثبتين بفجوة هوائية محددة بينهما. يتحرك الملف المتحرك على عربة متصلة بقضبان محمل خطية دقيقة ومتوازية فوق المسار المغناطيسي. يُعدّ مُشفّر الموضع، المزود بمقياس خطي ورأس قراءة، جزءًا أساسيًا آخر من المحرك الخطي، ويتطلب إجراءات محاذاة دقيقة وتصميم تركيب متين لتحمل تسارعات تصل إلى 5 جي. في المحركات الخطية المعيارية، تُراعى هذه التفاصيل وتُصمّم مسبقًا.

تُستخدم أنظمة المحركات الخطية المعيارية، مثل تلك الموضحة، عند الحاجة إلى حركة خطية دقيقة وعالية السرعة وقابلة للتكرار. يُعد هذا النظام بديلاً عن المحركات اللولبية الكروية، والحزامية، والرفوف والترسية.

تُستخدم وحدات تحكم حركة متطورة ومحركات سيرفو للتحكم في حركة المحرك الخطي. تتميز المحركات الخطية بميزة واضحة فيما يتعلق بالصلابة والاستجابة الترددية. ففي نطاقات ترددية معينة، تُظهر صلابة تفوق صلابة المحركات اللولبية الكروية التقليدية بعشرة أضعاف أو أكثر. بفضل هذه الميزة، تستطيع المحركات الخطية التعامل مع نطاقات تردد عالية للموضع وحلقات السرعة بدقة مذهلة، حتى مع وجود اضطرابات خارجية. وعلى عكس المحركات اللولبية الكروية، التي غالبًا ما تواجه ترددات رنينية تتراوح بين 10 و100 هرتز، تعمل المحركات الخطية بترددات أعلى، مما يجعل رنينها يتجاوز نطاق تردد حلقة الموضع بكثير.

ومع ذلك، هناك تنازل مرتبط بإزالة ناقل الحركة الميكانيكي. تساعد المكونات الميكانيكية، مثل البراغي الكروية، على تقليل الاضطرابات الناتجة عن قوى الآلة، أو ترددات الرنين الطبيعية، أو الاهتزازات المتقاطعة. يؤدي إزالتها إلى تعريض المحركات الخطية مباشرةً لهذه الاضطرابات. وبالتالي، تقع مسؤولية تعويض هذه الاضطرابات على عاتق وحدة التحكم في الحركة وإلكترونيات القيادة، والتي يجب أن تتعامل معها مباشرةً - من خلال العمل مباشرةً على محور المؤازرة. وهنا يأتي دور خوارزميات الحركة المتطورة ذات الحلقة المغلقة اليوم، والتي تعمل على إزالة الرنين وتوفير تحكم ممتاز في حلقة الموضع.

في عالم المحركات الخطية، تتميز المحركات الخطية ببراعة تقنية استثنائية. قدرتها على إظهار صلابة فائقة والعمل بترددات أعلى تميزها عن البدائل التقليدية. بتحديها للترددات الرنانة والحفاظ على دقة عالية حتى في ظل وجود اضطرابات خارجية، تقدم المحركات الخطية حلاً مثاليًا.

مع ذلك، فإن غياب النقل الميكانيكي يستلزم استراتيجيات تعويض فعّالة لمواجهة الاضطرابات، مما يضمن استمرار أداء النظام وموثوقيته. تبدأ ترددات أخذ العينات في وحدة تحكم الحركة لحلقات السرعة والموضع عادةً عند 5 كيلوهرتز. يمكن أن يتمتع محور المحرك الخطي بعرض نطاق لحلقة موضع يتراوح بين خمسة وعشرة أضعاف عرض نطاق المحور الدوار التقليدي، حيث تكون ترددات 1 أو 2 كيلوهرتز مقبولة. يمكن لبعض وحدات تحكم الحركة الحالية أخذ عينات بمعدلات 20 كيلوهرتز أو أكثر، مما يتيح تحكمًا فائق السرعة في التغذية الراجعة وتحكمًا فائق الدقة في المسار.

نظرًا لأن معظم مصنعي المحركات الخطية المعيارية هم أيضًا خبراء في التحكم في الحركة والمحركات المؤازرة، فقد تم أيضًا التفكير جيدًا في العديد من تحديات حلقة التحكم ومخاوف الرنين الميكانيكي، ويتم توفير الحلول والأدوات للتخفيف من هذه التحديات.

تطبيق المحرك الخطي

اكتسبتُ خبرةً قيّمةً في استخدام المحركات الخطية منذ سنوات، مع فريقٍ من المهندسين الذين شرعوا في مشروعٍ ثوري: ابتكار أول آلة قطع ليزر تعتمد على محرك خطي في العالم. كان استخدام المحركات الخطية الخيار الأمثل لإحداث ثورةٍ في هذه الصناعة، إذ لم تتمكن تقنيات المحركات الخطية التقليدية، التي تعمل بمحركات سيرفو دوارة، من توفير الأداء العالي الذي توفره المحركات الخطية.

لم يكن تطبيق هذه التقنية بالمهمة السهلة. فمع تعمقنا في المشروع، أدركنا أن تطبيقنا يتطلب مواصفات أداء محركات خطية غير متوفرة تجاريًا. لكن ذلك لم يثنِنا، فقررنا تصميم محركات خطية خصيصًا لتطبيقنا.

واجهنا تحديات عديدة، إذ احتجنا إلى تحريك نظام جسري يزن 1000 رطل بسرعة 2.5 متر/ثانية مع تسارع 1.5 جي، مما استدعى تصميم محرك خطي قادر على توليد قوى هائلة. ثابر فريقنا، وكرّس ساعات لا تُحصى للبحث والتطوير حتى ابتكرنا أخيرًا محركًا خطيًا يلبي متطلبات آلة القطع بالليزر لدينا. كانت لحظة فخر لنا عندما رأينا محركاتنا الخطية تعمل بعد 14 شهرًا، وهي تدفع نظام الجسر بسرعة وسهولة ودقة لا تُصدق. كان الأداء الذي حققناه غير مسبوق. من المذهل التفكير في مدى السرعة التي كان من الممكن أن يكتمل بها مفهوم آلتنا لو توفرت حينها محركات خطية معيارية جاهزة للاستخدام.

شهدت تكنولوجيا المحركات الخطية تطورًا كبيرًا منذ انطلاق رحلتنا في تصميم المحركات الخطية في التسعينيات. ومع طرح تصاميم معيارية جديدة، أصبحت إمكانيات الابتكار والتقدم في تصميم الحركة والمحركات الخطية أكبر من أي وقت مضى. تُعيد المحركات الخطية المعيارية تعريف الإمكانيات، بفضل قدرات تحكم أسرع وأكثر دقة وموثوقية في الحركة، يمكن نشرها بسرعة للاستفادة من مجموعة واسعة من التطبيقات في العديد من الصناعات.