מנועים ליניאריים הולכים ומתפשטים. הם מעניקים למכונות את הדיוק הגבוה ביותר ואת הביצועים הדינמיים.

מנועים ליניאריים מהירים ומדויקים מאוד למיקום, אך מסוגלים גם למהירות מעבר איטית וקבועה עבור ראשי מכונה ומגלשות, כמו גם מערכות טיפול בכלים ובחלקים. מגוון יישומים - ניתוחי לייזר, בדיקת ראייה וטיפול בבקבוקים ובמטען - משתמשים במנועים ליניאריים מכיוון שהם אמינים ביותר, דורשים תחזוקה מועטה ומשפרים את מחזורי הייצור.

מהירות ועוצמה גבוהים יותר

מנועים ליניאריים מחוברים ישירות לעומס שלהם, מה שמבטל את הצורך במגוון רכיבי צימוד - צימודים מכניים, גלגלות, רצועות תזמון, ברגי כדור, הנעות שרשרת, ומוטות וגלגלי שיניים, אם למנות רק כמה. זה בתורו מפחית עלויות ואפילו חופש פעולה. מנועים ליניאריים מאפשרים גם תנועה עקבית, מיקום מדויק במשך מאות מיליוני מחזורים ומהירויות גבוהות יותר.

מהירויות אופייניות שניתן להשיג עם מנועים ליניאריים משתנות: מכונות איסוף והצבה (שמבצעות תנועות קצרות רבות) וציוד בדיקה משתמשים בהןסטפרים ליניארייםעם מהירויות של עד 60 אינץ'/שנייה; יישומי גזירה מעופפת ומכונות איסוף והצבה המבצעות תנועות ארוכות יותרללא מברשותמנועים ליניאריים למהירויות של עד 200 אינץ'/שנייה; רכבות הרים, משגרי רכבים ורכבי תחבורה משתמשים במנועים ליניארייםאינדוקציה ACמנועים כדי להגיע למהירויות של 2,000 אינץ'/שנייה.

גורם נוסף שקובע איזו טכנולוגיית מנוע ליניארי היא הטובה ביותר: הכוח הנדרש להזזת עומס היישום. העומס או המסה יחד עם פרופיל התאוצה של היישום קובעים בסופו של דבר כוח זה.

כל יישום מציג אתגרים שונים; עם זאת, באופן כללי, מערכות העברה חלקית משתמשות במכונות צעדים ליניאריות עם כוחות של עד 220 ניוטון או 50 ליברות; מערכות מוליכים למחצה, חיתוך לייזר, חיתוך בהזרקת מים ורובוטיקה משתמשות במנועים ללא מברשות ללא גלגלי שיניים עד 2,500 ניוטון; מערכות מסוע משתמשות במנועי אינדוקציה ליניאריים AC עד 2,200 ניוטון; וקווי העברה וכלי עבודה מכניים משתמשים במנועים ללא מברשות בעלי ליבת ברזל עד 14,000 ניוטון. יש לזכור שכל יישום שונה ומהנדסי יישומים של יצרנים בדרך כלל מספקים סיוע בשלב זה של המפרט.

קיימים גורמים נוספים מלבד מהירות וכוח. לדוגמה, מערכות מסוע משתמשות במנועי אינדוקציה ליניאריים AC בגלל אורך התנועה הארוך שלהם, והיתרונות של מנוע משני פסיבי ללא מגנטים קבועים. יישומים כמו ניתוח לייזר לעיניים וייצור מוליכים למחצה משתמשים במנועים ללא מברשות וללא גלגלי שיניים לצורך דיוק וחלקות התנועה.

הפעלה בסיסית

מנועים ליניאריים פועלים באמצעות אינטראקציה של שני כוחות אלקטרומגנטיים - אותה אינטראקציה בסיסית שמייצרת מומנט במנוע סיבובי.

דמיינו לעצמכם חיתוך של מנוע סיבובי ולאחר מכן יישורו: זה נותן מושג כללי על הגיאומטריה של מנוע ליניארי. במקום לחבר עומס לציר מסתובב לצורך מומנט, העומס מחובר למכונית נעה שטוחה לצורך תנועה ליניארית וכוח. בקיצור, מומנט הוא ביטוי לעבודה שמנוע סיבובי מספק, בעוד שכוח הוא ביטוי לעבודת המנוע הליניארי.

דִיוּק

בואו נבחן תחילה מערכת צעד סיבובית מסורתית: כאשר היא מחוברת לבורג כדורים עם פסיעה של 5 סיבובים לאינץ', הדיוק הוא כ-0.004 עד 0.008 אינץ', או 0.1 עד 0.2 מ"מ. מערכת סיבובית המופעלת על ידי מנוע סרוו מדויקת עד 0.001 עד 0.0001 אינץ'.

לעומת זאת, מנוע ליניארי המחובר ישירות לעומס שלו נותן דיוק בטווח של 0.0007 עד 0.000008 אינץ'. שימו לב שחיבור ושחרור סיבובי של בורג הכדורים אינם כלולים באיורים אלה, ואלה פוגעים עוד יותר בדיוק של מערכות סיבוביות.

הדיוק היחסי משתנה: מנוע הצעדים הסיבובי הטיפוסי שאנו מפרטים כאן עדיין יכול למקם במדויק עד לקוטר של שיער אדם. עם זאת, מנועי סרוו משפרים זאת עד פי 80, בעוד שמנוע ליניארי יכול לשפר זאת עוד יותר - עד פי 500 קטן יותר מקוטר שיער האדם.

לפעמים תחזוקה ועלות (לאורך חיי הציוד) הן שיקולים חשובים יותר מדיוק. גם כאן מנועים ליניאריים מצטיינים: עלויות התחזוקה יורדות בדרך כלל עם השימוש במנועים ליניאריים, שכן חלקים שאינם במגע משפרים את פעולת המכונה ומגדילים את הזמן הממוצע בין כשלים. בנוסף, אפס לחיצה על הגלגלים של מנועים ליניאריים מבטלת זעזועים, מה שמאריך עוד יותר את חיי המכונה. יתרונות נוספים: ניתן להגדיל את הזמן בין מחזורי תחזוקה, מה שמאפשר זרימה תפעולית טובה יותר. פחות תחזוקה וכוח אדם מעורב משפרים את השורה התחתונה - רווח - ומפחיתים את עלות הבעלות לאורך חיי הציוד.

הטבות בהשוואה

יישומים דורשים תנועה לינארית. אם משתמשים במנוע סיבובי, יש צורך במנגנון המרה מכני כדי להמיר את התנועה הסיבובית לתנועה לינארית. כאן, המתכננים בוחרים את מנגנון ההמרה המתאים ביותר ליישום תוך מזעור המגבלות.

• מנוע ליניארי לעומת רצועה וגלגלת:כדי להשיג תנועה ליניארית ממנוע סיבובי, גישה נפוצה היא שימוש ברצועה וגלגלת. בדרך כלל, כוח הדחף מוגבל על ידי חוזק המתיחה של הרצועה; התחלות ועצירות מהירות עלולות לגרום למתיחה של הרצועה ולכן לתהודה, וכתוצאה מכך זמן התייצבות מוגבר. ליפוף מכני, שינוי תנועה אחורי ומתיחה של הרצועה גם מפחיתים את החזרתיות, הדיוק ותפוקת המכונה. מכיוון שמהירות וחזרתיות הן שם המשחק בתנועת סרוו, זו אינה הבחירה הטובה ביותר. כאשר עיצוב עם גלגלת רצועה יכול להגיע ל-3 מטר/שנייה, העיצוב הליניארי יכול להגיע ל-10 מטר/שנייה. ללא כל שינוי תנועה אחורי או ליפוף אחורי, מנועים ליניאריים בעלי הנעה ישירה משפרים עוד יותר את החזרתיות והדיוק.
• מנוע ליניארי לעומת מנוע גלגל שיניים:מתלים וגלגלות מספקים דחף וקשיחות מכנית רבה יותר מאשר עיצובים של רצועה וגלגלת. עם זאת, בלאי דו-כיווני לאורך זמן מוביל לחזרה מפוקפקת ואי דיוקים - החסרונות העיקריים של מנגנון זה. שחרור אחורי מונע ממשוב המנוע לזהות את מיקום העומס בפועל, מה שמוביל לחוסר יציבות - וכפה הגבר נמוך יותר וביצועים כלליים איטיים יותר. לעומת זאת, מכונות המופעלות על ידי מנועים ליניאריים מהירות יותר וממקמות אותן בצורה מדויקת יותר.
• מנוע ליניארי לעומת בורג כדורים:הגישה הנפוצה ביותר להמרת תנועה סיבובית לתנועה לינארית היא שימוש בבורג מוביל או בבורג כדורי. אלה זולים אך פחות יעילים: ברגי מוביל בדרך כלל 50% או פחות, וברגי כדורי, כ-90%. חיכוך גבוה מייצר חום, ובלאי ארוך טווח מפחית את הדיוק. מרחק התנועה מוגבל מכנית. בנוסף, ניתן להאריך את מגבלות המהירות הלינאריות רק על ידי הגדלת גובה הסיבוב, אך זה פוגע ברזולוציית המיקום; מהירות סיבוב גבוהה מדי עלולה גם לגרום לברגים לצלצל, וכתוצאה מכך לרעידות. מנועים ליניאריים מספקים מהלך ארוך ובלתי מוגבל. עם מקודד בעומס, הדיוק לטווח ארוך הוא בדרך כלל ±5 מיקרומטר/300 מ"מ.

סוגי מנועים ליניאריים בסיסיים

מכיוון שישנן טכנולוגיות שונות של מנועים סיבוביים, כך גם ישנם מספר סוגים של מנועים ליניאריים: מנוע צעד, מנוע ללא מברשות ומנוע אינדוקציה ליניארית AC, בין היתר. שימו לב שטכנולוגיה ליניארית משתמשת במנועים (מגברים) בתוספת ממצבים (בקרי תנועה) והתקני משוב (כגון חיישני הול ומקודדים) הזמינים בדרך כלל בתעשייה.

עיצובים רבים נהנים ממנועים ליניאריים בהתאמה אישית, אך בדרך כלל עיצובים סטנדרטיים מתאימים.

מנועים ליניאריים ללא מברשות בעל ליבת ברזלמאופיינים על ידי ציפוי פלדה במחולל הנע כדי לתעל שטף מגנטי. לסוג מנוע זה דירוגי כוח גבוהים יותר והוא יעיל יותר, אך שוקל פי שלושה עד חמישה ממנועים נטולי גלגלי שיניים בגודל דומה. לוחית הפלדה הנייחת מורכבת ממגנטים קבועים בעלי קוטביות מתחלפת רב-קוטבית המודבקים על לוחית פלדה מגולגלת קר מניקל. ציפויי הפלדה על לוחית הפלדה הנייחת מגיבים עם המגנטים על לוחית הפלדה הנייחת, אשר מפתחים כוח "משיכה" ומציגים כמות קטנה של גלגל שיניים או אדוות כאשר המנוע נע משדה מגנט אחד למשנהו, וכתוצאה מכך נוצרים שינויים במהירות.

מנועים אלה מפתחים כמות גדולה של כוח שיא, בעלי מסה תרמית גדולה יותר וקבוע זמן תרמי ארוך - ולכן מתאימים ליישומים בעלי כוח גבוה ומחזור עבודה לסירוגין, המניעים עומסים כבדים מאוד, כמו בקווי העברה ובמכונות; הם מתוכננים לתנועה בלתי מוגבלת ויכולים לכלול מספר פלטות נעות עם מסלולים חופפים.

מנועים ללא מברשות וללא גלגלי שינייםיש מכלול סליל במחולל הנע ללא ציפויי פלדה. הסליל מורכב מחוט, אפוקסי ומבנה תמיכה לא מגנטי. יחידה זו קלה בהרבה במשקל. העיצוב הבסיסי מייצר כמות פחותה של כוח, ולכן מגנטים נוספים מוכנסים למסילה הנייחת (מסייעים להגברת הכוח) והמסילה בצורת U עם מגנטים משני צידי ה-U הזה. המחולל מוכנס לאמצע ה-U.

מנועים אלה מתאימים ליישומים הדורשים פעולה חלקה ללא קאגינג מגנטי, כגון ציוד סריקה או בדיקה. התאוצות הגבוהות יותר שלהם שימושיות בבחירת מוליכים למחצה, מיון שבבים, והפצת הלחמה ודבק. מנועים אלה מתוכננים לתנועה בלתי מוגבלת.

סטפרים ליניארייםזמינים כבר זמן רב; המנוע הנע מורכב מליבות פלדה למינציה מחורצות במדויק עם שיניים, מגנט קבוע יחיד וסלילים המוכנסים לליבה הלמינציה. (שימו לב ששני סלילים יוצרים מנוע צעד דו-פאזי.) מכלול זה עטוף במארז אלומיניום.

הפלטה הנייחת מורכבת משיניים חרוטות פוטוכימית על מוט פלדה, מלוטשת ומצופה ניקל. ניתן לערום אותן קצה לקצה לאורך בלתי מוגבל. המנוע מגיע עם כוח משיכה, מיסבים ולוח משיכה. כוח המשיכה מהמגנט משמש כמטען מקדים למיסבים; הוא גם מאפשר להפעיל את היחידה במצב הפוך עבור מגוון יישומים.

מנועי אינדוקציה ACמורכבים ממחולל שהוא מכלול סליל המורכב מלמינציות פלדה וסלילי פאזה. הסלילים יכולים להיות חד-פאזיים או תלת-פאזיים. זה מאפשר בקרה מקוונת ישירה, או בקרה באמצעות ממיר או הנעה וקטורית. הפלטה הנייחת (הנקראת פלטת תגובה) מורכבת בדרך כלל משכבה דקה של אלומיניום או נחושת המודבקת על פלדת גלגול קר.

ברגע שסליל הכוח מקבל אנרגיה, הוא מתקשר עם לוח התגובה ונע. מהירויות גבוהות יותר ואורכי מהלך בלתי מוגבלים הם יתרונותיו של עיצוב זה; הם משמשים לטיפול בחומרים, הובלת אנשים, מסועים ושערי הזזה.

קונספטים עיצוביים חדשים

חלק משיפורי התכנון האחרונים יושמו באמצעות הנדסה מחדש. לדוגמה, חלק ממנועי הצעדים הליניאריים (שתוכננו במקור לספק תנועה במישור אחד) מתוכננים כעת מחדש כדי לספק תנועה בשני מישורים - עבור תנועת XY. כאן, מנוע הכוח הנע מורכב משני מנועי צעד ליניאריים המותקנים אורתוגונליים בזווית של 90° כך שאחד מספק תנועה בציר X, והשני מספק תנועה בציר Y. מנועי כוח מרובים עם מסלולים חופפים אפשריים גם כן.

במנועים דו-מישוריים אלה, הפלטפורמה הנייחת (או משטח הפלטה) משתמשת במבנה מרוכב חדש לחוזק. הנוקשות גם היא משופרת, כך שהסטייה מצטמצמת ב-60 עד 80% בהשוואה לדגמי ייצור קודמים. שטוחות המשטח עולה על 14 מיקרון לכל 300 מ"מ לתנועה מדויקת. לבסוף: מכיוון שלמדרגות יש כוח משיכה טבעי, תפיסה זו מאפשרת להרכיב את המשטח כשהוא פונה כלפי מעלה או הפוך, ובכך מספקת גמישות וגמישות ליישומים.

חידוש הנדסי נוסף - קירור מים - מגדיל את יכולת הכוח של מנועי אינדוקציה ליניאריים מסוג AC ב-25%. עם הרחבת יכולת זו, כמו גם היתרון של אורך מהלך בלתי מוגבל, מנועי אינדוקציה מסוג AC מספקים את הביצועים הגבוהים ביותר עבור יישומים רבים: מתקנים, טיפול במזוודות ומכשירי הובלת אנשים. המהירות משתנה (מ-6 עד 2,000 אינץ'/שנייה) באמצעות מנועי מהירות מתכווננים הזמינים כיום בתעשייה.

מנוע נוסף כולל בית גלילי נייח עם חלק נע ליניארי כדי לספק תנועה. החלק הנע יכול להיות מוט המורכב מפלדה מצופה נחושת, סליל נע או מגנט נע, כמו בוכנה בתוך גליל.

עיצובים אלה מספקים את היתרונות של מנוע ליניארי ובנוסף פועלים באופן דומה למפעיל ליניארי. היישומים כוללים קולונוסקופיות ביו-רפואיות, מצלמות עם מפעילי תריס ארוכים, טלסקופים הדורשים שיכוך רעידות, מנועי מיקוד ליתוגרפיה, גלגלי חשמל לגנרטורים שמפעילים מפסקים כדי להפעיל גנרטורים, וכבישת מזון - כמו בעת כבישת טורטיות.

חבילות מנועים ליניאריים שלמים או שלבים מתאימים למיקום מטענים. אלה מורכבים ממנוע, מקודד משוב, מתגי גבול ונשא כבלים. ניתן לערום שלבים לתנועה רב-צירית.

יתרון אחד של שלבים ליניאריים הוא הפרופיל הנמוך יותר שלהם, המאפשר להם להתאים לחללים קטנים יותר בהשוואה למצבים קונבנציונליים. פחות רכיבים יוצרים אמינות גבוהה יותר. כאן, המנוע מחובר להנעות רגילות. בפעולה בלולאה סגורה, לולאת המיקום נסגרת באמצעות בקר תנועה.

שוב, מלבד מוצרים במלאי, קיימים בשפע עיצובים בהתאמה אישית ומיוחדים. בסופו של דבר, עדיף לבחון את צרכי הציוד עם מהנדס יישומים כדי לקבוע את המוצר הליניארי האופטימלי המתאים לצורכי היישום.