מערכות תנועה לינארית נמצאות בתוך אינספור מכונות, כולל מערכות חיתוך לייזר מדויקות, ציוד אוטומציה למעבדה, מכונות לייצור מוליכים למחצה, מכונות CNC, אוטומציה של מפעלים ועוד רבות אחרות, רבות מכדי למנותן. הן נעות בין מערכות פשוטות יחסית כמו מפעיל מושב זול ברכב נוסעים, ועד למערכת קואורדינטות מורכבת ורב-צירית הכוללת אלקטרוניקה של בקרה והנעה למיקום בלולאה סגורה. לא משנה כמה פשוטה או מורכבת מערכת התנועה הליניארית, ברמה הבסיסית ביותר, לכולן יש דבר אחד במשותף: הזזת עומס דרך מרחק ליניארי בפרק זמן מסוים.

אחת השאלות הנפוצות ביותר בעת תכנון מערכת תנועה ליניארית מתמקדת בטכנולוגיית המנוע. לאחר בחירת הטכנולוגיה, יש להתאים את גודל המנוע כך שיעמוד בדרישות תאוצת העומס, התגברות על החיכוך במערכת והתגברות על השפעת כוח הכבידה, והכל תוך שמירה על טמפרטורת פעולה מרבית בטוחה. המומנט, המהירות, ההספק ויכולת המיקום של המנוע הם פונקציה של תכנון המנוע, בשילוב עם ההנעה והבקרה.

עם איזה מנוע כדאי לי להתחיל?

ישנן שאלות יישום רבות שיש לקחת בחשבון בעת ​​תכנון מערכת תנועה ליניארית באמצעות טכנולוגיית מנוע מסוימת. הסבר ממצה של התהליך כולו חורג מהיקף מאמר זה. הכוונה היא לגרום לכם לחשוב על שאילת השאלות הנכונות בעת שיחה עם ספק מנועים.

אין דבר כזה מנוע הטוב ביותר לכל יישום, אלא מנוע הטוב ביותר עבור יישום מסוים. ברוב המכריע של יישומי תנועה מצטברת, הבחירה תהיה מנוע צעד, מנוע DC עם מברשות, או מנוע DC ללא מברשות. מערכות התנועה המורכבות ביותר עשויות להשתמש במנועים ליניאריים המחוברים ישירות לעומס, ובכך להימנע מהצורך בהמרת כוח מכנית; אין צורך בתרגום דרך בורג מוביל/בורג כדורי, תיבת הילוכים או מערכת גלגלות. למרות שניתן להשיג דיוק, חזרתיות ורזולוציית מיקום מקסימליים עם מערכות סרוו ליניאריות בעלות הנעה ישירה ללא ליבה, הן בעלות והמורכבות הגבוהות ביותר בהשוואה למנועים סיבוביים. ארכיטקטורה המשתמשת במנועים סיבוביים זולה בהרבה, ותענה על רוב יישומי התנועה הליניארית; עם זאת, יש צורך באמצעים כלשהם של המרה "מסיבוב ללינארי" (וכתוצאה מכך, המרת כוח) כדי להניע את העומס.

מנועים מסוג Stepper, Brushless ו-Brushless נחשבים כולם למנועי DC; עם זאת, קיימות דקויות שיגרמו למהנדס להעדיף סוג אחד על פני שני האחרים ביישום מסוים. יש להדגיש כי בחירה זו תלויה במידה רבה בדרישות התכנון של המערכת, לא רק מבחינת מהירות ומומנט, אלא גם מבחינת דיוק המיקום, חזרתיות ודרישות הרזולוציה. אין מנוע מושלם לכל יישום, וכל ההחלטות ידרוש פשרות תכנון. ברמה הבסיסית ביותר, כל המנועים, בין אם הם נקראים AC או DC, Brushless, Brushless או כל מנוע חשמלי אחר לצורך העניין, פועלים תחת אותו עיקרון פיזיקלי ליצירת מומנט: האינטראקציה של שדות מגנטיים. עם זאת, ישנם הבדלים דרמטיים באופן שבו טכנולוגיות המנוע השונות הללו מגיבות ביישומים מסוימים. ביצועי המנוע הכוללים, התגובה ויצירת המומנט תלויים בשיטת עירור השדה ובגיאומטריית המעגל המגנטי הטבועה בתכנון המנוע הפיזי, בבקרת מתח הקלט והזרם על ידי הבקר/הינע, ובשיטת משוב המהירות או המיקום, אם היישום דורש זאת.

טכנולוגיות מנועי צעד DC, סרוו מברשת וסרוו ללא מברשות משתמשות כולן באספקת זרם ישר (DC) כדי להפעיל אותן. עבור יישומי תנועה ליניארית, אין פירוש הדבר שניתן להפעיל מקור קבוע של זרם ישר ישירות על סלילי המנוע; נדרשת אלקטרוניקה כדי לשלוט בזרם הסליל (קשור למומנט המוצא) ובמתח הסליל (קשור למהירות המוצא). להלן סיכום של נקודות החוזק והחולשה של שלוש הטכנולוגיות.

תכנון המערכת הליניארית מתחיל במסת העומס ובמהירות המעבר של המסה מנקודה א' לנקודה ב'. סוג המנוע, גודלו ותכנוןו המכני מתחילים בהספק (בוואטים) הנדרש להזזת העומס. הניתוח, החל מהעומס ובסופו של דבר דרך כל הרכיבים ועד לספק הכוח של ההינע, הוא סדרה של צעדים להבנת המרת ההספק מחלק אחד של המערכת לחלק השני תוך התחשבות ביעילות השונה של הרכיבים שביניהם. וואטים בצורת מתח וזרם אל ההינע יתורגמו בסופו של דבר לוואטים של פלט מכני המניעים עומס נתון בפרק זמן מסוים.

על מנת לקבל אינדיקציה לגבי הספק המוצא הנדרש בעומס, חישוב הספק פשוט יעזור להעריך את מצב המנוע. לאחר הבנת הספק המוצא הממוצע הנדרש, סיימו את ניתוח דרישות ההספק על ידי חזרה למנוע וניתוח רכיבי המרת ההספק השונים. יש להתייחס לנתוני היצרנים כדי לקחת בחשבון את יעילות הרכיבים השונים, שכן זה יקבע בסופו של דבר את גודל המנוע ואת ספק הכוח. זוהי העדפה אישית לגבי אילו יחידות לעבוד איתן, אך יחידות SI מומלצות מאוד. עבודה ביחידות SI מונעת את הצורך לזכור קבועי המרה מרובים, ואת התוצאה הסופית תמיד ניתן להמיר חזרה ליחידות אנגליות.

כמה כוח נדרש כדי להזיז את המטען בזמן הנדרש?

מסה של 9 ק"ג המורמת כנגד כוח הכבידה תדרוש כוח של כ-88 ניוטון. חישוב הוואטים הדרושים להזזת העומס יספק נקודת התחלה לקביעת הרכיבים בשאר המערכת. זהו ההספק הממוצע הדרוש להזזת מסה של 9 ק"ג אנכית מנקודה א' לנקודה ב' בשנייה אחת. הפסדי מערכת כגון חיכוך אינם כלולים. הספק ציר המנוע הנדרש יהיה גבוה במקצת ותלוי ברכיבים האחרים המשמשים במערכת כגון תיבת ההילוכים ובורג ההובלה.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

זה שונה מהספק השיא שיידרש מהמערכת. לאחר התחשבות בתאוצה ובהאטה, ההספק המיידי במהלך פרופיל התנועה יהיה גבוה במקצת; עם זאת, הספק המוצא הממוצע הנדרש בעומס הוא כ-18 וואט. לאחר ניתוח מעמיק של כל הרכיבים, מערכת כמו זו תדרוש כ-37 וואט בהספק שיא כדי לבצע את העבודה. מידע זה, יחד עם מפרטי היישום השונים האחרים, יעזור כעת לבחור את טכנולוגיית המנוע המתאימה ביותר.

איזו טכנולוגיית מוטור כדאי לי לשקול?

יכולת מיקום מצוינת ובקרות פשוטות יחסית יובילו מתכנן לבחון תחילה את האפשרות להשתמש במנוע צעד. עם זאת, מנוע צעד לא יעמוד בדרישה של טביעת רגל מכנית קטנה תוך עמידה בדרישות העומס. דרישת הספק שיא של 37 וואט תדרוש מנוע צעד גדול מאוד. למרות שלמנועי צעד יש מומנט גבוה מאוד במהירויות נמוכות, מהירות השיא ולכן דרישת ההספק של פרופיל התנועה עולה על היכולת של כל מנועי הצעד מלבד הגדולים ביותר.

מנוע סרוו DC עם מברשות יעמוד בדרישות העומס, יהיה בעל טביעת רגל מכנית קטנה, ויהיה בעל סיבוב חלק מאוד במהירויות נמוכות; עם זאת, עקב דרישות EMC מחמירות, כנראה שעדיף להימנע ממנוע מברשות עבור יישום ספציפי זה. זוהי אלטרנטיבה זולה יותר בהשוואה למערכת ללא מברשות, אך היא עלולה להוות קושי בעמוד בדרישות EMC מחמירות.

מנוע DC ללא מברשות המשתמש במערכת הנעה סינוסואידלית יהיה הבחירה הראשונה שתעמוד בכל דרישות היישום, כולל פרופיל העומס והתנועה (צפיפות הספק גבוהה); תנועה חלקה וללא גלגלי שיניים במהירויות נמוכות; וטביעת רגל מכנית קטנה. במקרה זה, עדיין יהיה פוטנציאל לחתימת EMI עקב מיתוג בתדר גבוה של האלקטרוניקה של ההינע; עם זאת, ניתן למתן זאת באמצעות סינון מקוון עקב פס תדרים צר יותר. מנוע DC עם מברשות מציג חתימת EMI רחבה יותר, מה שמקשה על הסינון.

קביעת גודל המנוע היא רק ההתחלה

מאמר זה נועד לדון בקצרה במטרה להציג בפני המתכנן שיקולים שונים בעת בחירת טכנולוגיית מנוע עבור יישום תנועה ליניארית פשוט יחסית. למרות שהעקרונות זהים עבור מערכת מורכבת יותר כמו שולחן XY או מנגנון פיק-אנד-פלייס מדויק רב-צירי, יהיה צורך לנתח את העומס של כל ציר באופן עצמאי. שיקול נוסף מחוץ לתחום מאמר זה הוא כיצד לבחור מקדם בטיחות מתאים על מנת לעמוד באורך החיים הרצוי של המערכת (מספר מחזורים). אורך החיים של המערכת אינו רק פונקציה של גודל המנוע, אלא גם של אלמנטים מכניים אחרים במערכת כגון תיבת ההילוכים ומכלול בורג ההובלה. גורמים אחרים כגון דיוק מיקום, רזולוציה, חזרתיות, גלגול, גובה וסטיה מקסימליים וכו' הם כולם שיקולים חשובים כדי להבטיח שמערכת התנועה הליניארית תעמוד ביעדי היישום או תעלה עליהם.