Doğrusal motorlar giderek yaygınlaşıyor. Makinelere en yüksek hassasiyeti ve dinamik performansı sağlıyorlar.

Doğrusal motorlar konumlandırma için oldukça hızlı ve hassastır, ancak aynı zamanda makine kafaları ve kızakların yanı sıra takım ve parça taşıma sistemleri için yavaş ve sabit hareket hızına da sahiptir. Lazer cerrahisi, görsel muayene ve şişe ve bagaj taşıma gibi çeşitli uygulamalar, son derece güvenilir olmaları, az bakım gerektirmeleri ve üretim döngülerini iyileştirmeleri nedeniyle doğrusal motorlar kullanır.

Daha yüksek hız ve kuvvet

Doğrusal motorlar, yüklerine doğrudan bağlıdır; bu da mekanik kaplinler, kasnaklar, triger kayışları, bilyalı vidalar, zincir tahrikleri ve kremayer dişliler gibi birçok bağlantı bileşenini ortadan kaldırır. Bu da maliyetleri ve hatta boşluğu azaltır. Doğrusal motorlar ayrıca tutarlı hareket, yüz milyonlarca çevrim boyunca hassas konumlandırma ve daha yüksek hızlar sağlar.

Doğrusal motorlarla elde edilebilen tipik hızlar değişir: Al ve yerleştir makineleri (çok sayıda kısa hareket yapan) ve muayene ekipmanı kullanımıdoğrusal adımlayıcılar60 inç/sn hızlara kadar; uçan kesme uygulamaları ve daha uzun hareketler yapan alma ve yerleştirme makineleridişlisiz fırçasız200 inç/sn hıza kadar doğrusal motorlar; hız trenleri, araç fırlatıcıları ve insan taşıyıcıları doğrusal motorlar kullanırAC indüksiyonmotorların 2.000 inç/sn hıza ulaşması.

Hangi lineer motor teknolojisinin en iyi olduğunu belirleyen bir diğer faktör de uygulama yükünü hareket ettirmek için gereken kuvvettir. Yük veya kütle, uygulamanın ivme profiliyle birlikte bu kuvveti belirler.

Her uygulama farklı zorluklar sunar; ancak genel olarak parça transfer sistemleri 220 N veya 50 lb'ye kadar kuvvetlere sahip doğrusal adım motorları kullanır; yarı iletken, lazer kesim, su jeti kesim ve robotik 2.500 N'a kadar fırçasız dişlisiz motorlar kullanır; konveyör sistemleri 2.200 N'a kadar doğrusal AC endüksiyon motorları kullanır; transfer hattı ve takım tezgahları 14.000 N'a kadar demir çekirdekli fırçasız motorlar kullanır. Her uygulamanın farklı olduğunu ve üretici uygulama mühendislerinin genellikle bu spesifikasyon adımında yardım sağladığını unutmayın.

Hız ve kuvvetin yanı sıra başka faktörler de mevcuttur. Örneğin, konveyör sistemleri, uzun hareket mesafeleri ve kalıcı mıknatıslar olmadan pasif bir ikincil motora sahip olmanın avantajları nedeniyle doğrusal AC endüksiyon motorları kullanır. Lazer göz ameliyatı ve yarı iletken üretimi gibi uygulamalar, hareketin doğruluğu ve düzgünlüğü için fırçasız dişlisiz motorlar kullanır.

Temel işlem

Doğrusal motorlar, iki elektromıknatıs kuvvetinin etkileşimiyle çalışır; bu, döner bir motorda tork üreten aynı temel etkileşimdir.

Döner bir motoru kesip düzleştirdiğinizi düşünün: Bu, doğrusal bir motorun geometrisi hakkında kabaca bir fikir verir. Tork için yükü dönen bir şafta bağlamak yerine, doğrusal hareket ve kuvvet için yük düz hareket eden bir arabaya bağlanır. Kısacası, tork döner bir motorun sağladığı işin ifadesidir, kuvvet ise doğrusal motor işinin ifadesidir.

Kesinlik

Öncelikle geleneksel bir döner adımlama sistemini ele alalım: İnç başına 5 devirlik bir vida adımına sahip bir bilyalı vidaya bağlı olan sistemin hassasiyeti yaklaşık olarak 0,004 ila 0,008 inç veya 0,1 ila 0,2 mm'dir. Servo motorla çalışan bir döner sistem ise 0,001 ila 0,0001 inç hassasiyete sahiptir.

Buna karşılık, yüküne doğrudan bağlı bir doğrusal motor, 0,0007 ila 0,000008 inç arasında değişen bir doğruluk sağlar. Bu rakamlara bağlantı ve bilyalı vida boşluğunun dahil edilmediğini ve bunların döner sistemlerin doğruluğunu daha da düşürdüğünü unutmayın.

Göreceli doğruluk değişir: Burada detaylarını verdiğimiz tipik döner adımlayıcı, insan saçı çapına kadar hassas bir şekilde konumlanabilir. Bununla birlikte, servolar bunu 80 kata kadar artırırken, doğrusal bir motor bunu daha da iyileştirebilir; insan saçı çapından 500 kat daha küçük olabilir.

Bazen bakım ve maliyet (ekipmanın kullanım ömrü boyunca), doğruluktan daha önemli hususlardır. Doğrusal motorlar bu konuda da öne çıkar: Temassız parçalar makinenin çalışmasını iyileştirdiği ve arızalar arasındaki ortalama süreyi artırdığı için, doğrusal motorların kullanımıyla bakım maliyetleri genellikle azalır. Ayrıca, doğrusal motorların sıfır geri tepmesi, şoku ortadan kaldırarak makine ömrünü daha da uzatır. Diğer avantajlar: Bakım döngüleri arasındaki süre artırılabilir ve bu da daha fazla operasyonel akışa olanak tanır. Daha az bakım ve ilgili personel, karlılığı artırır ve ekipman ömrü boyunca sahip olma maliyetini düşürür.

Karşılaştırılan faydalar

Uygulamalar doğrusal hareket gerektirir. Döner motor kullanılıyorsa, döner hareketi doğrusal harekete dönüştürmek için mekanik bir dönüşüm mekanizması gereklidir. Bu noktada tasarımcılar, sınırlamaları en aza indirerek uygulamaya en uygun dönüşüm mekanizmasını seçerler.

• Doğrusal motor ve kayış-kasnak:Döner bir motordan doğrusal hareket elde etmek için yaygın bir yaklaşım kayış ve kasnak kullanmaktır. İtme kuvveti genellikle kayışın çekme dayanımıyla sınırlıdır; hızlı başlatma ve durdurmalar kayış esnemesine ve dolayısıyla rezonansa neden olarak yerleşme süresinin artmasına neden olabilir. Mekanik sarma, boşluk ve kayış esnemesi de tekrarlanabilirliği, doğruluğu ve makine verimini düşürür. Servo hareketinde hız ve tekrarlanabilirlik esas olduğundan, bu en iyi seçenek değildir. Kayış-kasnak tasarımı 3 m/sn hıza ulaşırken, doğrusal tasarım 10 m/sn hıza ulaşabilir. Herhangi bir boşluk veya sarma olmadan, doğrudan tahrikli doğrusal motorlar tekrarlanabilirliği ve doğruluğu daha da artırır.
• Lineer motor ve kremayer ve pinyon:Kremayer ve pinyonlar, kayış ve kasnak tasarımlarına göre daha fazla itme kuvveti ve mekanik sertlik sağlar. Ancak, zamanla çift yönlü aşınma, bu mekanizmanın en büyük dezavantajları olan, tekrarlanabilirliği şüpheli ve hatalı sonuçlara yol açar. Boşluk, motor geri beslemesinin gerçek yük konumunu algılamasını engelleyerek dengesizliğe ve daha düşük kazançlara ve daha düşük genel performansa neden olur. Buna karşılık, doğrusal motorlarla çalışan makineler daha hızlıdır ve daha doğru konumlanır.
• Doğrusal motor ve bilyalı vida:Döner hareketi doğrusal harekete dönüştürmenin en yaygın yolu, bir kılavuz veya bilyalı vida kullanmaktır. Bunlar ucuzdur ancak daha az verimlidir: Kılavuz vidalar genellikle %50 veya daha az, bilyalı vidalar ise yaklaşık %90 oranında. Yüksek sürtünme ısı üretir ve uzun süreli aşınma doğruluğu azaltır. Hareket mesafesi mekanik olarak sınırlıdır. Ayrıca, doğrusal hız sınırları yalnızca eğim artırılarak uzatılabilir, ancak bu konumsal çözünürlüğü düşürür; aşırı yüksek dönüş hızı da vidaların savrulmasına ve titreşime neden olabilir. Doğrusal motorlar uzun ve sınırsız hareket sağlar. Yükte bir kodlayıcı ile uzun süreli doğruluk genellikle ±5 µm/300 mm'dir.

Temel doğrusal motor tipleri

Farklı döner motor teknolojileri olduğu gibi, kademeli, fırçasız ve doğrusal AC endüksiyon gibi çeşitli doğrusal motor türleri de mevcuttur. Doğrusal teknolojinin, endüstride yaygın olarak bulunan sürücüler (amplifikatörler), konumlayıcılar (hareket kontrolörleri) ve geri bildirim cihazlarını (Hall sensörleri ve kodlayıcılar gibi) kullandığını unutmayın.

Birçok tasarım özel lineer motorlardan faydalanır, ancak genellikle stok tasarımlar uygundur.

Fırçasız demir çekirdekli doğrusal motorlarHareketli kuvvetlendiricideki çelik laminasyon, manyetik akıyı yönlendirmek için kullanılır. Bu motor tipi daha yüksek kuvvet değerlerine sahiptir ve daha verimlidir, ancak benzer boyutlardaki dişlisiz motorlardan üç ila beş kat daha ağırdır. Sabit plaka, nikel soğuk haddelenmiş çelik bir levha üzerine yapıştırılmış çok kutuplu, alternatif polariteli kalıcı mıknatıslardan oluşur. Hareketli kuvvetlendirici üzerindeki çelik laminasyonlar ise sabit plakadaki mıknatıslarla reaksiyona girerek "çekici" bir kuvvet oluşturur ve motor bir mıknatıs alanından diğerine geçerken az miktarda dişli veya dalgalanma göstererek hız değişimlerine neden olur.

Bu motorlar büyük miktarda tepe kuvveti üretir, daha büyük bir termal kütleye ve uzun termal zaman sabitine sahiptir; bu nedenle transfer hatları ve takım tezgahları gibi çok ağır yükleri hareket ettiren yüksek kuvvetli, aralıklı görev döngüsü uygulamaları için uygundurlar; sınırsız hareket için tasarlanmışlardır ve örtüşen yörüngelere sahip birden fazla hareketli plaka içerebilirler.

Fırçasız dişlisiz motorlarHareketli kuvvetlendiricide çelik laminasyonlar olmadan bir bobin tertibatı bulunur. Bobin, tel, epoksi ve manyetik olmayan destek yapısından oluşur. Bu ünite çok daha hafiftir. Temel tasarım daha az kuvvet ürettiğinden, sabit ray üzerine ek mıknatıslar yerleştirilir (kuvveti artırmaya yardımcı olur) ve ray, her iki tarafında mıknatıslar bulunan U şeklindedir. Kuvvetlendirici, U'nun ortasına yerleştirilir.

Bu motorlar, tarama veya inceleme ekipmanları gibi manyetik dişli olmadan sorunsuz çalışma gerektiren uygulamalar için uygundur. Daha yüksek ivmelenmeleri, yarı iletken alma ve yerleştirme, çip ayırma ve lehim ve yapıştırıcı dağıtımında faydalıdır. Bu motorlar, sınırsız hareket kabiliyeti için tasarlanmıştır.

Doğrusal adımlayıcılarUzun süredir mevcuttur; hareket ettirici kuvvet, dişlerle hassas bir şekilde yuvalanmış lamine çelik çekirdeklerden, tek bir kalıcı mıknatıstan ve lamine çekirdeğe yerleştirilmiş bobinlerden oluşur. (İki bobinin iki fazlı bir adımlayıcı ile sonuçlandığını unutmayın.) Bu düzenek, bir alüminyum gövde içinde kapsüllenmiştir.

Sabit baskı plakası, taşlanmış ve nikel kaplı bir çelik çubuk üzerinde fotokimyasal olarak aşındırılmış dişlerden oluşur. Sınırsız uzunluk için uçtan uca istiflenebilir. Motor, kuvvetlendirici, yataklar ve baskı plakasıyla birlikte gelir. Mıknatısın çekim kuvveti, yataklar için ön yük olarak kullanılır; ayrıca ünitenin çeşitli uygulamalar için ters konumda çalıştırılmasını sağlar.

AC endüksiyon motorlarıÇelik laminasyonlardan ve faz sargılarından oluşan bir bobin tertibatı olan bir güçlendiriciden oluşur. Sargılar tek veya üç fazlı olabilir. Bu, doğrudan çevrimiçi kontrol veya bir invertör ya da vektör sürücüsü aracılığıyla kontrol sağlar. Sabit plaka (reaksiyon plakası olarak adlandırılır), genellikle soğuk haddelenmiş çeliğe yapıştırılmış ince bir alüminyum veya bakır tabakasından oluşur.

Güç bobini enerjilendiğinde, reaksiyon plakasıyla etkileşime girer ve hareket eder. Daha yüksek hızlar ve sınırsız hareket uzunlukları, bu tasarımın güçlü yönleridir; malzeme taşıma, insan taşıma, konveyör ve sürgülü kapılarda kullanılırlar.

Yeni tasarım konseptleri

En son tasarım iyileştirmelerinden bazıları yeniden mühendislik yoluyla hayata geçirildi. Örneğin, başlangıçta tek düzlemde hareket sağlamak üzere tasarlanmış bazı doğrusal adım motorları, artık XY hareketi için iki düzlemde hareket sağlayacak şekilde yeniden tasarlanıyor. Burada, hareketli kuvvetlendirici, biri X ekseninde, diğeri Y ekseninde hareket sağlayacak şekilde 90° açıyla ortogonal olarak monte edilmiş iki doğrusal adım motorundan oluşuyor. Çakışan yörüngelere sahip birden fazla kuvvetlendirici de kullanılabilir.

Bu iki düzlemli motorlarda, sabit platform (veya plaka), mukavemet için yeni kompozit yapıdan yararlanır. Sertlik de artırıldığından, sapma önceki üretim modellerine kıyasla %60 ila %80 oranında azaltılmıştır. Plaka düzlüğü, hassas hareket için 300 mm'de 14 mikronu aşar. Son olarak: Adım motorları doğal bir çekim kuvvetine sahip olduğundan, bu konsept plakanın yüzü yukarı bakacak şekilde veya ters çevrilerek monte edilmesine olanak tanıyarak uygulamalar için çok yönlülük ve esneklik sağlar.

Bir diğer mühendislik yeniliği olan su soğutma, doğrusal AC endüksiyon motorlarının kuvvet kapasitesini %25 oranında artırır. Bu kapasite artışı ve sınırsız hareket mesafesi avantajıyla, AC endüksiyon motorları birçok uygulama için en yüksek performansı sağlar: eğlence araçları, bagaj taşıma ve yolcu taşıma. Hız, şu anda endüstride bulunan ayarlanabilir hız sürücüleri aracılığıyla değişkendir (6 ila 2.000 inç/sn).

Bir diğer motor ise hareket sağlamak için doğrusal hareketli bir parçaya sahip sabit silindirik bir gövde içerir. Hareketli parça, bakır kaplı çelikten yapılmış bir çubuk, hareketli bir bobin veya silindir içindeki bir piston gibi hareketli bir mıknatıs olabilir.

Bu tasarımlar, doğrusal motorun avantajlarını sunmanın yanı sıra doğrusal bir aktüatöre benzer performans da sunar. Uygulama alanları arasında biyomedikal kolonoskopiler, uzun deklanşörlü aktüatörlere sahip kameralar, titreşim sönümlemesi gerektiren teleskoplar, litografi odaklama motorları, jeneratörleri devreye sokmak için devre kesicileri devreye sokan jeneratör şalt düzenekleri ve tortillaları preslerken olduğu gibi gıda presleme işlemleri yer alır.

Komple lineer motor paketleri veya platformlar, yüklerin konumlandırılması için uygundur. Bunlar motor, geri besleme kodlayıcı, limit anahtarları ve kablo taşıyıcısından oluşur. Çok eksenli hareket için platformların üst üste yerleştirilmesi mümkündür.

Lineer aşamaların bir avantajı, geleneksel konumlayıcılara kıyasla daha küçük alanlara sığmalarını sağlayan daha alçak profilleridir. Daha az bileşen, güvenilirliği artırır. Burada motor, normal sürücülere bağlıdır. Kapalı devre çalışmada, konum döngüsü bir hareket kontrol cihazı ile kapatılır.

Stok ürünlerin yanı sıra, özel ve özel tasarımlar da bol miktarda mevcuttur. Sonuç olarak, uygulama ihtiyaçlarına en uygun doğrusal ürünü belirlemek için ekipman ihtiyaçlarını bir uygulama mühendisiyle birlikte değerlendirmek en iyisidir.