محرک های خطی: کاربردها، انواع و اصول عملکرد

محرک های خطی دستگاه های مکانیکی هستند که برای جابجایی اقلام در یک سیستم استفاده می شوند. این دستگاه از انرژی برای ایجاد نیرو و حرکت به صورت خطی استفاده می کند، برخلاف حرکت چرخشی در موتور الکتریکی. محرک های خطی مزایایی از جمله طراحی ساده با حداقل قطعات متحرک را ارائه می دهند. آن‌ها مستقل هستند و می‌توانند به سرعت‌های بالا دست یابند و محرک رفتاری یکسان در امتداد و جمع شدن دارد. عیب استفاده از محرک خطی این است که فقط می تواند به نیروی محرک کم دست یابد.

انواع آن چیست؟

محرک های خطی را می توان به سه نوع پیچی، تسمه ای و میله ای تقسیم کرد.

نوع پیچی

محرک های خطی نوع پیچی حرکت را از طریق پیچ گردان ایجاد می کنند. انواع پیچ ها عبارتند از بال اسکرو موتوردار یا سرب اسکرو. بار به انتهای پیچ وصل شده و بدون تکیه گاه است.

محرک های پیچ سربی دارای یک مهره رزوه ای هستند که نسبت به پیچ حرکت می کند. این باعث ایجاد حرکت در هر عنصری می شود که ثابت نباشد. این فناوری ساده، مقرون به صرفه و پرکاربرد است. تمام پیچ ها در محرک های نوع پیچ از سرب ساخته شده اند، اما معمولاً برای این طرح از اصطلاح "محرک پیچ سرب" استفاده می شود. از معایب این طرح می توان به میزان سایش بین سطوح مهره و رزوه های پیچ اشاره کرد که باعث کاهش طول عمر، کارایی، سرعت و عملکرد می شود. محرک های پیچ سربی زمانی بهترین استفاده را دارند که تناسب عملکرد قابل قبول باشد و زمانی که کاربرد به بار و چرخه کار سبک تری نیاز دارد.

بال اسکروها ترکیبی از سرب اسکرو و مهره ساچمه ای هستند که به گلوله های موجود در مهره اجازه می دهند زمانی که محرک در حال حرکت است به گردش درآیند. حرکت مهره در اطراف پیچ توسط بلبرینگ کمک می کند. این امر اصطکاک را کاهش می دهد، بار را توزیع می کند و قابلیت پیش بینی طول عمر را در طراحی پیچ سربی افزایش می دهد. از مزایای بال اسکروها می توان به توانایی تحمل بارهای سنگین، ارائه موقعیت دقیق و راندمان و قابلیت های تراست بالاتر نسبت به محرک سربی اشاره کرد. معایب مربوط به بال‌اسکروها این است که گران‌تر هستند، صدای بیشتری تولید می‌کنند و یاتاقان‌ها ممکن است آلوده شوند و عملکرد را کاهش دهند یا باعث خرابی شوند.

 پیچ غلتکی سیاره ای از آرایش سیاره ای غلتک های رزوه ای که شفت رزوه ای اصلی را احاطه کرده اند استفاده می کند. این باعث افزایش سطحی می شود که بار را تحمل می کند و بالاترین نیروی رانش و طول عمر محرک های نوع پیچ را ارائه می دهد. پیچ‌های غلتکی سیاره‌ای گران‌ترین نوع محرک پیچ هستند، اما بهترین عملکرد را برای کاربردهای سختی که نیاز به نیروی رانش بالایی دارند، دارند.

نوع تسمه ای

محرک های خطی الکتریکی با درایوهای تسمه، درایوهای چرخ دنده و درایوهای مستقیم نیز در دسترس هستند.

درایوهای تسمه موتور را با تسمه به محرک متصل می کنند. این نوع محرک زمانی بهترین استفاده را دارد که کاربرد افقی باشد و به سرعت و نیرو نیاز داشته باشد. آنها معمولاً در کاربردهای عمودی استفاده نمی شوند زیرا شکستن تسمه می تواند بار را در معرض سقوط آزاد قرار دهد. عیب استفاده از تسمه درایو این است که تکرارپذیری کمتری نسبت به جایگزین ها دارد و تسمه به کشش منظم نیاز دارد. درایوهای تسمه نویز و پیچیدگی کمی دارند.

درایوهای چرخ دنده موتور را با مجموعه ای از چرخ دنده ها به محرک متصل می کنند. چرخ دنده های مورد استفاده در موتورها از نوع چرخ دنده های خارجی مانند طرح های خار، مارپیچ و شاه ماهی هستند.

درایوهای مستقیم موتور را مستقیماً به محرک خطی الکتریکی متصل می کنند. این روش نیرویی را که از یک موتور می‌آید بدون هیچ کاهشی می‌گیرد. درایوهای مستقیم افزایش کارایی، طول عمر بیشتر و نویز کمتر را ارائه می دهند. با این حال، درایوهای مستقیم نیاز به یک موتور ویژه دارند که بهترین استفاده را برای استفاده با گشتاور نسبتاً بالا در سرعت های بسیار پایین دارد و به مکانیزم کنترل دقیق تری نیاز دارد.

نوع میله ای

محرک های سبک میله ای با حرکت عنصر رانش (میله) از انتهای محرک در حین انجام حرکت متمایز می شوند. این نوع محرک نیروی بیشتری تولید می‌کند و در کاربردهایی که نیاز به رانش دارند برتری می‌یابد، زیرا در داخل محفظه فضایی برای مکانیزم یاتاقان بزرگ‌تر وجود دارد. محفظه همچنین از گرد و غبار و زباله هایی که می تواند باعث فرسودگی یا از کار افتادن محرک شود، درزبندی شده است. محرک های سبک میله ای پشتیبانی مورد نیاز برخی از بارها را فراهم نمی کنند زیرا آنها فقط توسط یک مهره در یک انتها پشتیبانی می شوند. در این طراحی جرم حاصل از میله می تواند باعث افتادگی، به خطر افتادن استحکام و افزایش سایش در برابر عناصر یاتاقان شود. سبک میله ای بهتر است زمانی استفاده شود که نیازی به قرار دادن یا نگه داشتن بار در یک مکان دقیق نباشد.

محرک های سبک بدون میله دارای پیچ هستند که کاملاً توسط محفظه محصور شده است و این باعث حرکت بار روی سکویی می شود که در امتداد بالای محرک حرکت می کند. این سبک بار را پشتیبانی می کند و یک ساختار راهنما را فراهم می کند زیرا دستگاه توسط یک مهره در دو انتها پشتیبانی می شود. این ردپای کوچکتر نیز کمتر در معرض شلاق پیچ است که به عنوان سرعت بحرانی نیز شناخته می شود. به دلیل شکاف های باریکی که در طول محرک اجرا می شود، محرک های بدون میله را نمی توان برای محیط های مرطوب آب بندی کرد. شکاف های باریک به سکوی باربر اجازه می دهد تا به مهره متصل شود و با آن حرکت کند.

 هنگام انتخاب به چه مشخصات فنی مهمی از آن ها دقت کنیم؟ 

کاربردهای محرک های خطی بسیار گسترده است. آنها را می توان در ماشین آلات کشاورزی، دنده های سوئیچ فشار قوی، درهای قطار و اتوبوس و ماشین های پزشکی یافت. هنگام انتخاب یک محرک خطی باید مشخصات زیادی را در نظر گرفت. شناسایی الزامات از برنامه اولین قدم است. این شامل تعیین مقدار نیرویی است که محرک به نیوتن یا پوند نیرو نیاز دارد. همچنین مهم این است که محرک چقدر و در چه جهتی حرکت کند. جهت ها می تواند شامل هل دادن، کشیدن، عمودی یا افقی باشد، در حالی که فاکتورهای فاصله هم در طول حرکت و هم در طول جمع شده است.

ضربه حداکثر فاصله ای است که شفت از یک موقعیت کاملاً کشیده تا یک موقعیت کاملاً جمع شده طی می کند. گزینه های استاندارد کاتالوگ نشان دهنده افزایش دو اینچی است. هرچه سکته مغزی طولانی‌تر باشد، در صورت جمع شدن کامل، محرک طولانی‌تر خواهد بود.

نیروی نامی یا بار ، نیروی مورد نیاز برای حرکت جسم است. محرک باید نیروی کافی برای غلبه بر اصطکاک قبل از حرکت تولید کند.

 برگشت سیستم ، همچنین به عنوان عکس برگشتی شناخته می شود، خطای موقعیت ناشی از تغییر جهت است.

 سرعت نامی حداکثر سرعت محرک است. این معمولاً مقدار بار کم یا بدون بار است. محرک باید به اندازه کافی سریع برای برنامه حرکت کند. ترکیب سرعت و نیروی نامی مورد نیاز به تعیین توان مکانیکی مورد نیاز موتور کمک می کند.

 چرخه کاری - یک مشخصات حیاتی، چرخه کاری یا طول عمر محرک است. این نشان می دهد که یک محرک چند بار کار می کند و چقدر زمان بین عملیات وجود دارد. رابطه بار آیات عمر باید بر اساس نتیجه مطلوب درخواست های کاربردی ارزیابی شود. انتظار می رود کاربردهایی که بار بیشتری دارند عمر سیستم بلبرینگ را کاهش دهند و بالعکس. به جز واحدهای سروو رده بالا، اکثر محرک‌ها نمی‌توانند به طور مداوم بدون گرم شدن بیش از حد کار کنند. برای محاسبه چرخه وظیفه، فرض کنید یک محرک به مدت 10 ثانیه به صورت تجمعی، بالا و پایین کار می کند، و سپس 40 ثانیه دیگر کار نمی کند. چرخه وظیفه 10 / (40 + 10) یا 20٪ خواهد بود. اگر چرخه کار افزایش یابد، بار یا سرعت باید کاهش یابد.

مشخصات محرک خطی

محرک های خطی از نظر نوع موتور، قدرت و ویژگی ها متفاوت هستند. موتور خطی بسیار شبیه به موتور الکتریکی دوار است. در موتور خطی اجزای روتور و استاتور (حلقه فلزی سیم عایق) در یک خط مستقیم قرار می گیرند. ساختارهای میدان مغناطیسی موتورهای خطی به طور فیزیکی در طول محرک تکرار می شوند.

• انواع موتورهای DC با جریان مستقیم مانند باتری یا منبع تغذیه DC تغذیه می شوند. وقتی قطبیت جریان ورودی تغییر می کند، می توانند جهت چرخش را تغییر دهند.

• موتورهای برس DC دارای کموتاسیون داخلی هستند به طوری که با چرخش موتور، برس های مکانیکی به طور خودکار سیم پیچ ها را روی روتور فعال می کنند.

• موتورهای DC بدون جاروبک از یک درایو قدرت خارجی استفاده می کنند که امکان جابجایی سیم پیچ ها در استاتور را فراهم می کند.

• سروموتورهای DC دارای یک شفت خروجی هستند که زمانی که سیگنال کدگذاری شده به موتور ارسال می شود در موقعیت قرار می گیرد.

انواع موتورهای AC موتورهای الکتریکی هستند که با جریان متناوب کار می کنند. آنها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند تا در یک سیستم کار کنند.

• موتورهای AC شامل دسته وسیعی از موتورها از جمله موتورهای تک فاز، چند فاز، یونیورسال، القایی، سنکرون و چرخ دنده هستند.

• سروموتورهای AC موتورهای سنکرون آهنربای دائمی هستند که نسبت گشتاور به اینرسی پایینی برای شتاب بالا دارند.

• موتورهای پله ای AC از میدان مغناطیسی برای حرکت روتور در مراحل کوچک زاویه ای یا کسری از مراحل استفاده می کنند.

 موتورهای خطی تنها در جهت حرکت نیرو تولید می کنند و از مکانیزم چرخشی برای انتقال نیرو استفاده نمی کنند.

مشخصات موتور

• ولتاژ موتور نشان دهنده ولتاژ اعمال شده به موتور است و شامل موتورهای AC، DC  و پله ای است.

• برق پیوسته، همچنین به عنوان قدرت پایدار شناخته می شود، شامل رتبه بندی های کوتاه مدت اوج قدرت نمی شود.

ویژگی های موتور

• بازخورد رمزگذار موتور موقعیت خروجی پیوسته را در سیگنال آنالوگ یا دیجیتال فراهم می کند.

• بازخورد موقعیت خطی خروجی مداوم موقعیت را در یک سیگنال آنالوگ یا دیجیتال فراهم می کند.

• سوئیچ های موقعیت دارای یک سوئیچ هستند که حد مجاز را خروجی می دهد.

• ترمزهای یکپارچه موقعیت فعلی موتور را حفظ می کنند.

روش های مختلف برای نصب محرک خطی

• Clevis یا اتصال چشمی، سیلندر را از طریق رزوه هایی به انتهای کشیده پیستون متصل می کند.

• پایه‌های دو طرفه دارای یک دماغه و پشت هستند که دارای رزوه‌های رزوه‌ای برای اتصال مهره هستند.

• پایه های فلنج براکت هایی هستند که روی سیلندر قرار می گیرند

• پایه های شناور برای نصب راحت تر سیلندر هستند.

• براکت های پا فلنج هایی هستند که در زیر سیلندر قرار می گیرند.

• لوگ ها بلوک های کوتاه با سوراخ هایی هستند که به کناره سیلندر متصل می شوند و امکان نصب روی سطح دیگری را می دهند.

• فیس مانت دارای سوراخ های رزوه ای در قسمت جلویی برای اتصال است.

• پایه های دماغه برای نصب از طریق سوراخ با مهره در طرف دیگر رزوه می شوند.

• پایه عقب دارای سوراخ های ضربه خورده یا فلنج نصب در عقب است.

• پایه‌های رزوه‌دار برای اتصال به پیچ‌ها از طریق سوراخ‌های رزوه‌دار در سر سیلندر یا درپوش طراحی شده‌اند.

• پایه‌های Trunnion بلوک‌های نصب مخصوصی هستند که می‌توانند در درپوش، انتهای یا یک مکان میانی در امتداد سیلندر قرار گیرند.

ویژگی های محرک

محرک های خطی بسیاری از ویژگی های اختیاری را ارائه می دهند.

• ضربه قابل تنظیم - حرکت قابل تنظیم اجازه می دهد تا نقاط انتهایی یا طول کل ضربه تنظیم شود.

• ضربه گیر و بالشتک- ضربه گیرها و بالشتک ها برای نرم کردن ضربه در انتهای ضربه استفاده می شوند.

• کنترل حلقه بسته- که به عنوان کنترل سروو نیز شناخته می‌شود، سیلندرها دارای دستگاه‌های خارجی هستند که سیگنالی را به کنترل پمپ ارسال می‌کنند و اطلاعات موقعیت را به آن می‌دهند.

• ترمزهای نگهدارنده: ترمزهای نگهدارنده همراه با ویژگی خود قفل شدن برای افزایش نیروی نگهدارنده کار می کنند.

• کمک فنرها - کمک فنرها در پنوماتیک جذب سیال هیدرولیک ضربه استفاده می شوند.

• میله های دو سر - میله های دو طرفه از هر دو انتهای سیلندر با ویژگی های اتصال مانند رزوه ها در هر دو سر گسترش می یابد.

• صفحه انتهایی چند موقعیتی- یک صفحه انتهایی چند موقعیتی را می توان در موقعیت های مختلف در امتداد ضربه خود به کار انداخت، نه فقط در نقطه پایانی.

• کلاچ لغزش اضافه بار یکپارچه یا محدود کننده گشتاور - یک کنترل جریان یکپارچه دارای یک شیر کنترل جریان است که مقدار هوا یا سیالی را که وارد سیلندر می شود محدود می کند.

• چکمه محافظ: چکمه های محافظ پوششی هستند که از قطعات متحرک در برابر آسیب های محیطی محافظت می کنند.

• خود قفل شدن - محرک های خود قفل در موقعیت فعلی زمانی که سیگنال از دست می رود قفل می شوند.

• حسگرهای انتگرال - حسگرهای انتگرال در داخل سیلندر برای نظارت بر موقعیت و مجاورت مجهز شده اند.

• جریان یکپارچه- کنترل جریان یکپارچه شامل یک شیر کنترل جریان یا وسیله ای است که مقدار هوای سیال وارد شده به سیلندر را محدود می کند.

• غیر چرخشی- غیر چرخشی نشان دهنده چندین میله برای جلوگیری از چرخش پیستون است.

• سوئیچ های مغناطیسی - سوئیچ های مغناطیسی مانند سنسورهای جلوه هال نشان می دهند که رانش در موقعیت جمع شده یا کشیده است.

• حفاظت اضافه بار حرارتی- حفاظت اضافه بار حرارتی برای خاموش کردن سوئیچ زمانی که دمای از پیش تعیین شده فراتر رود استفاده می شود.

• ذاتاً ایمن- محرک های خطی الکتریکی ذاتاً ایمن را می توان در محیط های خطرناک مانند تأسیسات پردازش شیمیایی استفاده کرد.

• مقاوم در برابر آب- دستگاه ها برای جلوگیری از خوردگی ناشی از ورود آب یا مایع به داخل محفظه آب بندی می شوند.

به طور معمول، مواد بدنه از آلومینیوم، فولاد، پلاستیک یا فولاد ضد زنگ تشکیل شده است.

منبع: globalspec.com