عربي
يعد اختيار المحرك الصحيح أمرًا ضروريًا لتحقيق السرعة المطلوبة والتسارع وأداء تحديد المواقع وعمر الخدمة لحزام التوقيتالوحدة الخطية. قد يتسبب المحرك الصغير الحجم في حدوث تسارع بطيء أو أخطاء في تحديد الموقع أو إنذارات المحرك أو التشغيل غير المستقر. قد يؤدي المحرك الكبير الحجم إلى زيادة التكلفة والقصور الذاتي ومساحة التثبيت دون تحسين الأداء الفعلي للنظام.
لذلك يجب أن يعتمد اختيار المحرك على متطلبات الحركة الكاملة بدلاً من قوة المحرك وحدها. وتشمل العوامل الرئيسية الكتلة المتحركة، وسرعة السفر، والتسارع، وقطر البكرة، وكفاءة النقل، والقصور الذاتي للحمل، ودورة العمل، واتجاه التثبيت ودقة التحكم.
1. المعلمات الرئيسية لاختيار محرك وحدة حزام التوقيت
قبل اختيار محرك سيرفو أو محرك متدرج، يجب التأكد من معلمات التطبيق التالية:
- الحمولة والكتلة المتحركة الكلية
- التثبيت الأفقي أو الرأسي
- السرعة القصوى المطلوبة
- زمن التسارع والتباطؤ
- مسافة السفر الفعالة
- متطلبات تحديد المواقع والتكرار
- توقيت قطر الملعب بكرة
- نسبة ناقل الحركة في حالة استخدام علبة التروس
- دورة التشغيل ونسبة العمل
- المقاومة الخارجية والاحتكاك
- مساحة تركيب المحرك المتاحة
- ما إذا كانت الفرامل القابضة مطلوبة
يجب أن يوفر المحرك سرعة وعزم دوران كافيين طوال دورة الحركة الكاملة. إن التحقق من قوة المحرك المقدرة فقط لا يكفي لأن محركين لهما نفس القوة قد يكون لهما عزم دوران مقدر مختلف تمامًا، وعزم دوران الذروة، والسرعة المقدرة، والقصور الذاتي للدوار.
2. محرك سيرفو أم محرك متدرج؟
يمكن استخدام المحركات المؤازرة والمحركات السائر مع التوقيتوحدات خطية الحزامولكنها مناسبة لظروف التشغيل المختلفة.
| عامل الاختيار | محرك سيرفو | محرك متدرج |
|---|---|---|
| طريقة التحكم | التحكم في حلقة مغلقة مع ردود فعل التشفير | عادةً ما يكون التحكم في خطوة الحلقة المفتوحة أو الحلقة المغلقة |
| أداء عالي السرعة | أداء جيد لعزم الدوران عند السرعات المتوسطة والعالية | ينخفض عزم الدوران بشكل ملحوظ مع زيادة السرعة |
| تسريع | مناسبة للتسارع العالي وأوقات الدورة القصيرة | أفضل للتسارع المعتدل |
| موثوقية تحديد المواقع | تكتشف ردود فعل التشفير انحراف الموضع | قد تفقد أنظمة الحلقة المفتوحة الخطوات عند التحميل الزائد |
| سلاسة التشغيل | التشغيل السلس عبر نطاق سرعة واسع | قد تواجه الرنين بسرعات معينة |
| يكلف | ارتفاع تكلفة المحرك والسائق والتكليف | انخفاض تكلفة النظام |
| التطبيقات النموذجية | أتمتة عالية السرعة، عمليات تشغيل وتوقف متكررة، تحديد المواقع بدقة | تطبيقات خفيفة التحميل ومنخفضة السرعة وحساسة للتكلفة |
متى تختار محرك سيرفو؟
يوصى عادةً باستخدام محرك سيرفو عندما تتطلب وحدة حزام التوقيت ما يلي:
- رحلات عالية
- التسارع والتباطؤ السريع
- الحركة الترددية المتكررة
- أوقات دورة قصيرة
- موثوقية عالية لتحديد المواقع
- الحمولات الثقيلة أو المتغيرة
- مراقبة موقف الحلقة المغلقة
- تزامن متعدد المحاور
متى تختار محرك السائر؟
قد يكون المحرك السائر مناسبًا عندما يكون التطبيق:
- سرعة منخفضة نسبيا
- تسارع معتدل
- أحمال خفيفة ومستقرة
- تحديد المواقع بسيطة من نقطة إلى نقطة
- تردد التشغيل المنخفض
- قيود صارمة على التكلفة
بالنسبة للتطبيقات التي لا يمكن قبول الخطوات المفقودة فيها، يجب النظر في محرك متدرج مغلق الحلقة بدلاً من نظام متدرج تقليدي مفتوح الحلقة.
3. تحديد الكتلة المتحركة الإجمالية
لا تقتصر الكتلة المتحركة على قطعة العمل. ويجب أن يشمل جميع المكونات التي تتحرك مع حامل حزام التوقيت:
م = محمولة+ مالنقل+ متركيبات+ مكابل+ مآخر
أين:
مهي الكتلة المتحركة الكلية بالكيلو جراممحمولةهي قطعة العمل أو كتلة المنتجمتركيباتيتضمن القابضون والأدوات ولوحات التثبيتمكابليشمل الكابلات المتحركة والخراطيم وحاملات الكابلات
يمكن أن يؤدي تجاهل التركيبات أو الكابلات أو الأدوات إلى عدم كفاية عزم دوران المحرك، خاصة أثناء التسارع السريع.
4. احسب القوة الخطية المطلوبة
التثبيت الأفقي
بالنسبة لوحدة حزام التوقيت الأفقي، يمكن تقدير القوة الخطية المطلوبة باستخدام:
F = أماه + Fو+ فه
أين:
فهي القوة الخطية المطلوبة بالنيوتنمهي الكتلة المتحركة الكلية بالكيلو جرامأهي التسارع المطلوب بالمتر في الثانية المربعةفوهي مقاومة الاحتكاك وانتقال الحركةفههي أي قوة خارجية إضافية
عند السرعة الثابتة يكون التسارع صفرًا. يحتاج المحرك فقط للتغلب على الاحتكاك والمقاومة الخارجية. ومع ذلك، أثناء التسارع، قد تصبح قوة القصور الذاتي الجزء الأكبر من الحمل الإجمالي.
التثبيت العمودي
بالنسبة للحركة الرأسية الصاعدة، يجب تضمين الجاذبية:
و = م(ز + أ) + وو+ فه
أينزهو تسارع الجاذبية، تقريبًا9.81 م/ث².
بالنسبة للحركة الهبوطية، يجب أن يتحكم المحرك في حمل الجاذبية ويبطئ الكتلة المتحركة بأمان. قد تنتج التطبيقات الرأسية أيضًا طاقة متجددة، لذا يجب فحص محرك المؤازرة ومقاوم الكبح.
5. احسب عزم الدوران المطلوب للبكرة
بعد حساب القوة الخطية، قم بتحويلها إلى عزم دوران البكرة:
تبكرة= و × ص / ح
أين:
تبكرةهو عزم الدوران المطلوب للبكرة بالنيوتن مترفهي القوة الخطية المطلوبةصهو نصف قطر خطوة البكرة بالأمتارأوهي إجمالي كفاءة النقل الميكانيكي
وينبغي استخدام نصف قطر الملعب، بدلاً من نصف قطر البكرة الخارجي، في الحساب. عادةً ما توفر الشركة المصنعة لحزام التوقيت أو رسم البكرة قطر الملعب.
إذا تم تركيب علبة التروس، فإن عزم الدوران التقريبي للمحرك هو:
تمحرك= تبكرة/ (ط × نز)
أين:
أناهي نسبة تخفيض السرعة، والتي يتم تعريفها على أنها سرعة المحرك مقسومة على سرعة الخرجأوزهي كفاءة علبة التروس
يقلل صندوق التروس من متطلبات عزم دوران المحرك ويزيد من سعة الحمولة المنعكسة، ولكنه يقلل أيضًا من سرعة الخرج وقد يؤدي إلى رد فعل عكسي.
6. احسب سرعة المحرك المطلوبة
يتم تحديد سرعة دوران البكرة من خلال السرعة الخطية المطلوبة وقطر خطوة البكرة:
نبكرة= 60 فولت / (ط د)
أين:
نبكرةهي سرعة البكرة بالدورات في الدقيقةضدهي السرعة الخطية المطلوبة بالأمتار في الثانيةدهو قطر خطوة البكرة بالأمتار
عند استخدام علبة التروس:
نمحرك= نبكرة× ط
يجب أن تظل سرعة المحرك المحسوبة ضمن نطاق سرعة التشغيل المستمر للمحرك المحدد. لا ينبغي اختيار المحرك فقط لأن سرعته القصوى أعلى من القيمة المحسوبة. يجب أيضًا التحقق من عزم الدوران المتوفر بهذه السرعة من منحنى سرعة عزم دوران المحرك.
7. تحقق من تحميل الجمود
يؤثر القصور الذاتي للحمل على استجابة التسارع واستقرار تحديد المواقع وضبط المؤازرة. بالنسبة لبكرة توقيت الدفع المباشر، يمكن تقريب القصور الذاتي المكافئ للكتلة المتحركة من خلال:
جخطي= السيد²
يجب أن يشمل القصور الذاتي للحمل الكامل أيضًا ما يلي:
- محرك القصور الذاتي بكرة
- مدفوعة الجمود بكرة
- توقيت الحزام الجمود
- اقتران الجمود
- علبة التروس الناتج الجمود
- مكونات دوارة أخرى
إذا تم استخدام علبة التروس، فإن القصور الذاتي للحمل المنعكس على عمود المحرك هو:
جينعكس= جحمولة/ ط²
ويمكن بعد ذلك حساب نسبة القصور الذاتي على النحو التالي:
نسبة القصور الذاتي = Jينعكس/ جمحرك
توفر نسبة القصور الذاتي المنخفضة عمومًا ضبطًا أسهل للأجهزة واستجابة أسرع. تعتمد النسبة المقبولة على نظام المؤازرة وصلابة الماكينة وملف الحركة ومتطلبات التحكم. يجب دائمًا التحقق من نسبة القصور الذاتي الموصى بها من قبل الشركة المصنعة للمحرك.
8. تحقق من عزم الدوران التسارع
يجب أن يقوم المحرك بتسريع كل من الحمل الخطي والمكونات الدوارة. عزم دوران التسارع هو:
تلجنة التنسيق الإدارية= جالمجموع× أ
أين:
جالمجموعهو القصور الذاتي الكلي المنعكس على عمود المحركأهو التسارع الزاوي بالراديان في الثانية المربعة
يجب أن يكون عزم دوران المحرك الأقصى أكبر من إجمالي عزم الدوران المطلوب أثناء التسارع:
تالذروة المطلوبة= تحمولة+ تلجنة التنسيق الإدارية
بالنسبة لملفات الحركة العدوانية، قد يكون عزم التسارع أعلى بكثير من عزم الدوران المطلوب أثناء السفر بسرعة ثابتة.
9. تحقق من عزم الدوران المستمر وعزم الدوران الأقصى وقوة المحرك
يجب التحقق من ثلاث قدرات حركية مختلفة:
عزم الدوران المستمر
يحدد عزم الدوران المستمر ما إذا كان المحرك يمكنه العمل دون ارتفاع درجة الحرارة أثناء الدورات المتكررة. يجب التحقق منه باستخدام جذر متوسط مربع عزم الدوران للدورة الكاملة:
تRMS= √[(T₁²t₁ + T₂²t₂ + ... + Tₙ²tₙ) / (t₁ + t₂ + ... + tₙ)]
يجب أن يظل عزم دوران RMS المحسوب أقل من عزم الدوران المستمر المقدر للمحرك.
ذروة عزم الدوران
مطلوب عزم الدوران الأقصى أثناء التسارع أو التباطؤ أو التوقف في حالات الطوارئ أو التحميل الخارجي المؤقت. يجب أن يظل عزم الدوران الأقصى المطلوب أقل من عزم الدوران اللحظي المسموح به للمحرك.
قوة المحرك
يمكن تقدير القدرة الميكانيكية باستخدام القوة الخطية أو عزم الدوران:
ف = Fv / η
أو:
ف = ل
تعد قوة المحرك مفيدة للاختيار الأولي، لكن الحجم النهائي يجب أن يعتمد على عزم الدوران والسرعة والقصور الذاتي ودورة العمل. قد لا يوفر محركان لهما نفس القدرة المقدرة نفس عزم الدوران الأقصى أو الاستجابة الديناميكية.
10. حدد عامل الأمان المناسب
يتم عادةً تطبيق عامل الأمان للتعويض عن عدم اليقين الحسابي، وتغير الحمل، وتغيرات الاحتكاك، والتآكل طويل المدى.
بالنسبة للتطبيقات الأفقية المستقرة، يبلغ عامل أمان عزم الدوران تقريبًا1.3 إلى 1.5يمكن استخدامها كمرجع أولي. قد تكون هناك حاجة إلى هوامش أعلى من أجل:
- محاور عمودية
- تسارع عالي
- يبدأ ويتوقف بشكل متكرر
- تأثير أو الأحمال المتغيرة
- احتكاك غير مؤكد
- التشغيل المستمر على المدى الطويل
- بيئات التشغيل القاسية
وينبغي أيضًا تجنب عامل الأمان الكبير جدًا لأن المحرك الكبير الحجم قد يزيد من القصور الذاتي للدوار ويقلل الأداء الديناميكي.
11. اختيار محرك الفرامل للمحاور الرأسية
يوصى بشدة باستخدام محرك مزود بفرامل كهرومغناطيسية عند تثبيت الوحدة الخطية لحزام التوقيت عموديًا أو على منحدر حيث يمكن أن يسقط الحمل بعد إزالة الطاقة.
يتم استخدام الفرامل بشكل أساسي لتثبيت المحور عند توقف الماكينة أو فقدان الطاقة. لا ينبغي استخدامه عادةً كفرامل توقف ديناميكية أثناء كل دورة حركة.
بالنسبة للمحور العمودي، تحقق مما يلي:
- عزم دوران الفرامل أعلى من عزم الجاذبية الساكنة
- تشتمل الفرامل على هامش أمان مناسب
- يقوم تسلسل التحكم بتشغيل الفرامل فقط بعد توقف المحرك
- ينتج المحرك عزم الدوران قبل تحرير الفرامل
- يمكن لمحرك المؤازرة إدارة الطاقة المتجددة أثناء الحركة الهبوطية
- يعتبر الموازنة أو زنبرك الغاز للأحمال الثقيلة
بالنسبة للأنظمة الرأسية ذات الأهمية الحيوية للسلامة، قد تكون هناك حاجة أيضًا إلى أجهزة قفل ميكانيكية أو آليات مضادة للسقوط أو حماية زائدة عن الحاجة.
12. اتجاه تركيب المحرك
يمكن للوحدات الخطية لحزام التوقيت أن تدعم ترتيبات تركيب المحرك المختلفة اعتمادًا على مساحة الماكينة المتاحة.
| اتجاه التركيب | صفات | الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|
| التثبيت المباشر في الخط | يتم توصيل عمود المحرك مباشرة ببكرة القيادة من خلال أداة التوصيل | هيكل بسيط وكفاءة نقل عالية |
| تركيب الجانب الأيسر | يتم وضع المحرك بجانب الوحدة باستخدام الحزام أو ناقل الحركة | آلات ذات مساحة تركيب محورية محدودة |
| تركيب الجانب الأيمن | ترتيب المرآة للتركيب على الجانب الأيسر | يتم تحديده وفقًا لتوجيه الكابل وتخطيط الجهاز |
| تركيب سفلي أو مطوي | يتم تثبيت المحرك أسفل الوحدة أو بالتوازي معها | المعدات المدمجة والآلات المغلقة |
عادةً لا يغير اتجاه تركيب المحرك متطلبات القوة الخطية الأساسية، لكن البكرات أو الأحزمة أو علب التروس الإضافية تؤثر على نسبة النقل والكفاءة ورد الفعل العكسي والقصور الذاتي الدوراني. يجب تضمين هذه المكونات في حساب المحرك.
13. مثال على اختيار محرك وحدة حزام التوقيت
خذ بعين الاعتبار الوحدة الخطية لحزام التوقيت الأفقي بالشروط التالية:
- إجمالي الكتلة المتحركة:
35 كجم - السرعة القصوى المطلوبة:
1.5 م/ث - التسارع المطلوب:
4 م/ث² - الاحتكاك المقدر والمقاومة الخارجية:
25 ن - قطر الملعب البكرة:
60 ملم - كفاءة النقل:
92% - اتصال محرك الدفع المباشر
الخطوة 1: حساب القوة الخطية
F = أماه + Fو
و = 35 × 4 + 25 = 165 ن
الخطوة 2: حساب عزم الدوران للبكرة
نصف قطر خطوة البكرة هو:
ص = 0.06 / 2 = 0.03 م
T = 165 × 0.03 / 0.92 ≈ 5.38 نيوتن · م
تمثل هذه القيمة عزم الدوران التقريبي المطلوب عند البكرة أثناء التسارع قبل إضافة القصور الذاتي للمكونات الدوارة وهامش الأمان.
الخطوة 3: حساب سرعة البكرة
ن = 60 × 1.5 / (ط × 0.06)
ن ≈ 477 دورة في الدقيقة
الخطوة 4: تقدير القوة الميكانيكية
ف = Fv / η
P = 165 × 1.5 / 0.92 ≈ 269 واط
لا تحدد القوة المحسوبة التصنيف النهائي للمحرك بشكل مباشر. يجب أن يلبي المحرك المحدد أيضًا عزم الدوران الأقصى المطلوب، وعزم دوران RMS، والقصور الذاتي للدوار، ووقت الدورة، وعزم الدوران المتوفر عند حوالي477 دورة في الدقيقة.
بالنسبة لهذا التطبيق، سيكون المحرك المؤازر بشكل عام أكثر ملاءمة من المحرك السائر ذي الحلقة المفتوحة لأن المحور يتطلب تسارعًا عاليًا نسبيًا وعزم دوران موثوقًا به أثناء الحركة المتكررة. يجب تأكيد نموذج المحرك النهائي باستخدام منحنى سرعة عزم الدوران وتوصيات القصور الذاتي الخاصة بالشركة المصنعة.
14. الأخطاء الشائعة في اختيار المحرك
اختيار المحرك فقط حسب القوة المقدرة
لا تؤكد الطاقة المقدرة وحدها أن المحرك يمكنه توفير عزم دوران كافٍ أو العمل بالسرعة المطلوبة.
تجاهل كتلة النقل والتركيبات
إن استخدام كتلة الحمولة فقط يقلل من قوة التسارع الإجمالية.
تجاهل تخفيض عزم دوران المحرك السائر
قد يوفر المحرك السائر عزم دوران عاليًا عند سرعة صفر ولكن عزم دوران أقل بكثير عند سرعة التشغيل الفعلية.
استخدام الحد الأقصى لعزم دوران المحرك كعزم دوران مستمر
ذروة عزم الدوران متاحة فقط لفترة محدودة. الاستخدام المتكرر قد يسبب ارتفاع درجة الحرارة أو تشغيل أجهزة الإنذار.
تجاهل تحميل الجمود
يمكن أن يؤدي عدم تطابق القصور الذاتي المفرط إلى ضعف الاستجابة والاهتزاز والتجاوز وصعوبة ضبط المؤازرة.
تجاهل تحميل الجاذبية العمودية
تتطلب المحاور الرأسية عزمًا إضافيًا للتغلب على الجاذبية وتتطلب عادةً فرامل إمساك.
تجاهل دورة الحركة الكاملة
يؤثر كل من وقت التسارع ووقت السرعة الثابتة ووقت التباطؤ وزمن السكون وتردد الدورة على عزم دوران RMS ودرجة حرارة المحرك.
15. قائمة مراجعة اختيار المحرك
قبل التأكد من محرك الوحدة الخطية لسير التوقيت، تحقق مما يلي:
- السرعة القصوى للمحرك أعلى من سرعة التشغيل المحسوبة
- يلبي منحنى سرعة عزم دوران المحرك نقطة التشغيل المطلوبة
- عزم الدوران المقدر أعلى من عزم دوران RMS المحسوب
- ذروة عزم الدوران أعلى من عزم الدوران التسارع والتباطؤ
- نسبة القصور الذاتي للحمل ضمن النطاق الموصى به
- يدعم المحرك والسائق دورة العمل المطلوبة
- اتجاه تركيب المحرك يناسب تخطيط الماكينة
- تتوافق أداة التوصيل وعلبة التروس والبكرة مع عمود المحرك
- عزم الفرامل كافٍ للتركيب العمودي
- يمكن لمحرك المؤازرة إدارة الطاقة المتجددة
- تلبي الكابلات والموصلات ظروف الانحناء والظروف البيئية المطلوبة
- تم تضمين عامل الأمان المناسب
الأسئلة المتداولة
ما مقدار قوة المحرك التي تحتاجها الوحدة الخطية لحزام التوقيت؟
تعتمد الطاقة المطلوبة على الكتلة المتحركة والسرعة والتسارع وقطر البكرة والكفاءة ودورة العمل. يمكن تقدير الطاقة باستخدامف = Fv / η، ولكن يجب أن يتحقق الاختيار النهائي أيضًا من عزم الدوران المستمر وعزم الدوران الأقصى وسرعة المحرك وقصور الحمل.
هل المحرك المؤازر أفضل من المحرك السائر لوحدة حزام التوقيت؟
يعد المحرك المؤازر أفضل بشكل عام للسرعة العالية والتسارع السريع والدورات المتكررة والموثوقية العالية لتحديد المواقع. يمكن أن يكون محرك السائر اقتصاديًا للتطبيقات ذات السرعة المنخفضة والحمل الخفيف والأقل تطلبًا.
هل يعمل المحرك الأكبر دائمًا على تحسين الأداء؟
لا، فالمحرك الكبير الحجم يزيد من التكلفة والوزن والقصور الذاتي للدوار. يمكن أن يؤدي القصور الذاتي الحركي المفرط إلى تقليل استجابة التسارع ويجعل ضبط النظام أكثر صعوبة.
هل تتطلب وحدة حزام التوقيت الرأسي محرك فرامل؟
يوصى بشدة باستخدام فرامل الإمساك عندما تتسبب الجاذبية في سقوط الحمل بعد انقطاع الطاقة. قد تتطلب الأنظمة الحيوية للسلامة أيضًا حماية ميكانيكية ضد السقوط.
هل يمكن استخدام علبة التروس مع الوحدة الخطية لحزام التوقيت؟
نعم. يمكن لصندوق التروس زيادة عزم الدوران الناتج وتقليل القصور الذاتي للحمل المنعكس، ولكنه يغير أيضًا سرعة الخرج والكفاءة ورد الفعل العكسي والقصور الذاتي للنظام بشكل عام.
خاتمة
يجب أن يعتمد اختيار المحرك للوحدة الخطية لحزام التوقيت على المتطلبات الميكانيكية والحركية الكاملة. تتضمن عملية الاختيار حساب الكتلة المتحركة، والقوة الخطية، وعزم دوران البكرة، وسرعة المحرك، وقصور الحمل، وعزم دوران التسارع، وعزم دوران RMS، وعزم الدوران الأقصى.
تُفضل المحركات المؤازرة عادةً للتشغيل الآلي عالي السرعة والتسارع والموثوقية العالية. تظل محركات السائر مناسبة للتطبيقات الأبسط والسرعة المنخفضة والحساسة من حيث التكلفة. يجب أن تستخدم المحاور الرأسية فرامل تثبيت ذات حجم مناسب وقد تتطلب آليات إضافية مضادة للسقوط أو موازنة.
يجب دائمًا التحقق من الاختيار النهائي للمحرك مقابل منحنى سرعة عزم الدوران الخاص بالشركة المصنعة للمحرك ونسبة القصور الذاتي المسموح بها ودورة التشغيل والحدود الحرارية.
