Actuators - What is an Actuator?

أساسيات المحركات الخطية

المحرك هو آلية تحول الطاقة إلى حركة، مما يخلق قوة ميكانيكية لدفع الحركة. إنه يعمل عن طريق أخذ الطاقة المدخلة وترجمتها إلى حركة خطية أو دوارة، مما يجعله مكونًا رئيسيًا في الآلات.

تعد المحركات جزءًا أساسيًا من حياتنا، وهي جهاز يستخدم على نطاق واسع ويشق طريقه إلى كل جانب من جوانب وجودك ولا يمكن التقليل من أهميته في العالم الحديث. في الواقع، المحركات هي المفتاح لجعل كل آلة تقريبًا تتحرك بمجرد توفير مصدر للطاقة الكهربائية.

دعونا نتعرف على الأنواع الرئيسية للمحركات وتطبيقاتها المختلفة عبر الصناعات ونفهم كيفية عمل المحركات وكيفية الاتصال بها ونقل الأشياء.

ما هو المشغل

المحرك هو جزء من أي آلة يسمح لها بإنشاء الحركة. مثلما تسمح عضلات جسم الإنسان بالحركة للساقين والذراعين والأصابع والأجزاء الأخرى، فإن المحرك هو العنصر الذي يتيح الحركة في الأجهزة الميكانيكية.

يقوم بذلك عن طريق تحويل الطاقة والإشارات الواردة إلى قوة ميكانيكية. يمكن أن تكون هذه القوة الواردة كهربائية، أو هوائية (هواء)، أو هيدروليكية (ماء)، بينما يمكن أن تكون الحركة الصادرة دوارة أو خطية.

المحركات الخطية موجودة في كل شيء حولنا، بدءًا من أنظمة التحكم في الوصول على أبوابنا وحتى الروبوتات التي تقوم بالرفع الثقيل في المستودع المحلي. حتى هواتفنا المحمولة تحتوي على مشغلات لإصدار اهتزازات عندما تكون في وضع صامت.

أنواع مختلفة من المحركات

المحركات الكهربائية تعمل بمحركات وتميل إلى تشغيل وظائف الدوائر الأخرى. يتم تشغيلها باستخدام تيار كهربائي وتستخدم عادة ضمن أنظمة التحكم. تحمل هذه الأنواع من المحركات الخطية فوائد عديدة: فهي سهلة البناء أو التطبيق، وتحمل الحد الأدنى من الضوضاء، كما أنها موفرة للطاقة والتكلفة. ومن عيوبها أنها منخفضة السرعة وغير مناسبة للأحمال الثقيلة.

المحركات الهيدروليكيةومن ناحية أخرى، يمكنه تحمل عبء يزيد عن 10 كيلو نيوتن. المحرك الهيدروليكي النموذجي عبارة عن مشغل يشبه المكبس ويتكون من أسطوانة ومكبس وزنبرك. كما يتطلب أيضًا خط إمداد وإرجاع هيدروليكيًا وساقًا. يمكنهم التعامل مع التطبيقات عالية القوة ولا يحتاجون إلى أن يكونوا بالقرب من المضخات والمحركات الخاصة بهم مع الاحتفاظ بنفس الطاقة. ومع ذلك، فإن لها عيوبًا، حيث يمكنها تسريب السوائل، مما قد يكلفها الكفاءة ويسبب أضرارًا محتملة. كما أنها تحتاج إلى أجزاء مساعدة مختلفة مثل صمامات التحرير، والخراطيم، والخزانات، والمنظمات.

المحركات الهوائية يجلس في مكان ما بين الكهرباء والهيدروليكي من حيث القدرة ويمكنه التعامل مع الأحمال الصغيرة إلى الكبيرة. تستخدم المحركات الهوائية الهواء المضغوط أو الغاز لتحريك المكبس على طول أسطوانة مجوفة وبناء الضغط لتحريك الحمل. يتم الإشادة عمومًا بالمشغلات الهوائية بسبب حركتها السريعة، ولكنها مثل المحركات الهيدروليكية، تتطلب أجزاء تكميلية مثل الصمامات والأنابيب والضاغط.

اختيار المحرك

يتطلب اختيار المشغل الخطي المناسب دراسة تفصيلية لأنه لا يوجد نموذج واحد يناسب الجميع ويعتمد نوع المشغل - هوائي خطي، دوار كهربائي، هوائي دوار، إلخ - على الصناعة والتطبيق.

داخل المحرك: شرح المكونات الرئيسية

يقوم المحرك بتحويل الطاقة إلى حركة ويتحكم في تلك الحركة بشكل فعال. في حين أن هناك عوامل مختلفة تؤثر على أداء المشغل، فإن العديد من المكونات الرئيسية تكون متسقة عبر أنواع مختلفة من المشغلات.

المكونات الرئيسية:

• مصدر الطاقة: يمكن أن يكون مصدر الطاقة الذي يشغل المحرك الخطي كهربائيًا، أو هوائيًا (هواء)، أو هيدروليكيًا (ماء)، أو أنواعًا أخرى. يوفر كل مصدر مزايا فريدة اعتمادًا على التطبيق، ويؤثر اختيار مصدر الطاقة بشكل كبير على تصميم المشغل ووظيفته.
• محول الطاقة: يقوم هذا المكون بنقل الطاقة من مصدر الطاقة إلى المشغل، وضبط الطاقة لتتوافق مع معلمات الإخراج المطلوبة. على سبيل المثال، ينظم الصمام الهيدروليكي النسبي تدفق المياه لضمان الاتساق بين المدخلات ومخرجات الحركة المطلوبة، بينما تقوم العاكسات الكهربائية بتحويل التيار المباشر (DC) إلى تيار متردد (AC) للمحركات الكهربائية.
• المحرك: الجهاز الفيزيائي الميكانيكي الذي يقوم بتحويل الطاقة. يختلف التصميم بناءً على نوع المشغل ووظيفته. على سبيل المثال، قد يكون مشغل مقبض الباب عبارة عن صندوق بلاستيكي به غطاسات، بينما يتكون المحرك الهيدروليكي من مكابس معدنية. تكمن فعاليتها في مدى نجاحها في تحويل الطاقة إلى حركة ميكانيكية مصممة خصيصًا لتلبية الاحتياجات المحددة.
• الحمل الميكانيكي: الضغط الجسدي أو القوة المعاكسة التي تعمل على نظام المحرك. يتطلب هذا الحمل من المشغل إنتاج المزيد من الطاقة للتغلب عليه. التشبيه اليومي هو قيادة السيارة صعودًا، حيث يعمل المنحدر كحمل يجب على المحرك مواجهته للحفاظ على السرعة.
• المراقب المالي: الجهاز الذي يقوم بتنشيط المشغل والتحكم في مخرجاته، بما في ذلك الاتجاه والقوة وطول العمر. فهو يمنع النظام من العمل بشكل مستقل ويسمح للمشغل بوضع حدود على طرفي عملية التحويل. يمكن أن تكون وحدات التحكم كهربائية أو إلكترونية أو ميكانيكية وقد تتخذ أشكالًا مختلفة، مثل الأزرار أو الرافعات أو المفاتيح أو الأقراص.

الأنواع الرئيسية للمحركات

تختلف أنواع المحركات حسب مصدر الطاقة ونوع وسرعة الحركة المطلوبة ووظيفتها. تتطور أنواع المحركات وتتطور، ولكن من المفيد فهم الأساسيات حول بعض المحركات الشائعة المستخدمة.

المحرك الخطي الكهربائي

تستخدم المحركات الخطية الكهربائية الطاقة الكهربائية لإنتاج الحركة في خط مستقيم باستخدام مكبس يتحرك للخلف وللأمام بسبب الإشارات الكهربائية. أنها تنتج حركات السحب أو الدفع أو الطرد أو الرفع. تنتج محركاتها حركة دورانية عالية السرعة مع علبة تروس تقلل السرعة أو التأثير.

المحرك الدوار الكهربائي

المحركات الدوارة الكهربائية استخدام الطاقة الكهربائية لإنتاج حركة دورانية، إما للحركة المستمرة أو باتجاه زاوية ثابتة. أنها تنطوي على مزيج من محرك كهربائي، وعلبة التروس متعددة المراحل، ومفتاح الحد. إنه يخلق دورانًا وعزم دوران عندما يدخل التيار إلى مجال مغناطيسي ومن القوة المنتجة.

المحرك الخطي الهيدروليكي

تستخدم المحركات الخطية الهيدروليكية ضغط الماء أو أي سائل مضغوط آخر لتوليد حركات مستقيمة. ويمكنها إنتاج عزم دوران قوي بما يكفي لتحريك الأجسام الخارجية، وبالتالي تطبيقاتها الصناعية. تتكون المحركات الهيدروليكية من مكابس تتحرك في اتجاه واحد وزنبرك ينتج الحركة العكسية. هناك أيضًا مشغلات هيدروليكية مزدوجة المفعول حيث تأتي الضغوط من كلا الطرفين لتحريك المكبس ذهابًا وإيابًا للحصول على حركة أكثر انتظامًا.

المحرك الخطي الهوائي

تستخدم المحركات الخطية الهوائية الهواء المضغوط لإنشاء حركة عن طريق تحريك المكابس ذهابًا وإيابًا أو عن طريق دفع وسحب عربة عبر ممر أو أنبوب. يتم استخدام الينابيع لإعادة المكبس. وبدلاً من ذلك، يتم أحيانًا استخدام السائل في الطرف المقابل لدفعه إلى الخلف. يمكن للمحركات الخطية الهوائية أن تنتج سرعة وعزم دوران عاليين لمسافات قصيرة، كما أنها مقاومة للضغط المعاكس مثل الرياح أو الانفجارات.

تحديد المشغل الأفضل لاحتياجاتك

هناك العديد من أنواع المحركات المستخدمة في مجالات مختلفة، ولكن لن تكون جميعها مناسبة لأغراضك المحددة. فيما يلي دليل مبسط لمساعدتك في اختيار الدليل المناسب.

الاعتبارات الرئيسية:

• نوع الحركة: توفر المحركات حركة خطية أو دوارة. قرر ما إذا كنت بحاجة إلى حركة خطية دقيقة أو حركة دوارة أكثر ديناميكية ومستمرة. بالإضافة إلى ذلك، فكر في المدى الذي يجب أن تقطعه الحركة - سواء كانت حركات قصيرة أو حادة أو ضربات أطول.
• مدخلات الطاقة: تُستخدم المحركات الكهربائية بشكل شائع ومتعددة الاستخدامات، ولكنها قد لا تكون عملية دائمًا. في الحالات التي يكون فيها الجهد العالي غير مرغوب فيه، يمكن للمحركات الهيدروليكية أو الهوائية توفير أداء موثوق به دون الحاجة إلى مدخلات كهربائية.
• احتياجات الدقة: تتطلب بعض المهام دقة عالية، خاصة بالنسبة للأعمال الدقيقة أو المعقدة مثل الانتقاء والتعامل. بالنسبة للمهام الثقيلة، قد تكون الدقة أقل أهمية. إن فهم مقدار الدقة التي تحتاجها سيساعد في تضييق نطاق خيارات المشغل لديك.
• متطلبات القوة: تعتمد سعة تحميل المشغل على وزن وحجم الكائن الذي يجب أن يتحرك. تأكد من اختيار واحد يوفر القوة الكافية لتطبيقك.
• طول السكتة الدماغية والسرعة: حدد المسافة التي يحتاجها المشغل لتحريك الجسم (طول الشوط) وبأي سرعة. ضع في اعتبارك أن المحركات التي توفر قوة أعلى قد تتحرك بشكل أبطأ. يتم قياس السرعة عادةً بالمسافة في الثانية.
• بيئة: يجب تصنيف المحركات المستخدمة في البيئات الصناعية أو الوعرة من حيث الحماية، في حين أن تلك المستخدمة في الداخل في المختبرات أو ورش العمل قد تتطلب حماية أقل.
• خيارات التركيب: يمكن تركيب المحركات بطرق مختلفة حسب احتياجاتك. على سبيل المثال، يسمح النظام ثنائي المحور بالدوران، بينما يحافظ النظام الثابت على المشغل في مكانه.

ومع هذه الاعتبارات، ستتمكن من تضييق نطاق خياراتك.

تقييم أداء المحرك

بمجرد تحديد المشغل، من المهم تقييم أدائه باستخدام بعض المقاييس الأساسية:

• عزم الدوران والقوة: يشير عزم الدوران إلى قوة الالتواء التي يمكن أن ينتجها المشغل الخطي، وهي مهمة في المحركات الدوارة. يجب أخذ كل من الأحمال الثابتة والديناميكية في الاعتبار - يقيس الحمل الثابت السعة عندما يكون المشغل في حالة راحة، بينما يقيس الحمل الديناميكي السعة أثناء الحركة.
• سرعة خالية من التحميل: السرعة مهمة، خاصة عندما لا يكون المشغل تحت الحمل. قارن هذه السرعة "غير المحملة" للتأكد من أنها تلبي متطلبات الأداء الخاصة بك.
• متانة: تعتمد متانة المشغل الخطي على النوع والتصميم. تميل المحركات الهيدروليكية إلى أن تكون أكثر متانة للتطبيقات الثقيلة. يجب أن يحتوي المشغل الجيد على مكونات قوية تقاوم التآكل بمرور الوقت.
• كفاءة الطاقة: تستخدم المحركات الفعالة طاقة أقل لأداء مهامها، وهو أمر مهم لتحقيق الاستدامة وإدارة التكلفة. اختر التصميمات التي تقلل من استهلاك الطاقة مع الحفاظ على الأداء.

توصيل المحرك

أنواع المحركات والوظائف المرتبطة بها واسعة. ويترتب على ذلك أنه من غير المرجح أن يكون هناك مخطط أو دليل تعليمات عالمي عندما يتعلق الأمر بتوصيل المحركات.

ومع ذلك، فإن المحرك المشترك، المحركات الخطية الكهربائية، سهلة الاتصال نسبيًا ويمكن أن تكون مفيدة في الوظائف المنزلية المتنوعة. فيما يلي ملخص لتوصيل أحد الأجهزة بجهاز أو بآلية تحكم مثل المفتاح المتأرجح.

الاتصال بجهاز

تحتوي بعض المحركات الخطية الكهربائية على أربعة دبابيس يمكن توصيلها بسهولة بجهازك. في هذه الحالة، تكون العملية سهلة مثل توصيل المشغل الخطي والابتعاد.

إذا لم يكن المشغل الخاص بك مزودًا بأربعة دبابيس متضمنة، فيمكنك شراء موصل بأربعة دبابيس، وهو متوفر بأطوال ستة أقدام وقدمين.

قم بتوصيل الموصل بالمشغل عن طريق العثور على الأسلاك التي نأمل أن تكون مكشوفة. تحتاج إلى لف الأسلاك بالموصل قبل توصيله. استخدم شريطًا كهربائيًا لتغطية أي أسلاك مكشوفة. إذا لم تتمكن من العثور على الأسلاك أو لم يكن هناك ما يكفي، فيمكنك قطع المطاط لتوفير اتصال أفضل بالموصل.

قد تحتوي المحركات على أسلاك ملونة مختلفة للموصل. إذا كان المشغل يحتوي على أسلاك حمراء وسوداء والموصل بني وأزرق، على سبيل المثال، قم بتوصيل الأحمر بالبني والأسود بالأزرق. إذا كان يحتوي على مزيج من الأحمر والأزرق، قم بتوصيل الأحمر بالبني والأزرق بالأزرق. إذا كانت أسلاك المشغل حمراء وصفراء، فقم بتوصيل السلك الأحمر بالبني والأصفر بالأزرق.

الاتصال بمفتاح الروك

المفاتيح المتأرجحة هي أسهل طريقة للتحكم في مشغل كهربائي خطي إما عن طريق مفتاح متأرجح لحظي — تلك التي تتحرك عند الضغط على الزر — أو مفتاح غير لحظي، والذي يمكن تبديله بين حركة "التمديد" وحركة "السحب" ، أو "إيقاف".

لتوصيل مفتاح متأرجح، ستحتاج إلى بطارية 12 فولت تيار مستمر أو محول طاقة 110 فولت تيار متردد/220 فولت تيار متردد إلى 12 فولت تيار مستمر بالإضافة إلى المفتاح والمشغل الخطي.

قم بتوصيل الطاقة السالبة بالطرف الثالث من المفتاح المتأرجح واستخدم السلك الثاني لتوصيل المطرافين 3 و4. تتصل الطاقة الإيجابية لمصدر الطاقة بالطرف 6 من المفتاح بينما يربط السلك الثاني الطرف 6 بالطرف 1. قم بالتوصيل الأسلاك من المحطتين 2 و 5 إلى المشغل، والتي من المفترض أن تمنحك الآن وحدة تحكم عاملة.

هذا مثال بسيط ولكنه شائع لتوصيل مشغل خطي كهربائي له استخدامات متنوعة. إذا كنت بحاجة إلى مساعدة في توصيل المحرك الخاص بك بالمفتاح المتأرجح ومصدر الطاقة لديك، فقد قمنا بذلك مولد مخطط الأسلاك لك.

تركيب المحرك

بمجرد توصيل المشغل الخاص بك بالجهاز أو وحدة التحكم، ستحتاج إلى تركيبه، ويكون جاهزًا للاستخدام. هناك طريقتان للقيام بذلك: المحور المزدوج والتركيب الثابت، كما ذكرنا سابقًا.

تركيب محوري مزدوج

يتضمن تثبيت مشغل خطي على منصة تسمح له بالدوران المحوري استخدام دبوس تثبيت أو مشبك تثبيت مثبت على كل قوس على كل طرف من أطراف المشغل. ينزلق دبوس متقاطع عبر الحامل والمشغل لتوصيل الاثنين، ونسميهما بين قوسين تصاعد. يمكن للمشغل الخطي أن يدور حول كل دبوس، مما يعني أنه يمكن للمشغل أن يتحرك جنبًا إلى جنب مع الجسم الذي يتحركه، مما يسمح بوظيفة أكثر ديناميكية قليلاً. يوجد تطبيق شائع جدًا لهذا النوع من طرق التثبيت على الأبواب مما يسمح لها بالتأرجح للفتح والإغلاق.

تركيب ثابت

يتضمن التثبيت الثابت تثبيت المشغل على حامل تثبيت العمود ويسمح للمشغل بإنشاء حركات دفع أو سحب من موضع محدد. هذه هي الطريقة التي يتم بها تركيب الزر، على سبيل المثال.

في كلتا طريقتي التثبيت، من المهم أيضًا التأكد من قدرة جهاز التثبيت على التعامل مع حمل المشغل لأن الحمل غير الضروري قد يؤدي إلى تلف المشغل أو يتسبب في انحرافه عن الوضع الصحيح.

من المهم أيضًا مراعاة البيئة التي تقوم فيها بتشغيل المشغل الخاص بك وأي ميل للغبار أو الماء. مثل أي جهاز ميكانيكي، يحتاج المشغل والتركيب والمكونات الإضافية إلى الصيانة. إذا كنت تعتني بالمشغل الخاص بك وتستغرق وقتًا لفهم قدرته وآلياته، فقد يخدمك لفترة طويلة.