الدفع المباشر مقابل محرك سيرفو دوار مُسنن: تقييم كمي لمزايا التصميم: الجزء الأول

أهداف التعلم

• إن أنظمة المؤازرة الدوارة في العالم الحقيقي لا تحقق الأداء المثالي بسبب القيود التقنية.
• يمكن أن توفر العديد من أنواع محركات المؤازرة الدوارة فوائد للمستخدمين، ولكن لكل منها تحدي أو قيود محددة.
• توفر محركات السيرفو الدوارة ذات الدفع المباشر أفضل أداء، ولكنها أكثر تكلفة من محركات التروس.

لعقود، كانت محركات السيرفو المُسننة من أكثر الأدوات شيوعًا في مجال الأتمتة الصناعية. تُوفر هذه المحركات تطبيقات تحديد المواقع، ومطابقة السرعة، والتحريك الإلكتروني، واللف، والشد، والربط، كما تُطابق قوة محرك السيرفو مع الحمل بكفاءة. وهذا يُثير التساؤل: هل يُعد محرك السيرفو المُسنن الخيار الأمثل لتقنية الحركة الدورانية، أم أن هناك حلاً أفضل؟

في عالم مثالي، يجب أن يكون لنظام سيرفو دوار تصنيفات عزم وسرعة تتناسب مع التطبيق، بحيث لا يكون المحرك كبيرًا جدًا أو صغيرًا. يجب أن يتمتع مزيج المحرك وناقل الحركة والحمل بصلابة التوائية لا نهائية وارتداد عكسي صفري. للأسف، تتخلف أنظمة سيرفو الدوارة في العالم الحقيقي عن هذا الهدف بدرجات متفاوتة.

في نظام سيرفو نموذجي، يُعرَّف رد الفعل العكسي بأنه فقدان الحركة بين المحرك والحمل الناتج عن التفاوتات الميكانيكية لعناصر ناقل الحركة؛ ويشمل ذلك أي فقدان للحركة في جميع أنحاء علب التروس والأحزمة والسلاسل والوصلات. عند تشغيل الآلة في البداية، يكون الحمل في منتصف التفاوتات الميكانيكية (الشكل 1أ).

قبل أن يتمكن المحرك من تحريك الحمل نفسه، يجب أن يدور المحرك لسد كل الركود الموجود في عناصر ناقل الحركة (الشكل 1ب). عندما يبدأ المحرك بالتباطؤ في نهاية الحركة، قد يتجاوز موضع الحمل موضع المحرك، حيث يحمل الزخم الحمل إلى ما بعد موضع المحرك.

يجب على المحرك أن يستعيد الركود في الاتجاه المعاكس قبل تطبيق عزم الدوران على الحمل لإبطاء سرعته (الشكل 1ج). يُسمى هذا الفقد في الحركة "ارتداد الحركة"، ويُقاس عادةً بالدقائق القوسية، أي ما يعادل 1/60 من الدرجة. غالبًا ما تتراوح مواصفات ارتداد الحركة في علب التروس المصممة للاستخدام مع محركات السيرفو في التطبيقات الصناعية بين 3 و9 دقائق قوسية.

الصلابة الالتوائية هي مقاومة التواء عمود المحرك وعناصر ناقل الحركة والحمل استجابة لتطبيق عزم الدوران. سينقل النظام الصلب بلا حدود عزم الدوران إلى الحمل دون أي انحراف زاوي حول محور الدوران؛ ومع ذلك، حتى عمود الفولاذ الصلب سوف يلتوي قليلاً تحت الحمل الثقيل. يختلف مقدار الانحراف باختلاف عزم الدوران المطبق ومادة عناصر ناقل الحركة وشكلها؛ بديهيًا، ستلتوي الأجزاء الطويلة والرفيعة أكثر من الأجزاء القصيرة والسمينة. هذه المقاومة للالتواء هي ما يجعل نوابض الملف تعمل، حيث يؤدي ضغط الزنبرك إلى التواء كل دورة من السلك قليلاً؛ السلك الأكثر سمكًا يجعل الزنبرك أكثر صلابة. أي شيء أقل من الصلابة الالتوائية اللانهائية يتسبب في عمل النظام كزنبرك، مما يعني أنه سيتم تخزين الطاقة الكامنة في النظام بينما يقاوم الحمل الدوران.

عند الجمع بينهما، يمكن أن تؤدي صلابة الالتواء المحدودة وردود الفعل العكسية إلى تدهور كبير في أداء نظام المؤازرة. يمكن أن تؤدي ردود الفعل العكسية إلى عدم اليقين، حيث يشير مُشفِّر المحرك إلى موضع عمود المحرك، وليس إلى المكان الذي سمحت فيه ردود الفعل العكسية للحمل بالاستقرار. كما تُدخل ردود الفعل العكسية مشاكل في الضبط حيث يقترن الحمل وينفصل عن المحرك لفترة وجيزة عندما يعكس الحمل والمحرك الاتجاه النسبي. بالإضافة إلى ردود الفعل العكسية، تخزن صلابة الالتواء المحدودة الطاقة عن طريق تحويل بعض الطاقة الحركية للمحرك والحمل إلى طاقة كامنة، ثم تطلقها لاحقًا. يتسبب هذا التأخر في إطلاق الطاقة في تذبذب الحمل، ويحفز الرنين، ويقلل من أقصى مكاسب ضبط قابلة للاستخدام، ويؤثر سلبًا على استجابة نظام المؤازرة ووقت استقراره. في جميع الحالات، سيؤدي تقليل ردود الفعل العكسية وزيادة صلابة النظام إلى زيادة أداء المؤازرة وتبسيط الضبط.

تكوينات محرك سيرفو المحور الدوار

أكثر تكوينات المحور الدوار شيوعًا هو محرك سيرفو دوار مزود بمشفر مدمج لتغذية راجعة للموضع، وعلبة تروس لمطابقة عزم الدوران والسرعة المتاحين للمحرك مع عزم الدوران والسرعة المطلوبين للحمل. علبة التروس هي جهاز طاقة ثابت، وهو بمثابة نظير ميكانيكي للمحول لمطابقة الحمل.

يستخدم تكوين مُحسَّن للعتاد محرك سيرفو دوارًا مباشر الدفع، مما يُلغي عناصر النقل عن طريق ربط الحمل مباشرةً بالمحرك. بينما يستخدم تكوين محرك التروس وصلة ربط بعمود ذي قطر صغير نسبيًا، يُثبّت نظام الدفع المباشر الحمل مباشرةً على شفة دوار أكبر بكثير. يُزيل هذا التكوين رد الفعل العكسي ويزيد بشكل كبير من صلابة الالتواء. يتوافق عدد الأقطاب الأعلى ولفات عزم الدوران العالية لمحركات الدفع المباشر مع خصائص عزم الدوران والسرعة لمحرك التروس بنسبة 10:1 أو أعلى.