الدفع المباشر مقابل المحرك المؤازر الدوار المجهز: تقدير كمي لميزة التصميم: الجزء الأول

أهداف التعلم

• أنظمة المؤازرة الدوارة في العالم الحقيقي لا ترقى إلى مستوى الأداء المثالي بسبب القيود التقنية.
• يمكن أن توفر عدة أنواع من المحركات المؤازرة الدوارة فوائد للمستخدمين، ولكن لكل منها تحدي أو قيود معينة.
• توفر المحركات المؤازرة الدوارة ذات الدفع المباشر أفضل أداء، ولكنها أكثر تكلفة من محركات التروس.

لعقود من الزمن، كانت المحركات المؤازرة المجهزة واحدة من أكثر الأدوات شيوعًا في صندوق أدوات الأتمتة الصناعية. توفر المحركات السيرومية المُجهزة تطبيقات تحديد المواقع، ومطابقة السرعة، والكاميرا الإلكترونية، واللف، والشد، والربط بكفاءة، كما أنها تطابق قوة المحرك المؤازر مع الحمل. وهذا يثير السؤال: هل المحرك المؤازر المجهز هو الخيار الأفضل لتقنية الحركة الدوارة، أم أن هناك حلًا أفضل؟

في عالم مثالي، سيكون لنظام المؤازرة الدوارة تصنيفات عزم الدوران والسرعة التي تتوافق مع التطبيق بحيث لا يكون المحرك كبيرًا أو صغير الحجم. يجب أن يتمتع مزيج المحرك وعناصر ناقل الحركة والحمل بصلابة الالتوائية لا نهائية ورد فعل عكسي صفر. لسوء الحظ، فإن أنظمة المؤازرة الدوارة في العالم الحقيقي لا ترقى إلى هذا المستوى المثالي بدرجات متفاوتة.

في نظام مؤازر نموذجي، يتم تعريف رد الفعل العكسي على أنه فقدان الحركة بين المحرك والحمل الناتج عن التفاوتات الميكانيكية لعناصر ناقل الحركة؛ يتضمن ذلك أي فقدان للحركة عبر علب التروس والأحزمة والسلاسل والوصلات. عندما يتم تشغيل الجهاز في البداية، سوف يطفو الحمل في مكان ما في منتصف التفاوتات الميكانيكية (الشكل 1A).

قبل أن يتم نقل الحمل نفسه بواسطة المحرك، يجب أن يدور المحرك ليأخذ كل الركود الموجود في عناصر النقل (الشكل 1ب). عندما يبدأ المحرك في التباطؤ في نهاية الحركة، قد يتفوق موضع الحمل فعليًا على موضع المحرك حيث يحمل الزخم الحمل إلى ما بعد موضع المحرك.

يجب على المحرك أن يأخذ الركود مرة أخرى في الاتجاه المعاكس قبل تطبيق عزم الدوران على الحمل لإبطائه (الشكل 1C). يُطلق على فقدان الحركة هذا اسم رد الفعل العكسي، ويتم قياسه عادةً بالدقائق القوسية، أي ما يعادل 1/60 من الدرجة. غالبًا ما تحتوي علب التروس المصممة للاستخدام مع الماكينات في التطبيقات الصناعية على مواصفات رد فعل عكسي تتراوح من 3 إلى 9 دقائق قوسية.

الصلابة الالتوائية هي مقاومة التواء عمود المحرك وعناصر ناقل الحركة والحمل استجابةً لتطبيق عزم الدوران. من شأن النظام شديد الصلابة أن ينقل عزم الدوران إلى الحمل دون أي انحراف زاوي حول محور الدوران؛ ومع ذلك، حتى العمود الفولاذي الصلب سوف يلتوي قليلاً تحت الحمل الثقيل. ويختلف حجم الانحراف باختلاف عزم الدوران المطبق، ومواد عناصر ناقل الحركة، وشكلها؛ بشكل بديهي، الأجزاء الطويلة الرفيعة سوف تلتوي أكثر من الأجزاء القصيرة السميكة. هذه المقاومة للالتواء هي ما يجعل النوابض اللولبية تعمل، حيث أن ضغط الزنبرك يؤدي إلى لف كل دورة من السلك قليلاً؛ السلك السمين يجعل زنبركًا أكثر صلابة. أي شيء أقل من الصلابة الالتوائية اللانهائية يجعل النظام يعمل كنابض، مما يعني أنه سيتم تخزين الطاقة الكامنة في النظام بينما يقاوم الحمل الدوران.

عندما يتم دمجها معًا، فإن الصلابة الالتوائية المحدودة ورد الفعل العكسي يمكن أن تؤدي إلى انخفاض كبير في أداء نظام المؤازرة. يمكن أن يؤدي رد الفعل العكسي إلى عدم اليقين، حيث يشير جهاز تشفير المحرك إلى موضع عمود المحرك، وليس المكان الذي سمح فيه رد الفعل العكسي للحمل بالاستقرار. يقدم رد الفعل العكسي أيضًا مشكلات في الضبط حيث يتزاوج الحمل وينفصل عن المحرك لفترة وجيزة عندما يعكس الحمل والمحرك الاتجاه النسبي. بالإضافة إلى رد الفعل العكسي، تقوم الصلابة الالتوائية المحدودة بتخزين الطاقة عن طريق تحويل بعض الطاقة الحركية للمحرك والحمل إلى طاقة كامنة، وإطلاقها لاحقًا. يؤدي إطلاق الطاقة المتأخر هذا إلى تذبذب الحمل، ويحفز الرنين، ويقلل من الحد الأقصى لمكاسب الضبط القابلة للاستخدام ويؤثر سلبًا على الاستجابة ووقت الاستقرار لنظام المؤازرة. في جميع الحالات، سيؤدي تقليل رد الفعل العكسي وزيادة صلابة النظام إلى زيادة أداء المؤازرة وتبسيط عملية الضبط.

تكوينات محرك سيرفو المحور الدوار

تكوين المحور الدوار الأكثر شيوعًا هو محرك مؤازر دوار مزود بجهاز تشفير مدمج لتعليقات الموضع وعلبة تروس لمطابقة عزم الدوران المتاح وسرعة المحرك مع عزم الدوران المطلوب وسرعة الحمل. صندوق التروس عبارة عن جهاز طاقة ثابت وهو التناظر الميكانيكي للمحول لمطابقة الحمل.

يستخدم تكوين الأجهزة المحسّن محركًا مؤازرًا دوارًا ذو محرك مباشر، والذي يلغي عناصر النقل عن طريق ربط الحمل بالمحرك مباشرة. في حين أن تكوين محرك التروس يستخدم أداة توصيل بعمود قطره صغير نسبيًا، فإن نظام الدفع المباشر يربط الحمل مباشرة بشفة دوار أكبر بكثير. يزيل هذا التكوين رد الفعل العكسي ويزيد بشكل كبير من الصلابة الالتوائية. يتطابق عدد الأقطاب الأعلى ولفات عزم الدوران العالية لمحركات الدفع المباشر مع خصائص عزم الدوران والسرعة لمحرك التروس بنسبة 10:1 أو أعلى.