עקרונות בתכנון ציר הנעה ליניארי (2)
לאחר שקראתם והבנתם את הלוגיקה העומדת מאחורי תכנון של ציר ליניארי, במאמר הראשון, זה הזמן להבין כיצד נראה המבנה המכני של ציר ההנעה.
-
מאמר מס' 1: תכנון לוגי של הציר הליניארי
-
מאמר מס' 2: קונפיגורציות הנעה מקובלות לצירים ליניאריים
אני מפריד כאן בין שני האלמנטים המכניים העיקריים המרכיבים את הציר:
- ההובלה הליניארית עצמה, קרי – מסילות בצורות חתך שונות.
- אלמנט ההנעה עצמו שמתחבר אל הכוח המניע, קרי – מנוע, בדרך כלל חשמלי.
בנושא ההובלה הליניארית אגע במאמר נפרד היות והוא קשור גם לנושאים אחרים ולאו דווקא רק לציר ליניארי.
נושא ההנעה עצמו, או ליתר דיוק – המכניקה דרכה מועבר הכוח המניע, הינו נושא חשוב שמופיע בתכנון של כל ציר ליניארי.
בסקירה כללית ניתן לומר שישנן כיום ארבע צורות הנעה שונות לציר ליניארי מבוקר:
-
בורג ואום (טרפזי או כדורי) – Trapezoidal / ACME / Ball Screw
-
מנוע ליניארי – Linear motor
הצורה הרביעית חדשה יחסית כאשר שלוש הראשונות עתיקות בחלקן עד לימי הביניים. מאמר זה לא יעסוק בטכנולוגיית מנוע ליניארי, זו כשלעצמה ראויה למאמר נפרד.
לפני שמתחילים – הצצה קטנה לגיאומטריות הובלה שונות של צירים ליניאריים ובכלל. הנושא עצמו הוא עולם שלם וזוהי רק הצצה למגוון העצום שקיים בשוק:
רצועת תזמון
להלן תמונה המתארת בצורה כללית מבנה של ציר הנעת רצועה:
הצורה דומה מאוד לזו של מסוע סרט, אלא שבניגוד למסוע סרט, מיקום העומס מבוקר וידוע ונמצא על העגלה. זה המקום לפרט על כל אחד מרכיבי המערכת:
-
גלגלת תזמון: ברובן המכריע אלו גלגלות אלומיניום עם חריצים בדומה לגלגל שיניים. ישנן כמה גיאומטריות לשינון כאשר שתי העיקריות הינן שן עגולה ושן טרפזית. השיניים מגיעות במגוון גדלים ופסיעות והן צריכות להתאים כמובן לרצועה הנבחרת. גלגלות הינן אלמנט זול ופשוט לייצור באקסטרוזיה ולאחר מכן ביצוע חריטה פשוטה להתאמה למיסוב הנבחר וחיבור לעומס.
-
רצועת תזמון: זוהי רצועה פולימרית, בדרך כלל מחוזקת בכבלי פלדה שהינם חלק ממבנה החוזק של הרצועה. הרצועה יכולה להגיע סגורה, כלומר באורך קבוע, או פתוחה כך שאפשר לקשור את שתי קצותיה בנפרד לעגלה.
-
אלמנט מתיחה: כפי שמסומן בציור, ישנם שני מקומות אפשריים לאלמנט מעין זה. בכדי לשמור על ביצועים דינמיים טובים על הרצועה להיות מתוחה. ישנם מכשירים שונים לבדיקת מתח רצועה אופטימלי, אבל זה לא המקום להיכנס לנושא. מיקום המתיחה מתחת לעגלה נעשה רק במקרה של רצועה פתוחה ואילו מיקום המתיחה על אחת הגלגלות הוא המיקום המקובל ברצועה סגורה. ביצוע מתיחה בעזרת גלגלת שלישית פחות מקובל, אבל אפשרי אם יש צורך מערכתי שכזה.
-
גוף המערכת: למרות שאינו מצוין בפירוש בציור, הגוף מחזיק למעשה את האלמנטים השונים במקומם ומאפשר למקם את אלמנט ההנעה ב-4 מיקומים שונים, 2 מיקומים לכל גלגלת.
-
עגלה: זהו האלמנט שנושא עליו את העומס שברצוננו להניע. העגלה מחוברת מצד אחד לרצועה המניעה אותה ומצד שני לאלמנט ההובלה המדויק, קרי – המסילה הליניארית.
יתרונות קונפיגורציית רצועת תזמון:
-
זוהי השיטה הכי זולה ופשוטה להניע עומס בצורה יחסית מדוייקת.
-
שיטות הייצור של אלמנטי ההנעה פשוטות, זולות ויש מגוון עצום של פתרונות.
-
הפסדים מכניים נמוכים יחסית.
-
אין אי דיוקים כתוצאה מ-Backlash – כפועל יוצא, מיקום גמיש של בקרת המיקום
-
טולרנטיות גבוהה לסוג המיסוב הליניארי – כמעט כל הובלה ליניארית ניתנת לשילוב כאן.
חסרונות קונפיגורציית רצועת תזמון:
-
מתאימה לעומסים קטנים / בינוניים – לא לתעשייה כבדה.
-
רכיבי ההנעה רגישים ללכלוך ולטמפרטורות גבוהות (בעיקר הרצועה הפולימרית)
-
אורך הנעה מוגבל – מעל אורך מסוים יש צורך ביותר ממותחן אחד, מסבך את המערכת.
-
חוסר מודולריות – אין אפשרות להוסיף או להוריד אורך מהציר בצורה קלה.
-
שימוש במותחנים – נדרש מנגנון עזר נוסף לזיווד
בורג ואום (טרפזי או כדורי)
להלן תמונה המתארת בצורה כללית מבנה של ציר הנעה בורגי, תצורה נוספת של אקטואטור חשמלי וסוגי ברגים שונים אפשריים במערכת כזו:
בתמונה לעיל נראית צורה שבה הבורג קבוע והאום נע. ישנה צורה הפוכה בה האום קבוע והבורג נע אבל פחות נעשה שימוש בצורה זו בהנעה ליניארית. זה המקום לפרט על כל אחד מרכיבי המערכת:
-
אום ובורג: שניהם ביחד מהווים את לב המערכת. הצימוד ביניהם עתיק יומין. הצורות המקובלות היום בתעשיה הינן של בורג עם חתך טרפזי או בורג ואום כדוריים כך שישנן כדוריות קטנות בין האום לבורג שמעבירות את העומס, בדומה למיסב כדורי פשוט.
-
מיסוב: זיווד הבורג בציר ההנעה נעשה כך שהצד אליו מחובר המנוע ממוסב בצורה קבועה, קרי – ללא חופש צירי או רדיאלי, ובצד השני שלי הבורג ישנו מיסוב צף המאפשר חופש צירי בלבד.
-
חיבור למנוע: הבורג עצמו עובר חריטה בשני הקצוות בכדי להתאים למיסוב ולמנוע. החיבור למנוע תמיד נעשה דרך מקשר גמיש (קופלונג) כך שתמיד ניתן גם להחליף את המנוע בקלות.
-
גוף המערכת: למרות שאינו מצוין בפירוש בציור, הגוף מחזיק למעשה את האלמנטים השונים במקומם ומאפשר למקם בתי המיסב (קבוע וצף) בדיוק מספק ואת המיסוב הליניארי של הציר.
-
עגלה: זהו האלמנט שנושא עליו את העומס שברצוננו להניע. העגלה מחוברת מצד אחד לאום המניע אותה ומצד שני לאלמנט ההובלה המדויק, קרי – המסילה הליניארית.
יתרונות קונפיגורציית בורג ואום:
-
בורג טרפזי מאוד זול ופשוט, חומרים נוחים לעיבוד.
-
בורג כדורי ללא Backlash ובעל דיוק מיקום גבוה – זו שיטת ההנעה הכי מדוייקת לציר ליניארי (בתנאי סביבה מתאימים)
-
זיווד קצות הבורג פשוט וזול, גם לבורג כדורי
-
יכול לחסוך שימוש בגיר על המנוע כך שאפשר לחסוך עלויות
-
נעילה עצמית בברגים טרפזיים (מתחת לזווית מעלה מסויימת), אין צורך בבלם על המנוע
-
מגוון רחב של ברגים כולל קונפיגורציות ללא Backlash, מספר התחלות גבוה למהירויות גבוהות ופסיעות קטנות ומדוייקות בברגים כדוריים
-
ברגים מתאימים גם לג'קים מאוד כבדים מצד אחד וגם למנגנונים מיניאטוריים מצד שני
חסרונות קונפיגורציית בורג ואום:
-
רכיבי ההנעה רגישים ללכלוך ולטמפרטורות גבוהות (בבורג טרפזי פשוט)
-
אורך הנעה מוגבל – כתלות בסל"ד, מעל אורך מסוים הבורג נכנס לאיזור התדר העצמי והמערכת כולה רועדת. ככלל, ברגים מעל 6 מטרים כמעט ולא קיימים
-
חוסר מודולריות – אין אפשרות להוסיף או להוריד אורך מהציר בצורה קלה.
-
לבורג כדורי נדרשים דיוקים בעיבוד מול ההובלה הליניארית, עלול לייקר את המערכת
-
בורג כדורי הוא רכיב יקר יחסית, אבל מדויק מאוד
גלגל ופס שיניים
להלן תמונה המתארת בצורה כללית מבנה של ציר גלגל ופס שיניים:
בתמונה לעיל נראית צורה שבה פס השיניים ניצב למשטח העגלה, ניתן למקם את פס השיניים גם במקביל למשטח. זה המקום לפרט על כל אחד מרכיבי המערכת:
-
גלגל שיניים: זהו האלמנט המניע את כל המערכת ומחובר ישירות למנוע.
-
פס שיניים: זהו האלמנט הקבוע במערכת, אם כי ישנן קונפיגורציות בהן המנוע וגלגל השיניים קבועים והפס עצמו נע, בעיקר בצירים אנכיים.
-
חיבור למנוע: המנוע יכול להתחבר ישירות או דרך מקשר אל גלגל השיניים המניע. קונפיגורציה זו מאוד נפוצה כאשר המנוע מחובר אל גיל חלזוני או Helical Bevel. המנוע נוסע עם העומס בקונפיגורציה זו.
-
גוף המערכת: למרות שאינו מצוין בפירוש בציור, הגוף מחזיק למעשה את האלמנטים השונים במקומם ומאפשר למקם את העגלה על המובילים הליניאריים ואת פס השיניים בדיוק הרצוי מול ההובלה.
-
עגלה: זהו האלמנט שנושא עליו את העומס שברצוננו להניע. העגלה מחוברת מצד אחד לגלגל השיניים המניע אותה ומצד שני לאלמנט ההובלה המדויק, קרי – המסילה הליניארית.
-
מוביל כבלים: מכיוון שהמנוע נע עם העומס (במקרה בתמונה לעיל) מוביל כבלים הוא חלק בלתי נפרד מהמערכת.
יתרונות קונפיגורציית גלגל ופס שיניים:
-
מתאים לעומסים גבוהים ומהלכים ארוכים מאוד
-
מודולריות גבוהה – תוספת אורך מהלך מאוד פשוטה וקלה לביצוע
-
תחזוקה נוחה וגישה טובה לכל חלקי המערכת
-
גמישות גבוהה מאוד בזיווד האלמנט המניע כמעט ללא תלות במיסוב הליניארי
-
ניתן לבנות מרכיבים מאוד זולים ופשוטים
-
גיאומטריות שונות לביצועים דינמיים שונים: גג"ש גלילים, שיניים אלכסוניות ועוד...
-
אפשרויות מגוונות לסגירת Backlash כתלות באפליקציה
-
פתרון יחיד למכונות עיבוד גדולות – יציבות מכנית גבוהה ודיוקים מצויינים.
חסרונות קונפיגורציית גלגל ופס שיניים:
-
רכיבי ההנעה רגישים ללכלוך אם אינן מוגנים כראוי
-
נדרשת מערכת שימון / גירוז לפס השיניים
-
שימוש בדרך כלל במערכות כבדות – למרות שיש אפשרות להגיע לדיוקים מאוד טובים
-
כאשר המנוע נע עם העומס, המנוע עצמו הוא חלק מהעומס ולכן נדרש מנוע גדול יותר לעומת שיטות הנעה אחרות. כאשר המנוע קבוע, כל הציר נע דבר ששוב דורש מנוע גדול יותר בהשוואה לשיטות אחרות
-
נדרש דיוק גבוה בעיבודי הבסיס בכדי ליצור התאמה טובה בין הגלגל לפס השיניים או לחילופין נדרש לבנות מנגנון כיוון לקביעת החופש בין הגג"ש לפס השיניים
שיטות ההנעה השונות באות לתת מענה לדרישות מערכתיות שונות, לאו דווקא טכניות, לפעמים עניינים של עלות ושיקולים עסקיים מעורבים בבחירת קונפיגורציית ההנעה. מבחינת ביצועים ישנן אפליקציות שבלתי אפשרי להשתמש בהן בשיטה מסויימת ויש לבחון הייטב את הביצועים הפיזיקליים הנדרשים מהמערכת בטרם מחליטים על שיטת הנעה ובהמשך הדרך כאשר מגדירים בתכן המפורט את הגדלים הפיזיים של רכיבי המערכת, החומרים, היצרנים, שיטות ההרכבה וכיול המערכת כולה. לשיטת ההנעה השפעה מכרעת על כל אחד מהנ"ל. ועכשיו זה בדיוק הזמן לתכנן ציר ליניארי משלכם! בהצלחה!