حرکت خطی چیست و چه کاربردهایی دارد؟
حرکت خطی، یک حرکت مکانیکی در یک محور است، در اثر این حرکت یک محصول از نقطه ای به نقطه ی دیگر برده می شود تا فرآیند بعدی تولید روی آن صورت گیرد و یا اینکه براده برداری و یا سایر فرآیند های ساخت در یک محور انجام می شود. در فناوری پرینترهای سه بعدی حرکت خطی در یک بعد، مواد پلاستیکی که در آن محور لازم است را در جای مناسب خود قرار می دهد.
کاربرد اصلی سیستم حرکت خطی در فرآیند تولید، اتوماسیون های صنعتی، دستگاه های CNC است. سه مورد اشاره شده سر فصل های کلی از موارد استفاده از حرکت خطی در صنعت هستند و هر کدام مثال های فرآوانی دارند.
در ابتدا به مثال ها و کاربرد های سیستم خطی در صنعت پرداخته ایم تا درک بهتری از حرکت خطی داشته باشیم. در تعریف ما هر نوع حرکت که در جهت محورهای X،Y و Z هست و بصورت تکرارپذیر و مداوم انجام می شود را حرکت خطی می نامیم. در این تعریف، انواع جکها، انواع ماژول های خطی و سایر انواع حرکت های خطی جز این دسته بندی قرار می گیرند.
سپس انواع حرکت خطی را دسته بندی کرده ایم. دسته بندی سیستم های خطی را می توان از روش های مختلف انجام داد، اما در این مقاله بر اساس نوع ماژول حرکتی (یا بهتر است بگوییم نوع منطق حرکتی) آن دسته بندی شده اند. چرا که ابتدا میزان دقت، میزان بار، سرعت و تکرار پذیری سیستم برای انتخاب مورد سوال است و اینگونه سوالات، منجر به انتخاب بین منطق های متفاوت حرکت می شود.
مثال هایی از حرکت خطی
حرکت خطی دراتوماسیون صنعتی و فرآیند تولید:
پر کاربردترین محل استفاده از اتوماسیون صنعتی در کارخانه ساخت اتومبیل است. پانچ کردن ورق ها، پرس ورق ها سوراخ کاری و خیلی از موارد که در این صنعت انجام می شود، نیاز به یک حرکت رفت و برگشتی دارد؛ این حرکت با استفاده از مکانیزم های خطی تامیین می شود.
بسته بندی محصولات، قرار دادن محصولات در کارتن، پرس کردن درب محصولات، زدن لیبل به محصولات. در ویدیو نشان داده شده است که با استفاده از حرکت خطی در دو محور چگونه محصولات تولید شده درون بسته بندی قرار داده می شوند.
در این ویدیو از مکانیزم بال اسکرو برای حرکت دقیق دو صفحه استفاده شده است.
– در صنایع غذایی جهت انتقال محصولات اولیه و آماده کردن آن برای فرآیند تولید، جدا کردن مواد اولیه نا مناسب
– داروسازی، پر کردن کپسول ها و قرص ها با استفاده از یک حرکت خطی
– ساخت قطعات مکانیکی با دقت بالا
– تزریق قالب های پلاستیکی و ….
حرکت خطی در دستگاه های CNC:
دستگاه های براده برداری سه محوره
پرینتر های سه بعدی
دستگاه های pick and place که باید از نقاط دقیق محصولات را بردارند و در محل های متفاوتی قرار دهند.
انواع سیستم حرکت خطی
سیستم های حرکت خطی انواع بسیار زیادی دارند چرا که در محیط های مختلف، کارایی های متفاوت و صنایع مختلف استفاده می شوند. اصلی ترین نوع دسته بندی در این سیستم ها بر اساس ماژول حرکتی آن ها است. در نتیجه اولین قدم برای انتخاب نوع سیستم حرکتی، انتخاب نوع ماژول است.
سه نمونه از پرکاربردترین ماژول هایی که در صنعت ایران مورد استفاده قرار گرفته اند: ماژول های الکترومکانیکی، ماژول های نیوماتیکی و ماژول های رک و پینیون هستند.
گفتنی است که این دسته بندی شامل تمام دسته بندی های حرکت های خطی نمی شود، مثلا ماژول هایی که با استفاده از موتور خطی، حرکت خطی را ایجاد می کنند در این مقاله ذکر نشده است. سه دسته بندی ذکر شده در این مقاله، مواردی هستند که کاربرد صنعتی تری دارند و در صنعت ایران کاربرد بیشتری دارند.
در بین سه دسته بندی ذکر شده، معمولا چالش بر سر انتخاب بین ماژول های الکترومکانیکی و ماژول های نیوماتیکی بیشتر است. چرا که این دو همپوشانی بیشتری باهم دارند. اما مواردی هم هستند که همپوشانی ندارند و سوالات و نیازهای طراحی ما را مستقیما به سمت انتخاب یکی از این ماژول ها هدایت می کند.
در معرفی ماژول ها سعی شده تا سوالاتی که هنگام طراحی و انتخاب به ذهن می رسد پاسخ داده شود، و حتی عناوینی با همین سوالات مطرح شده و پاسخ داده شده است. در زمانی که ماژول ها با یکدیگر همپوشانی دارند، هیچ جواب سر راست، و قطعی ای وجود ندارد و طراح باید بر اساس محدودیت ها و اهمیت موضوع راه حل مناسب را انتخاب کند.
پس از انتخاب نوع ماژول خطی، سایر جزییات مانند نوع سیستم راهنما و یا نوع هوزینگ آن ها، انتخاب می شود.
سیستم حرکتی تسمه ای و رزوه ای (ماژول حرکتی الکترومکانیکی)
اگرچه سیستم حرکتی تسمه ای و رزوه ای دو تکنولوژی متفاوت هستند، اما این دو تکنولوژی به عنوان عملگر های الکترومکانیکی شناخته می شوند. عملگر الکترومکانیکی انرژی خود را از موتورهای برقی مانند سرو موتور و استپر موتور می گیرد و عملگرهای مکانیکی حرکت دورانی این موتورها را به حرکت خطی تبدیل می کنند.
ماژول حرکتی تسمه برای انتقال نیرو از تسمه استفاده می¬کند، مزیت اصلی در این روش سرعت بالاتر و طول کورس بیشتر نسبت به سیستم حرکتی رزوه ایست.
سیستم حرکت رزوه ای به دو زیر گروه اصلی بال اسکرو و لید اسکرو دارد. در خصوص تفاوت این دو سیستم مقالات پر شماری صحبت کرده اند، اما وجه مشترک آن ها استفاده از شفت رزوه شده و دنده مهره ای در این سیستم است. دقت ،تکرارپذیری، مزیت اصلی این سیستم نسبت سیستم حرکت تسمه ایست.
چگونه سیستم حرکتی مورد نظر خود را باید بسازیم؟؟
در ایران چندین شرکت هستند که ماژول های خطی نام برده شده را بصورت مونتاژ شده می فروشند، البته می توانید قطعات ماژول را بصورت جداگانه تهیه کنید و خودتان اقدام به مونتاژ و ساعت کردن قطعات کنید. اما بدلیل اینکه فرآیند مونتاژ سیستم خطی بسیار حساس و دشوار هست توصیه می شود که ماژول خطی مورد نظر را بصورت مونتاژ شده خریداری کنید.
در صورتیکه کاربری دستگاه شما، بگونه ایست که سایزهای استاندارد ماژول های الکترومکانیکی نام برده نیاز شما را برطرف نمی کند، باید قطعات را بصورت جداگانه خریداری کنید و یا بسازید، سپس این قطعات را مونتاژ کنید، که باز هم اگر در زمینه مونتاژ کردن این قطعات تخصص ندارید، توصیه می شود این کار را برون سپاری کنید.
انتخاب موتورگیربکس مناسب:
پس از انتخاب ماژول خطی، باید موتور و گیربکس مناسب را انتخاب کنید. انتخاب بین سرو موتور و یا استپر موتور است. سرو موتورها دارای دور بالاتر و دقت بالاتری نسبت به استپر موتور ها هستند و خب به طبع قیمت بالاتری هم دارند. به طور کلی سرو موتور ها ، موتور های صنعتی تری نسبت به استپر موتور ها هستند. اما از استپر موتور ها هم در صنعت استفاده می شود.
هنگامی که تعداد روشن خاموش شدن موتور خیلی زیاد نباشد و نیاز به توان و دور پایینی باشد، معمولا سراغ استپر موتور می روند. برای مثال سیستم باز کردن قرقره سیم کابل. در این این سیستم نیاز است تا با دور نسبتا پایین و هر چند دقیقه یک بار قرقره کابل چرخیده و مقداری سیم را باز کند.
برند های معروف سرو موتور، دلتا و زیمنس هستند. در بازار ایران از برند دلتا بیشتر استفاده می شود و قطعات و لوازم جانبی آن راحت تر پیدا می شود. برند دیگری که در بازار ایران موجود است برند چینی لید شاین است که نسبت به دو برند دیگر کیفیت پایین تری دارد.
سرو جک ها:
همانطور که ذکر شد، در این مقاله کلیه سیستم هایی که حرکت خط را به ما می دهند مورد بررسی قرار می دهیم. جک های نیوماتیک و سرو جک ها هم در اتوماسیون صنعتی، خطوط تولید و ماشین آلات صنعتی جایگاه ویژه ای دارند. سرو جک ها بدلیل استفاده از مکانیزم رزوه ای برای حرکت خطی زیر مجموعه ماژول های الکترومکانیکی هستند، اما بدلیل ساختار ویژه، کوچک و جمع و جور بودن آن ها، می توانند جایگزین جک ها نیوماتیکی باشند.
پس از معرفی عملگرهای نیوماتیکی، سوالاتی که در خصوص انتخاب بین سرو جک و عملگر نیوماتیکی عنوان شده است مطرح می شود.
نکته : برخی مواقع جک های برقی با موتور DC اشتباها با سرو جک ها یکسان فرض می شوند. جک های برقی نیرو و سرعت خیلی پایین تری نسبت به سرو جک ها دارند.( در بهترین حالت نیروی 500 نیوتن و سرعت بدون بارگذاری 50 میلیمتر بر ثانیه را دارند. در حالیکه سرو جک ها حداقل نیروی 2000 نیوتون و حداقل سرعت 150 میلیمتر بر ثانیه را دارند)
علاوه بر محدود بودن توان و سرعت جک های برقی صنعتی نیستند. سیکل کاری آن ها در بهترین حالت یک چهارم است. و برای اتوماسیون صنعتی که باید بصورت دایم در حال حرکت باشد به هیچ وجه مناسب نیستند.
عملگرهای نیوماتیکی
این عملگرها استفاده گسترده ای در صنعت دارند. سادگی، هزینه تمام شده پایین و سرعت بالای این عملگر ها باعث شده تا یک انتخاب راحت برای اتوماسیون باشند. سرعت این عملگرها نسبت به عملگر های الکترومکانیکی بسیار بیشتر است.
سیلندر های خطی با استفاده از نیروی هوای فشرده حرکت خطی برای سیستم فراهم می کند. اما اصلی ترین عیب عملگر های نیوماتیکی دقت آن ها است. بدلیل تراکم پذیری بالای هوای فشرده، نمی توان از این سیستم برای موقعیت دهی دقیق استفاده کرد.
بیشترین کاربرد سیستم های نیوماتیکی در حرکت های صفر و یکی (ابتدای کورس ، انتهای کورس ) است. اگرچه با استفاده از برخی شیر های برقی و سنسور های بیرونی می توان سیلندرهای نیوماتیکی در میانه کورس متوقف کرد، اما بدلیل تراکم پذیری هوای فشرده، بصورت کامل توقف نمی کند و تکرار پذیر نیست.
این سیلندر ها دو دسته اصلی دارند، سیلندر های اسلایدی(کشویی) و سیلندر های میله ای. سیلندر های اسلایدی بار را روی اسلاید تحمل می کنند اما در سیلندر های میله ای بار مستقیما به شفت سیلندر اعمال می شود. از این رو سیلندر های میله ای تحمل بار شعاعی بسیار پایینی را دارند و هنگامی که قرار است از این سیلندر ها برای بار شعاعی استفاده شود باید از میله های راهنما استفاده کرد.
یکی از اصلی ترین برند تولید کننده سیلندر های نوماتیک، فستو است که در ایران نیز نمایندگی دارد. شرکت فستو علاوه بر سیلندر اتصالات، شلنگ های نیوماتیکی ، شیر های کنترلی و هر آنچه که نیاز صنعت نیوماتیک هست را به بازار عرضه می کند. اتصالات و شیرآلات این برند به گونه ای طراحی شده است که به سادگی به سیلندر ها و سایر ملزومات نیوماتیک متصل شود و کار را بسیار ساده کرده است.
اگرچه فستو در بازار ایران فعالیت دارد، اما برخی از اتصالات خاص آن در ایران نیست.
علاوه بر فستو برند های مختلف چینی نیز در بازار ایران فعالیت دارند، اما در این بین شرکت ایرانی تولید کننده سیلندر های نیوماتیکی هم هست.
شرکت پارس نیوماتیک اغلب سیلندر ها ، شیر های کنترلی و اتصالاتی را که در بازار ایران پر کاربرد هستند را تولید می کند.
هزینه تمام شده سیلندر های نیوماتیک بسیار پایین تر از ماژول الکترومکانیکی است. همچنین مدار PLC ساده تری دارند. همین امر باعث شده تا در اتوماسیون صنعتی جایگاه ویژه ای پیدا کنند.
مقایسه جک های نیوماتیکی و سرو جک ها
در زیر بصورت خلاصه یک مدل جک کامپکت نیوماتیکی و یک مدل سرو جک با یکدیگر مقایسه شده اند.
⚙ پیچدگی طراحی و استفاده : جک های کامپکت قطعات استانداردی هستند که مکانیزم ساده سیلندر و پیستون جهت حرکت خطی استفاده می کنند، در صورتیکه سرو جک طراحی پیچیده تری دارد و شامل یک موتور و یک سیستم بال اسکرو برای حرکت خطی است.
⚙ دقت: مهم ترین مزیت سرو جک ها در دقت عملکرد آن ها است. به دلیل استفاده از سرو موتور و بال اسکرو دقت سرو موتور ها 0.01 میلیمتر است. به دلیل همین دقت بالا، این مکانیزم ها مناسب برای حرکت چند نقطه ای هستند. از طرف دیگر جک های پنوماتیکی به دلیل دقت پایین بیشتر برای حرکت دو نقطه ای استفاده می شوند.
چه موقع از جک های پنوماتیکی استفاده کنیم؟
مزیت اصلی استفاده از این جک ها در سادگی استفاده از آن ها، قیمت پایین تر و سرعت بالاتر آن ها است. اگرچه جک های کامپکت نیروی کمتری از سرو جک ها دارند اما می توان از جک های پنوماتیکی دیگری با نیروی بیشتر بهره برد.
هنگامی که در اتوماسیون نیاز به حرکت خطی دو نقطه ای با دقت پایین باشد، راحت ترین گزینه جک های پنوماتیکی هستند.
چه موقع سراغ سرو جک ها برویم؟
مزیت اصلی سرو جک ها دقت و کنترل روی سرعت این جک است. استفاده از این جک ها نیازمند برنامه نویسی پیچیده تری است. در نتیجه زمانی که دقت حرکت بسیار مهم است از جک های برقی استفاده می شوند.
سیستم رک و پینیون
همانطور که از نام این سیستم مشخص است، حرکت دورانی موتور در این سیستم با استفاده از پینیون به حرکتی خطی تبدیل می شود. کاربرد این سیستم هنگامی است که کورس حرکت بسیار زیاد است و محیط پر از براده است.
اگر فقط مشکل طول بلند سیستم باشد، در ماژول های الکترومکانیکی می توان از راهنما برای حل مشکل استفاده کرد، اما هنگامی که آلودگی بسیار زیاد است، بهترین انتخاب سیستم رک و پینیون است. علاوه بر این دو مزیت، تحمل بار سیستم رک و پینیون نیز به مراتب از دیگر سیستم ها بالاتر است.
بهترین مثال برای این سیستم در جرثقیل های سقفی است.
حرکت دو و سه محوره خطی:
در بسیاری از مثال ها سیستم های اتوماسیون، ماشین آلات و خطوط تولید نیازمند استفاده از حرکت های دو و یا سه محوره هستند. این حرکت گاهی با ترکیب ماژول های متفاوت خطی بوجود می آید و گاها هم یک نوع ماژول برای همه محور ها در نظر گرفته می شود. در ادامه برای هر کدام از حرکت های دو محوره و سه محوره مثال هایی زده شده است.
حرکت دو محوره
در بسیاری از سیستم های اتوماسیون صنعتی نیاز به برداشتن یک محصول و قرار دادن آن در جای دیگر است. در این موارد از دو ماژول خطی برای حرکت در راستای هر کدام از محور ها استفاده می شود. به این حرکت ها pick and place گفته می شود.
راه حل بسیاری از این سیستم ها استفاده از دو ماژول خطی مجزا است. برای مثال هنگام برداشتن محصول نیاز به دقت بالایی نیست، و یک حرکت عمودی ساده با استفاده از جک های نیوماتیکی می تواند جهت برداشتن استفاده شود. اما برای در محل قرار دادن محصول ( محصول باید در جای درست خود قرار بگیرد تا آماده فرآیند تولید شود) نیاز است تا از یک ماژول با دقت بالا استفاده کرد. از این رو از ماژول های تسمه ای و یا رزوه ای جهت انجام این ماموریت استفاده می شود.
حرکت سه محوره
دستگاه های CNC بهترین مثال از حرکت های سه محوره هستند. دستگاه های بزرگ و دقیق تراشکاری که در صنعت استفاده می شوند بدلیل طول بالای محور¬ها و همچنین حساسیت و دقت بالای دستگاه برای هر سه محور خود از سیستم های حرکت رزوه ای استفاده می کند.
اما دستگاه های CNC رو میزی، برای مثال دستگاه پرینتر سه بعدی، برای دو محور حرکتی خود می تواند از سیستم تسمه ای استفاده کند، اما برای حرکت عمودی می بایست از سیستم حرکتی رزوه ای استفاده کند.