MakerPot.com


90


30


0

دليل المحركات الكامل للروبوتات الخطوة 11: كيف تختارالمحرك المناسب للروبوت الخاص بك؟

2017-05-14

اختيار محرك مناسب للمهام التي تريد تأديتها من خلاله هو من أهم أجزاء التخطيط لمشروع يتعلق بالروبوتات. والخبر السار هو أن هناك أنواعا عديدة من المحركات لتختار من بينها، و الطريف في الأمر هو، أن الخبر السيء أيضاً هو أن هناك أنواعا عديدة من المحركات لتختار من بينها !.

وكي تختار المحركات الكهربائية التي تتناسب مع مشروعك، ينبغي عليك أن تأخذ بعين الإعتبار خصائص المحرك التالية:

  • عزم الدوران.
  • السرعة.
  • الدقة والإحكام.
  • الجد أو الفولط المطبق
  • الثمن.
  • عامل الشكل.

و عزم الدوران هو مقياس يحدد قدرة المحرك على إعطاء "قوة دوران". ففي حالة الروبوت، عزم دوران المحرك ينتقل إلى العجلة أو الذراع، والذي يجعل الروبوت يتحرك أو الذراع يرفع، أو يدفع، أو يسحب شيئاً ما. ويتم قياس عزم الدورن عن طريق ضرب القوة في المسافة العمودية بين القوة ونقطة الدوران وكمثال محور المحرك. ومن المألوف أن يأتي بواحدة الأونصة-انش ounce-inches (oz-inch)، أو الغرام-السنتيمتر (gm-cm)، أو القدم-الباوند (ft-lbs).. لكن واحدة الأونصة-انش هي الأكثر شيوعا في الاستخدام.

و تقدير عزم الدوران المطلوب مهمة صعبة فعلا. فنحن نحتاج إلى معرفة كتلة الحمولة/المسافة و مقدار الاحتكاك بغرض تحديد عزم الدوران لإختيار محرك معين. وتحديد مقدار الكتلة التقديرية ( أو أفضل من ذلك الكتلة الفعلية ) هو أمر حاسم ومهم في اختيار المحرك. فإن كان تصميم مشروعك يعتمد على كتلة تقريبية تقديرية فينبغي عليك أن تضع في الحسبان هامشا للكتلة الزائدة. أما الإحتكاك فهو قوة تكبح/تعاكس الحركة بين سطحين متصلين ببعضهما البعض. فالمطلوب هو أن تأخذ بعين الاعتبار نوعي الاحتكاك، الساكن والمتحرك كي تحدد بدقة مقدار عزم الدوران.

فمن أجل تحريك الروبوت، يجب أن يكون عزم دوران المحرك أكبر من عزم الدوران الخارجي لقوة الإحتكاك المطبق على نصف قطر العجلة. ويمكنك استعمال المعادلة التالية لايجاد عزم الدوران المطلوب:

T = 8 x C x W x D

حيث:

  • T هو عزم الدوران بوحدة الأونصة-الانش.
  • C هو معامل الاحتكاك.
  • W هو الوزن بوحدة الرطل ( الباوند).
  • D هو قطر العجلة بوحدة البوصة(الانش).

و يتراوح مقدار الاحتكاك من 0.001 إلى 0.03. على سبيل المثال، من أجل C= 0.03، سيكون عزم الدوران الأدنى لتحريك روبوت بوزن 5 رطل مع عجلات قطرها 4 بوصة كالتالي:

T = 8 x 0.03 x 5lb x 4in = 4.8 oz-in

يمكن للمحرك أن يحافظ على سرعة ثابتة فقط إذا كان عزم الدوران أكبر من مجموع القوى المعاكسة لإتجاه حركة الروبوت. وفي حال كان عزم الدوران أصغر من عزم الدوران المعاكس له، فإن المحرك يمكن أن يتوقف ويتلف لأن الطاقة الكهربائية لا تستطيع أن تتحول إلى عزم دوران.

وبعد تحديدك مقدار القوة/عزم الدوران الذي تحتاجه، فالخطوة التالية هو تحديد السرعة التي تحتاجها العجلة كي تدور. ومتطلبات السرعة أسهل من ناحية تحديدها وتعتمد على كم تريد أن تكون سرعة الروبوت خاصتك. فمحركات DC تدور بسرعة آلاف RPM بعزم دوران ضعيف، لكن معظم الروبوتات تحتاج سرعة أقل منها. بينما عزم الدوران الناتج ضعيف جدا كي يتمكن من تحريك الروبوت. لهذا، فهو غير مناسب لتحريك الروبوت. إذا ومن أجل استخدام المحرك، سنضيف علبة مسننات لتقليص سرعة المحرك وزيادة عزم الدوران الناتج. فنفس المحرك يمكن أن ينتج عزم دوران وسرعة مختلفين بحسب المسننات المستعملة بين المحرك وبين محور علبة المسننات. وبعض المحركات تأتي مباشرة مع علبة مسننات ملحقة بها وهذه المحركات تسمى بمحركات التعشيق DC وهي نوع مستقل من المحركات. و بتقليص السرعة، فأنت تقوم بزيادة الدقة الموضعية للمحرك. السرعة وعزم الدوران والدقة في محركات التعشيق تتأثر بشكل مباشر بنسبة التعشيق كما نرى في المعادلات التالية:

  • السرعة الناتجة = سرعة المحرك/ نسبة التعشيق.
  • الدقة الناتجة = دقة المحرك/ نسبة التعشيق.

    وعلى الرغم من أن نسبة التقليص تلعب دورا كبيرا في تحديد عزم الدوران الناتج لعلبة المسننات، هناك أيضا عامل عدم الكفاءة المطلوب والذي يتدخل خلال استعمال علبة المسننات. فبعض من عزم دوران المحرك يتحول إلى حرارة ويضيع بفعل الإحتكاك بين المسننات. وثمة عيب آخر هو أن محركات التعشيق ليست دقيقة جدا. مما يعني، أن محركين من نفس النوع، تم تصنيعهما في نفس اليوم، وتم تشغيلهما بنفس التيار وبنفس الفولط، لن يعملا تماما بنفس المعدل. فإذا، وفي روبوت يتحرك بمحركين ،وهو ما يحتويه معظم الروبوتات، فإنه الروبوت لن يتحرك في خط مستقيم ما لم يتم التحكم بسرعات المحركين كلا على حدا.

    وفي حالة علبة المسننات، عزم الدوران والسرعة يمكن اعتبارهما خصائص قابلة للتبادل ( يمكن اعتبار أحدهما في مكان الآخر). فإذا كنت بحاجة إلى المزيد من عزم الدوران، و سرعة أقل، فحاول أن تعثر على نفس المحرك لكن بعلبة مسننات ذات معدل تقليص عالي. وإذا كنت بحاجة إلى مزيد من السرعة و عزم دوران أقل، فجرب نفس المحرك لكن بعلبة مسننات ذات معدل تقليص ضعيف. ومع ذلك، فليس من المستحسن شراء علبة التروس (المسننات) والمحركات بشكل منفصل لتركيبها، إلا إذا كانت كلاهما أي العلبة والمحرك مصممة خصيصا لبعضها البعض. و هناك الكثير من الأخطاء التي يمكن أن تحصل خلال تركيب علبة المسننات، وبالنسبة لمعظم المستخدمين فإنه من الأسهل و أقل حيرة لهم أن يشتروا مباشرة محركا موصولا مباشرة بعلبة مسننات معه.

و العيب الرئيسي هنا هو أن هذه المحركات ليست دقيقة. بينما تحتاج بعض التطبيقات حركات دقيقة للغاية وزوايا محددة مثل الأذرع الروبوتية والتحكم بسطوح نموذج الطائرة. ولهذا فإن المحركات الخطوية ومحركات السيرفو هي الأكثر ملائمة لمثل النوع من التطبيقات. فمحركات السيرفو لديها مُنظم تموضع داخلي ويمكنها تخفيض السرعة إلى حدود دنيا مما يعطي تحكما دقيقا للغاية للتموضع. أما المحركات الخطوية فتتحرك بالخطوة، مستعملة مجالات مغناطيسية لتحريك المحرك في خطوات متزايدة منفصلة. فبالإعتماد على حجم خطوة المحرك و أسلوب خطوة المتحكم الخطوي بالمحرك يمكن تحقيق تموضع دقيق جدا. فغالبا تمتلك المحركات الخطوية زوايا خطوية صغيرة بقدر 1.8º ويمكن للمتحكمات الخطوية المجهرية أن تكون متقدمة بست عشرة جزءا من الخطوة في الزمن الواحد. وتمتلك المحركات الخطوية أيضا ميزة وهي قدرتها العالية على الحفاظ على عزم الدوران، فعندما يكون المحرك متوقفا لكن لا يزال مغذى بالطاقة، فإنه يحافظ على وضعيته بثبات.

وعموما، فمحركات السيرفو أصغر حجما وأقل من ناحية عزم الدوران من المحركات الخطوية. ومعظم محركات السيرفو أيضا لديها مجال محدود للحركة. ومحرك السيرفو النموذجي يمتلك مجال دوران 180º أو أقل، على الرغم من أن هناك أنواعا منها قادرة على الدوران المتعدد أو حتى الدوران المستمر. و تظهر محركات السيرفو أكثر شيوعا في التطبيقات اللاسلكية ( التحكم عن بعد) حيثُ لا نحتاج إلى عزم دوران عالي أو مجال واسع للحركة. بينما تستعمل المحركات الخطوية في التطبيقات التي نحتاج فيها دقة تموضع عالية أو عزم دوران كبير. وتمثل آلات الـ CNC (التحكم الرقمي عبر الحاسوب) مثالاً واضحا لاستخدامات المحركات الخطوية.

أما التطبيقات التي تتطلب سرعة عالية ووزنا خفيفا مثل الحوامات متعددة المراوح أو الدرون drone فتستعمل محركات DC المسننة الفعالة جدا في هذا المجال.

أما الأمر الآخر الذي يجب أن يؤخذ بالاعتبار فهو فولطية التشغيل. فقبل أن تخطط أي نوع من البطاريات ستستخدمها في مشروعك، فعليك أن تجد الفولط المناسب التي يعمل به المحرك بشكل مثالي، وكل ما كانت قيمة الفولط عالية كانت سرعة المحرك عالية أيضا. ويمكنك أن تعثر على ثابت الفولط الخاص بالمحرك في ورقة البيانات والإرشادات data sheet الخاصة به، لمعرفة كم من السرعة ستحصل عليها لكل فولط.

و المحركات الكهربائية الأكثر شيوعا المستخدمة في مشاريع الروبوتات هي محركات DC. والفولط المفضل الأكثر شيوعا لمحركات الـ DC هو 3، 6،12، و 24 فولط. ولو طبقت في محرك ما قيمة فولط أضعف مما هو موجود في ورقة بياناته، فإن عزم الدوران لن يتفوق على الاحتكاك الداخلي ( الناتج أغلبه من الأسنان). وأيضا، إذا تم تطبيق فولط أعلى من التي ذُكرت في ورقة البيانات على المحرك، سيتسبب هذا بتسخينه وحتى اتلافه.

الخطوة 12:

الخلاصة

أُخذت معظم صور هذه الدروس التعليمية من الإنترنت. ونقلت بعض المواضيع، والصور، والنصوص من المصادر التالية:

https://www.sparkfun.com/

https://en.wikipedia.org/

https://learn.adafruit.com/

www.microchip.com/

www.makerpot.com

يمكنك زيارة موقع MakerPot للاتطلاع على انواع ال Motors والاردوينو

http://makerpot.com/robotics/motors.html

http://makerpot.com/arduino/boards.htm

1


Test User