Lineer Motor Kullanım Alanları

Güncelleme 15/06/2020

Lineer motorların kullanım alanları bilhassa yüksek hız, ivme ve hassasiyetin önemli olduğu alanlarda mucize bir buluş olarak hızla genişlemektedir. Yüksek tekrarlanabilirlik, mikron altı çözünürlük ve büyük ivmeler ile kullanıldığı uygulamalardaki çevrim zamanını radikal ölçülerde düşürebilirken, aynı zamanda kullanıldığı uygulamanın da kalitesini artırmaktadır. Bu şekilde yüksek olan fiyatının yarattığı dezavantajı da tolere etmektedir. Bunun yanında MEMS (Mikro Elektromekanik Sistemler) ve Nanoteknoloji’nin gelişiminde önemli bir basamak olmuştur.

Microarray Makinası

Tıp alanında da çeşitli lineer motor kullanım alanları vardır. CAT-scan makinalarında hasta masasının hareket ettirilmesinde lineer motorlar kullanılmaktadır. Bunun yanında kontak lenslerin ve gözlük camlarının işlenmesinde; istenen bükeyliğin verilmesinde lineer motorlar yardımıyla taşlama yapılmaktadır. Oldukça ilginç ve uç bir uygulama da DNA/gen dizilimi yapmaktır. Trilogy Systems Corporation’ın lineer motorlarıyla yapılmış uygulamalardan biridir. İlk başta inanılmaz gibi gelse de lineer motorlarla 10 nanometre çalışma çözünürlüğe kadar ulaşılabildiği düşünüldüğünde o kadar da inanılmaz olmadığı görülecektir.

      

Baldor ve PI’ın Mikron Altı Lineer Motorları

Çeşitli kullanım alanlarından örnekler vermek gerekirse; MEMS teknolojisinde waferların konumlandırılması, üzerlerine kalıpların yerleştirilmesi işlevlerinde lineer motorlar vazgeçilemezdir. İstenilen boyutlarda yüksek çözünürlük ve tekrarlanabilirlikle bu alanda kullanılabilecek en hızlı hareket eden araçtır. Zira 10 nanometreye kadar çözünürlüğe ulaşmak diğer geleneksel yöntemlerle pek kolay değildir.

Wafer Taşıma ve Konumlandırma Sistemi Taslağı

Metrolojide çeşitli ölçüm araçlarının imalatında ve ölçümlerde kullanılabilmektedir. Bir mikronun altına inebilen çözünürlüğü ile daha kesin ölçüm yapmaya imkân vermektedir. Cisimlerin hassas olarak ölçülmesinde ve katı modellerin elde edilmesinde kullanılan CMM makinalarının gantry sistemlerinde kullanılmaktadır. Ayrıca elektron mikroskoplarında da kullanılmaktadır.

CMM

İmalat makinalarında bilhassa CNC tezgâhlarında ve lazerli kesme tezgâhlarında kullanılmaktadır. Hassas toleranslı parçaların işlenmesinde büyük kolaylık sağladığı gibi imalat hızını da arttırmaktadır. Buna bir örnek olarak Ermaksan firmasının WIN2006 fuarına sergilemek üzere getirdiği lazerli kesme tezgâhı da verilebilir. Bir kâğıdın üzerine resim çizdiğimizde daha hızlı bir şekilde sac üzerinde, verilen şekildeki parçaları hızlı ve çok düzgün bir biçimde kesmektedir. Lineer motorlarla ilgili lineer konveyör patentleri de mevcuttur. Paletlerin bir hat boyuna taşınmasında kullanılabilmektedir.

      

Hassas Konumlandırma Tablası ve 3 Eksenli Gantry Sistemi

Elektronik sanayinde, elektronik kartlarda devre elemanlarının yerlerine yerleştirilmesi lehimlenmesi gibi işler lineer motorlar ile seri bir şekilde yapılabilmektedir. Bilindiği gibi devre elemanlarının kart üzerine hassas bir şekilde yerleştirilmesi ve bunların dikkatlice lehimlenmesi ve yapıştırılması çok önemlidir ve büyük özen ister.

Ulaşımda, hızlı tren diye bildiğimiz Maglev Trenleri de aslında birer lineer motordur. Gene aynı prensiple çalışırlar. Şehirleri birbirine bağlayan stator rayları üzerinde saatte 500 km/saat hıza ulaşabilen araçlardır bunlar. Ancak Maglev trenlerinde lineer motorlardan farklı olarak doğal mıknatıslar yerine düşük sıcaklıklarda süper iletkenler kullanılır. Süper iletkenler yaklaşık -250°C sıcaklıkta çok güçlü manyetik özellikler gösterirler. Bu sayede tren hem hareketi esnasında havada kalabilir hem de başarıyla hızlanabilir.

      

Maglev Treni

Baskı teknolojisinde büyük ebatlı, yüksek çözünürlüklü yazıcılarda yazıcı kafasın hareketini sağlayan düzenekte lineer motorlar kullanılmaktadır. Bazı otomotiv fabrikalarında araç şasilerinin hareket ettirilmesinde kullanılmaktadır ki bilhassa bu uygulama lineer motorların ne kadar güçlü olabileceğini de göstermektedir. Bunun anında askeri alanda da çeşitli lineer motor uygulamaları vardır. Örnek vermek gerekirse füze rampa sistemlerinin yönlendirilmesinde kullanılmaktadır.

Lineer Motorların Avantajları

Düşük fiyatlı ve kullanışlı lineer motorların gelişmesinden önce bütün lineer hareketler döner makinalardan kayış kasnak mekanizmaları, kremayer mekanizmaları, bilyalı veya klavuz vida mekanizmaları ile elde edilmek zorundaydı. Bir çok uygulama için örneğin büyük yüklerde ve hareket ekseni düşey olduğunda bu metodlar halen en iyileridir. Fakat lineer motorlar mekanik sistemlere göre; çok yüksek ve çok düşük hızlarda çalışabilme, yüksek ivmelenme kabiliyeti, geri düşme olmaksızın yüksek doğruluk verme ve neredeyse sıfır bakım maliyeti gibi birçok belirgin avantajlar sunmaktadır. Lineer hareketi dişliler, kavramalar ve kasnaklar olmadan sağlamak; makina ömrünü ve performansını düşüren gereksiz parçaların kaldırılabileceği birçok uygulama için anlam ifade etmektedir. Bu kısımda U-kanal fırçasız lineer motorlar ile kayış-kasnak mekanizmasını, kremayer mekanizmasını ve vidalı mekanizmaları karşılaştıracağız.

Lineer Motorlar ve Kayış-Kasnak Mekanizmaları

Döner bir motordan lineer hareket elde etmenin yaygın olarak kullanılan bir yolu kayış kasnak mekanizmasıdır. Bu mekanizmada itme kuvvetinin kapasitesi kayışın gerilme dayanımına bağlıdır. Aynı zamanda doğruluk ve tekrarlanabilirlik mekanizmanın doğasında olan nedenlerden ötürü iyi değildir. Örneğin; 100mm çapındaki bir kasnaktan ve 5:1 çevrim oranına sahip bir redüktörden oluşan bir sistemde motor dakikada 3000 devir ile dönerken saniyede 3.14 metrelik bir lineer hareket meydana gelir. Bu sistemin teorik çözünürlüğü bi devirde 10.000 pulse üreten bir enkoderle birlikte 6.3µm dir. Fakat bir yükü 5:1 lik redüktörden geçen kayış üzerinde 6.3µmye tekrarlanabilir bir şekilde konumlandırmak pratik olarak imkansızdır. Mekanizma ile çalıştırma, geri tepme ve kayış uzaması gibi olayların sistemin doğruluğunun kötü olmasına katkısı vardır. Ölçme cihazı olarak kullanılan döner enkoderlerinde; gerçekte şaftın pozisyonunu ölçmesi, yükün gerçek konumunu ölçmememesinin doğruluğun kötü olmasına katkısı vardır. İkinci bir lineer encoder yükün konumunu ölçmekte kullanılabilir fakat bu maliyeti arttıracak ve konuma çabucak ulaşılması için özel bir servo mekanizması kurulmasını gerektirecektir. Sürekli rejime ulaşma da kayış kasnak sistemlerinde problemlidir. En iyi güçlendirilmiş kayışlar bile konumlandırmada ±1 enkoder sayımı kadar hata payına sahiptir. Bu hata payı çok hızlı bir hareketin sonunda bir salınıma veya rejim gecikmesine neden olacaktır ki buda makinanın yüksek işlem hacmine ulaşmasını imkansızlaştırır. Bu problem uzun kayışlarda daha fazla ortaya çıkar. Kayış-kasnak sistemlerinde tekrarlanabilir konumlandırmada ulaşılabilecek en iyi değer 25 ile 50µm arasındadır. Servo mekanizmalar söz konusu olduğunda hız ve tekrarlanabilirlik akla geldiğinden kayış kasnak mekanizmaları yüksek hızlar ve yüksek doğruluk için uygun bir seçim değildir.

Diğer taraftan bir lineer sistem 10m/s lik hızlara çıkabilir ve yükü 0.1µm ve üstünde konumlandırabilir. Sadece kullanılan lineer enkoderın çözünürlüğü ve mekaniğin kararlılığı performansı sınırlar. Geri tepme veya mekanizme ile çalıştırma olmadığından direk sürüşlü lineer motorlar bir enkoder sayımına defalarca tekrarlanabilir. Sürekli rejime ulaşma zamanıda yük doğrudan hareket eden forcera bağlandığından ve sistemin doğasında bir geri tepme olmadığından son derece hızlıdır. Enkoder ise konumun doğruluğunu sağlamak için gerekli olan yerlerde doğrudan yüke bağlıdır. Tüm bunlar çok kısa sürekli rejime ulaşma zamanlarını mümkün kılmakta ve bir enkoder sayımı içerisinde yüksek performans sağlamaktadır. Yüksek mesafe katetmelerinde dahi lineer motor sistemlerinde yük forcera doğrudan bağlı olduğundan ve manyetik raylar kolayca dizilebildiğinden performans ve doğruluk azalmadan aynı kalmaktadır. Aynı zamanda itme kuvveti sınırlı olan kayış-kasnak mekanizmalarında yükler hafif olmalıdır. Bir lineer motor ise performanstan fedakarlık etmeden birkaç bin newtonluk itme kuvveti sağlayabilir.

Lineer Motorlar ve Kremayer Mekanizması

Kremayer mekanizması kayış kasnak mekanizmasına göre daha rijittir fakat aynı çevrim eşitliği geçerlidir. Buna göre 5:1 çevrim oranındaki redüktörden çıkan 100mm çapındaki pinyon dişli daha fazla itme kuvveti sağladığı halde dakikada 3000 devirlik motor hızında saniyede 3.14 metrelik bir lineer hız meydana getirir. Doğruluk ve tekrarlanabilirliğin zayıf olması burada da en büyük dezavantajdır. Redüktör ve pinyon dişli iki yönlü hatalılığa sahiptir ve zaman içinde aşınma bu problemi arttıracaktır. Kayış-kasnak mekanizmasında olduğu gibi sistemin geri tepmesi motordaki enkoderin gerçek yük pozisyonunu algılamasına engel olur. Dişlilerdeki geri tepme sadece hatalılığa neden olmaz aynı zamanda servo sistemde kararsızlığada sebep olurki buda daha düşük kazancı ve daha yavaş genel performansı mecbur kılar. Lineer motorların böyle sınırları yoktur ve makinayı çok yüksek hızlara çıkarabilir. Mekanik aksam zamanla aşınsa bile direk olarak bağlı lineer motor ve enkoder her zaman en doğru konumu verecektir.

Lineer Motorlar ve Vida Mekanizmaları

Döner hareketi lineer harekete çeviren mekanizmalar içinde en fazla rastlanılanları bilyalı ve klavuz vida mekanizmalarıdır. Klavuz vida mekanizması ucuz olmasına rağmen lineer hareket elde etmenin verimsiz(%50 den az) bir yoludur. Somunu hareket ettiren vida sürtünmelerden dolayı aşınacağından yüksek iş zamanı gerektiren uygulamalar içinde iyi bir seçim değildir. Dahası konumsal doğruluk ve tekrarlanabilirlik; vida tipik olarak kesin olarak üretilmediğinden ve doğasında olan kusurlardan dolayı problemdir. Yüksek sürtünmeler geri tepmeyi azaltsada ısı ve aşınma meydana getirerek doğruluk ve tekrarlanabilirliği azaltır. Bilyalı vida mekanizması bilyalı somunu vidayla beraber kullandığından döner hareketi doğrusal harekete çevirmekte daha verimli(%90) bir yoldur. Bu tip vida mekanizması yüksek iş zamanları içinde klavuz vida mekanizmasından üstündür. Doğru işlenmiş bilyalı vida mekanizması doğruluğu arttıracaktır fakat maliyeti yüksektir ve zamanla yine aşınmalardan ötürü azalan bir doğruluk ve tekrarlanabilirlik meydana gelecektir. Her iki vida mekanizmasıda sistem çözünürlüğünden fedakarlık etmeden yüksek doğrusal hızlara ulaşamaz. Bilyalı vida mekanizmasının hızını arttırmak için vida adımını arttırmak mümkündür fakat buda direk olarak konumsal çözünürlüğü etkileyecektir. Ayrıca çok yüksek açısal hızlar vidanın salınmasına veya rezonasa girmesine ve aşırı kararsızlığa ve titreşime neden olacaktır. Bu problem vidanın uzunluğu arttıkça büyümektedir. Buda makinanın iş hacminin arttırılmasını sınırlar veya konumsal çözünürlüğü korumak için katedilen yolu arttırır. Vida mekanizmalarıyla karşılaştırıldığında lineer motorlu bir sistem lineer yataklama kısmı onun tek sürtünme noktası olduğundan herhangi bir geri besleme cihazlarıyla beraber kullanıldığında herhangi bir konumsal problem meydana getirmez. Diğer hareket çevrim elemanlarında olduğu gibi vida mekanizmasındada yükün konumlandırılması motora bağlı bir döner enkoder ile sağlanır. Kontrolör hiçbir zaman yük nezdinde gerçek bir kapalı çevrim gerçekleştirmez. Lineer motorlu sistemlerde ise enkoder yüktedir ve böylece yük doğru bir şekilde konumlandırılır.

Lineer Motorların Dezavantajları

Her teknolojide olduğu gibi her zaman sınırlamalar mevcuttur ve herhangi bir uygulama için en iyi çözümün kullanılmasına dikkat edilmelidir. Lineer motor seçimindeki sınırlamalardan biri maliyet iken gelişmiş imalat teknikleri ve artan talep lineer motorların fiyatlarını tipik bir motor ve vida mekanizması ile karşılaştırılabilir duruma getirmiştir. Gerçekte uzun vadede düşünüldüğünde lineer motorlu bir sistem zamanla geleneksel vida mekanizması alternatifine göre daha karlı olmaktadır. Günümüzde lineer motoların yüksek performansları yüksek verimlilik isteyen üreticilerin isteklerine cevap vermektedir. Lineer motorların bir dezavantajı doğal olarak düşey eksende kullanmaya elverişli değildir. Temassız çalışma özelliğinden dolayı motorun kapatılması halinde düşeyde tutulan bir yükün düşmesine müsaade edilmiş olacaktır. Halihazırda lineer motorlar için arıza durumunda devreye girebilen bir mekanik fren sistemi bulunmamaktadır. Bazı üreticilerin ortaya koyduğu tek çözüm havayı dengeleyici olarak kullanmaktır. Ortam koşullarıda aynı zamanda göz önüne alınmalıdır. Motorun kendisinin sağlam olmasına rağmen döner motorlarda olduğu kadar kolay kapatılamamaktadır. Bunlara ek olarak, lineer enkoderlar geribesleme cihazları olarak sıklıkla kullanıldığından enkoderin de ortama uygun olup olmadığından emin olunmalıdır. Ortamda yüksek aşındırıcı özelliği olan seramik tozlarının mevcut olduğu seramik kesme işleminde lineer motorların başarıyla kullandığı görülmektedir. Sonuç olarak yükün fazla aşırı olmadığı ve sürüş ekseninin yatayda olduğu durumlarda lineer motorların geleneksel hareket çevrim mekanizmalarına göre bir çok avantajı vardır