القيادة التوافقيّة – مبدأ المسنّن ذي الانفعال الموجيّ Harmonic Drive – Strain Wa…



القيادة التوافقيّة – مبدأ المسنّن ذي الانفعال الموجيّ Harmonic Drive – Strain Wave Gear Principle

المقال تغريد أخونا ياسر بن عطّا Yasser Benatta ” بلابل الباحثون المسملون ”
( لسماع المقال بتعليق صوتي الرابط أول تعليق ) نترككم مع المقال قراءة و سماعا ممتعين ..

مفهوم القيادة التوافقيّة Harmonic Drive هو اسم العلامة التجارية المسجّلة لمبدأ المسنّن ذي الانفعال الموجيّ من قبل الشركة الحاملة لنفس الاسم Harmonic Drive Company. ويستخدم هذا المفهوم مبدأً تشغيليّاً فريداً يعتمد على الخواصّ الميكانيكيّة المرنة للمعادن، وأهمّ فوائده هو ميزة اللعب الميكانيكيّ المساوية للصفر Zero-backlash (لا بدّ من وجود بعض الخلوصات عند تركيب القطع الميكانيّكة المتحرّكة مع بعضها، الأمر الذي ينجم عنه تأخير في نقل الحركة بين هذه القطع وبالتالي تأخير في الاستجابة الحركيّة، وهذا التأخير يطلق عليه اللّعب الميكانيكيّ Backlash) بالإضافة لقلّة الوزن والحجم القليل لميكانيزم جملة القيادة هذه بالمقارنة مع جُمل القيادة المسنّنيّة الأخرى؛ إذ يتكوّن هذا الميكانيزم من ثلاثة أجزاء فقط: مولّد الموجة Wave Generator، الجزء المُسنّن المرن الداخليّ Internal Flexspline، والجزء المسنّن الدائريّ الخارجيّ Outer Circular Spline.

وهذه البنية القياديّة المؤلّفة من الأجزاء الميكانيكيّة الثلاثة السابقة مع مبدأ عملها الفريد تسمح بالحصول على نسب تخفيض كبيرة جداً لنقل الحركة ضمن تجميع ميكانيكيّ محكم وخفيف الوزن، مع العلم أنّ حجم ووزن الجملة المسنّنيّة في هذا الميكانيزم لا يتغيّران بتغيّر نسب التخفيض. والنتائج المباشرة عند استخدام هذه التقنية ذات الأداء العاليّ تتمثّل بالحصول على لعب ميكانيكيّ مساوٍ للصفر، مع إمكانيّة نقل عزوم كبيرة ضمن حجم ميكانيكيّ صغير، مع دقّة تموضع وتكراريّة ممتازة.

أجزاء ميكانيزم القيادة التوافقية:

– مولّد الموجة Wave Generator: وهو مكون محمل كرويّ Ball Bearing ذو حلقة خارحيّة رقيقة ومصمّم بشكلٍ خاصّ بحيث يركّب محور بيضاوي Elliptical Hub وهذا يوفّر إمكانيّة نقل العزوم بكفاءة عالية، وهذا المولّد يعدّ بمثابة الدخل Input لميكانيزم القيادة ويكون موصولاً مع محور المحرّك.

– الجزء المسنّن المرن الداخليّ Internal Flexspline: وهو عبارة عن كوب أسطوانيّ رقيق الجدران مصنوع من الحديد السبائكيّ مزوّد بأسنان خارجيّة عند النهاية المفتوحة. وهذا الجزء يتميز بالمطواعيّة على المحور القطريّ Radial Compliant ولكنّه مقاومٌ جداً للالتواء Torsion. وعندما يتم تركيب مولّد الموجة داخله، تأخذ الأسنان الخارجيّة الشكل البيضاويّ لمولّد الموجة. ويعدّ هذا الجزء المرن بمثابة المخرج Output لميكانيزم القيادة.

– الجزء المسنّن الدائريّ الخارجيّ Outter Circular Spline: وهو عبارة عن حلقة صلبة ذات أسنان داخليّة. وعند تجميع الميكانيزم، تتعشّق الأسنان بين الجزء الداخليّ المرن والجزء الخارجيّ الصلب على طرفي القطر الرئيسي الأكبر للشكل البيضاويّ لمولّد الموجة فقط. ويمتلك هذا الجزء سنّين إضافيّين زيادة عن الجزء المسنّن المرن الداخليّ.

كيف يعمل ميكانيزم القيادة التوافقيّة:

إن قطر الجزء المسنّن المرن الداخليّ يكون أصغر قليلاً وأقلّ بسنّين بالمقارنة مع الجزء المسنّن الدائريّ الخارجيّ، وبسبب الشكل البيضاوي لمولّد الموجة، تتداخل الأسنان وتتعشّق بين الجزئين الداخليّ والخارجيّ في منطقتين متعاكستين تقعان على طرفيّ القطر الرئيسيّ الأكبر للشكل البيضاويّ. ومع كلّ دوران لمولّد الموجة بزاوية 180 درجة مع عقارب الساعة، تدور أسنان الجزء الداخليّ المرن بمقدار سنّ واحد عكس عقارب الساعة بالنسبة للجزء الدائريّ المسنن الخارجيّ. وعند إتمام مولّد الموجة لدورة كاملة مع عقارب الساعة، يكون الجزء الداخليّ المسنّن المرن قد دار بمقدار سنّين عكس عقارب الساعة بالنسبة للجزء المسنن الدائري الخارجيّ انطلاقاً من وضعه البدائيّ. ولأنّ تعشق الأسنان يكون كاملاً دائماً على طرفي القطر الرئيسي الأكبر للشكل البيضاويّ، تكون النتيجة الحصول على لعب ميكانيكيّ Backlash مساوٍ للصفر.

الفيديو التالي يشرح ميكانيزم القيادة التوافقيّة مع تبيان مبدئه (مبدأ المسنن ذو الانفعال الموجيّ).

كتطبيق على نظام القيادة التوافقيّة، فيما يلي ورقة علميّة من جامعة Drexel عن كيفيّة حساب ونمذجة نظام القيادة التوافقيّة في ميكانيزم نقل الحركة في الذراع الروبوتيّة PA-10 من شركة Mitsubishi:

القيادة التوافقية – مترجم .

ترجمة: م. رامي خليل
دمج: حمزة