جابه‌جایی اجسام بدون اصطکاک

امروزه در فرآیندهای تولید و ترکیب مواد جدید و ابزار و وسایل نیمه رسانا، استفاده از یک روش بدون تماس و بدون اصطکاک برای جابه‌جایی اجزا و وسایل در محیط‌های تمیز و خلا‡ ضروری است. با توجه به اهمیت این موضوع و برای رفع نیازهای مطرح در این زمینه، استفاده از جابه‌جا کننده‌هایی که در آنها از سیستم تعلیق مغناطیسی استفاده می‌شود مورد توجه قرار گرفته است. اما از آنجا که نیروی مغناطیسی نمی تواند نقش موثری در تعلیق صفحات نازک سیلکونی ‌و مواد غیر فرومغناطیس دیگر مانند بسیاری از آلیاژهای فلزی داشته باشد، این مواد بیشتر روی جابه‌جا کننده‌های دیگری سوار می‌شوند تا به واسطه آنها بتوانند منتقل شوند. از سوی دیگر، با توجه به این‌که این نوع سیستم‌های جابه‌جایی با این‌که از سیستم‌های بدون اصطکاک هستند، نمی‌توانند تماس نداشتن با سطح را به طور کامل تضمین کنند، پاسخگوی همه نیازهای مطرح در این زمینه در حوزه صنعت نخواهند بود.

اما با در نظر گرفتن این‌که نیروی الکترواستاتیک می‌تواند به طور مستقیم و بدون نیاز به سوار شدن قطعات روی جابه‌جا کننده‌های دیگر در تعلیق همه مواد از جمله رساناها، نیمه رساناها و حتی نارساناها مورد استفاه قرار گیرد، تعلیق الکترواستاتیک از بهترین روش‌های جابه‌جایی بدون تماس و بدون اصطکاک محسوب می‌شود.

به عبارت دیگر، می‌توان گفت امکان تعلیق مواد غیرفرومغناطیس، نارسانا و نیمه‌رسانا و یکی از مهم‌ترین ویژگی‌ها و مزایای استفاده از سیستم تعلیق الکترواستاتیک است. امروزه از این سیستم تعلیق در سیستم‌های صنعتی و برای جابه‌جایی قطعات میکرونی یا غیر میکرونی بسیار حساس مانند صفحات نمایش تخت و همچنین سیستم یاتاقان‌های میکرونی که لازم است قطعات بدون ایجاد هرگونه تماس با‌‌یکدیگر جابه‌جا شوند، استفاده می‌شود.

غلبه بر نیروی مخالف

به گفته مهندس محمود قنبری مرداسی دانش ‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک  ساخت و تولید دانشگاه تربیت مدرس تهران و مجری این طرح تحقیقاتی، تعلیق الکترواستاتیک روشی است که از آن برای تعلیق یک جسم به وسیله کنترل نیروی جاذبه الکترواستاتیک فعال وارد بر آن استفاده می‌شود. در این روش ابتدا با اعمال ولتاژهای بزرگ و غیرهمنام بر الکترودها و ایجاد میدان الکتریکی در اطراف جسم، عمل القای بار روی سطح جسم انجام می‌‌شود. از آنجا که هر کدام از الکترودها بار الکتریکی مخالف خود را بر سطح جسم القا می‌کنند، یک نیروی جاذبه الکترواستاتیک از سوی الکترودها به جسم وارد می‌شود که با کنترل ولتاژ اعمالی بر الکترودها و در نتیجه نیروی اعمال شده از طرف آنها بر جسم، می‌توان جسم را به صورت معلق نگاه داشت.

در این سیستم، میزان جابه‌جایی جسم معلق در راستای قائم به صورت فعال کنترل می‌شود. اطلاعات مربوط به موقعیت مکانی قائم جسم که به وسیله حسگر فاصله‌سنج لیزری اندازه‌گیری شده است، عنوان یک علامت مشخصه دریافت شده در سیستم به بخش کنترل کننده فرستاده می‌شود و در نتیجه مقایسه آن با موقعیتی که به عنوان مبنا در نظر گرفته می‌شود، علامت مشخصه مقدار خطای احتمالی نشان داده می‌شود.

در مرحله بعدی علامت مشخصه نشان دهنده میزان خطا وارد یک کنترل کننده می‌شود تا علامت مشخصه کنترل کننده بر مبنای آن محاسبه شود. این علامت به وسیله یک آمپلی‌فایر ولتاژ بالا، تقویت و الکترودها فرستاده می‌شود. در نتیجه این فرایند؛ خصوصیات نیرو فاصله اصلاح می‌شود و با افزایش یا کاهش فاصله میان الکترودها و جسم معلق، میزان ولتاژ و در نتیجه نیروی جاذبه الکترو استالیک به ترتیب افزایش و کاهش خواهد یافت. در شرایط تعادل میزان نیروی جاذبه الکترواستاتیک یا نیروی جاذبه گرانش زمین برابر بوده و جسم معلق در حال تعادل، پایدار و در زیر الکترودها معلق می‌ماند تا اصطکاک به حداقل ممکن رسانده شده و حذف شود. بدون تردید استفاده از سیستم تعلیق الکترواستاتیک، در یاتاقان‌های کوچک، سیستم‌‌های جابه‌جایی قطعات بسیار کوچک و یا قطعات بزرگ بسیار حساس و همچنین حسگرهای دقیق می‌تواند بسیاری از محدودیت‌ها و موانع موجود را از میان بردارد.

علاوه بر این نبود اصطکاک در سیستم تعلیق الکترواستاتیک می‌تواند نقش بسیار مهمی در بهبود عملکرد یاتاقان‌ها و عملگردهایی که از این سیستم استفاده می‌کنند، داشته باشد. با توجه به آنچه گفته شد، می‌توان به این نتیجه رسید که با در نظر گرفتن این‌که سیستم تعلیق مغناطیسی فقط برای اجسام فرو مغناطیس مورد استفاده قرار می‌گیرد، سیستم تعلیق الکترواستاتیک که می‌تواند طیف وسیعی از مواد مختلف شامل فلزات، نیمه‌رساناها و نارساناها را تحت پوشش قرار دهد، در مقایسه کاربرد بیشتری در حوزه صنعت خواهد داشت.

حرکتی روان بر سطح معابر

به گفته قنبری مرداسی، در سیستم تعلیق مغناطیسی میزان جریان سیم‌پیچ‌ها بر حسب واحد اندازه‌گیری آمپر و در محدوده چندین آمپر و میزان گرمای ایجاد شده بر اثر جریان ادی‌کارنت و همچنین مقاومت سیستم بسیار بالاست.

به همین علت، در سیستم تعلیق مغناطیسی، استفاده از سیستم خنک‌کننده لازم و ضروری خواهد بود.

اما براساس قوانین فیزیکی استفاده از سیستم تعلیق مغناطیسی در خلاء امکان‌پذیر نخواهد بود. این درحالی است که در سیستم الکترواستاتیک جریان‌های ایجاد شده در الکترود‌ها و جسم معلق در محدوده چندین میلی‌آمپر است و گرمای ایجاد شده قابل چشم‌پوشی است و به همین علت برای استفاده در محیط خلاء بسیار مناسب است. بنابرآنچه گفته شد می‌توان به این نتیجه رسید که در تعلیق الکترواستاتیک حرارت کمتری در مقایسه با سیستم تعلیق الکترومغناطیسی ایجاد می‌شود. یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد سیستم تعلیق الکترواستاتیک، سازگاری آن با ابزار و سیستم‌های میکرونی است که امروزه در بسیاری از زمینه‌های مختلف کاربرد این سیستم‌ها مورد توجه قرار گرفته است.

در سیستم میکرونی و بسیار کوچک، چگالی یا جرم حجمی انرژی حاصل از نیروهای الکترواستاتیک در مقایسه با نیروهای الکترومغناطیسی به میزان بیشتری قابل دریافت خواهد بود. در سیستم‌های تعلیق مغناطیسی الکترودها به صورت سیم‌پیچ یا آهنرباهای سه‌بعدی در سیستم قرار می‌گیرند و حال آن‌که الکترودهای مورد استفاده در سیستم تعلیق الکترواستاتیک طراحی شده در کشور می‌توانند به صورت صفحه‌ای در سیستم قرار داده شوند که این ویژگی‌ موجب سهولت استفاده از تعلیق الکترواستاتیک در سیستم‌های میکرونی می‌شود. هر فناوری همان‌طور که می‌‌تواند مزایای بسیاری را به همراه داشته باشد، بدون تردید بدون اشکال نیز نخواهد بود. به این معنی که هر فناوری به موازات مزایای خود، معایبی را نیز به همراه خواهد داشت و آنچه موجب جایگزینی یک فناوری جدید به جای فناوری‌های قبلی می‌شود، برتری نسبی مزایای یک سیستم نسبت به مزایای آن است. میزان ولتاژ الکتریکی مورد نیاز برای دست یافتن به سیستم تعلیق الکترواستاتیک بسیار بالاست. از سوی دیگر، به دلیل ضعیف بودن نیروهای الکترواستاتیک در مقایسه با نیروهای الکترومغناطیسی، پایداری سیستم تعلیق الکترواستاتیک در مقایسه با تعلیق الکترومغناطیسی کمتر است. شاید بتوان گفت با این که تعلیق الکترواستاتیک از ویژگی‌ها و مزایای منحصربه فردی برخوردار بوده، این سیستم‌ معایبی نیز داشته که موجب شده است تا به امروز در سطح کشورهای مختلف دنیا به طور گسترده مورد مطالعه قرار بگیرد.

آنچه در این طرح تحقیقاتی محققان به ‌آن دست یافته‌اند، طراحی و ساخت یک سیستم تعلیق الکترواستاتیک در آزمایشگاه و سیستم‌های اندازه‌گیری و مکاترونیک پیشرفته دانشگاه تربیت مدرس است که برای تعلیق دیسک شیشه‌ای به قطر 128 سانتی‌متر، ضخامت 2 میلی‌متر و وزن 58 گرم در نظر گرفته شده است. علاوه بر این، در طرح پژوهشی‌ای که با راهنمایی دکتر یوسف حجت عضو هیات علمی این دانشگاه انجام شده، الکترودهای خاصی نیز برای تعلیق دیسک شیشه‌ای طراحی و ساخته شده است که نتایج به دست آمده از آزمایش‌های انجام شده روی آن، مناسب بودن این الکترودها را مورد تایید قرار داده است. همچنین برای رسیدن به یک تعلیق پایدار، یک سیستم کنترل مدار بسته نیز برای آن طراحی و ساخته شده است که امکان کنترل سیستم را در اختیار کاربران قرار می‌دهد.

اگر چه ممکن است چنین تصور شود که‌آنچه بیش از همه کارآیی خودرو را تحت تاثیر خود قرار می‌دهد، شتاب خودرو است؛ اما اگر راننده خودرو نتواند خودرو را کنترل کند، قدرت ایجاد شده به وسیله موتور به هدر خواهد رفت. سیستم تعلیق، اصطکاک بین لاستیک و سطح جاده را به حداقل می‌رساند و به این ترتیب به حداقل رساندن میزان خطرات احتمالی ناشی از اصطکاک ایمنی سرنشینان خودرو را تضمین می‌کند. ناصافی‌ها و ناهمواری‌های سطح جاده‌ها و معابر نیرویی را بر چرخ‌ها وارد می‌کنند. دست‌اندازهای موجود علاوه بر این در هنگام عبور چرخ خودرو از ناهم‌سطحی‌ها یک شتاب عمودی به دست می‌آورند. اگر یک سیستم مداخله‌کننده برای جذب انرژی چرخ در هنگام عبور از ناهمواری‌ها وجود نداشته باشد، همه انرژی عمودی چرخ به شاسی که در همان جهت در حال حرکت است، انتقال می‌یابد و به این ترتیب ممکن است چرخ‌ها پس از جدا شدن از سطح جاده دوباره و تحت نیروی جاذبه به زمین برخورد کند، اما سیستم تعلیق با جذب این انرژی به شاسی و بدنه اجازه می‌دهد براحتی از سطح ناهمواری‌ها عبور کنند. در حقیقت سیستم تعلیق با تحمل وزن خودرو، ارتفاع آن را در حد ثابت نگاه می‌دارد و ضربات ناشی از برخورد خورو با سطح ناهمواری‌ها را به حداقل می‌رساند.

از گاری‌های قدیمی تا خودروهای امروزی

در قرن شانزدهم میلادی برای این که بتوانند مشکلات ناشی از انتقال نیرو از دست‌انداز به واگن گاری‌ها را کاهش دهند، 4 کیسه چرمی پرباد به 4ستون اصلی شاسی گاری متصل می‌شد و به این ترتیب بدنه گاری نسبت به شاسی به صورت معلق قرار می‌گرفت. اگرچه این سیستم که به آن سیستم تعلیق گفته می‌شد، یک سیستم کاملا فنری نبود؛ اما آزادی حرکت چرخ‌ها و بدنه را در مسیر حرکت هموار می‌ساخت. پس از گذشت مدت زمان کوتاهی بتدریج فنرهای نیمه‌بیضوی جایگزین کیسه‌های چرمی شدند و به این ترتیب این نوع فنرها به صورت عمومی و گسترده در انواع گاری‌ها و واگن‌ها مورد استفاده قرار گرفت. با پیشرفت فناوری و ساخت خودرو، سیستم‌های فنری متفاوتی طراحی و ساخته شدند که راحتی و آسایش بیشتری را برای سرنشینان خودروها فراهم می‌کردند. امروزه نیز همچنان در تلاش هستند تا با طراحی سیستم‌های تعلیق جدید اصطکاک را برای همیشه از میان بردارند.

فرانک فراهانی‌جم